В середине 1990-х астрономия вступила в эпоху, которую можно назвать ее золотым веком. Цифровая революция и начало работы телескопа Hubble позволили ученым совершить множество громких открытий, существенно расширяющих багаж наших знаний о космосе.
Но наука никогда не стоит на месте. Уже тогда астрономы начали задумываться о следующем шаге: космической обсерватории, которая стала бы своеобразной машиной времени, позволив заглянуть на край Вселенной и увидеть объекты, сформировавшиеся сразу после Большого взрыва. Так на свет появился проект инфракрасного телескопа нового поколения, получившего название James Webb. Правда, на тот момент еще никто не подозревал, что для того чтобы отправить его в космос, потребуется целая четверть века.
Путешествие длиной в 25 лет
Разработка James Webb началась в 1996 году. Любопытно, что изначально в NASA надеялись, что бюджет нового телескопа удастся уложить всего в $500 млн — относительно скромную сумму в сравнении с ценой, в которую обошелся тот же Hubble. Впрочем, уже первые прикидки показали, что эта цифра излишне оптимистична, и обсерватория будет стоить намного дороже.
Дело в том, что новый телескоп планировали оснастить беспрецедентным 8-метровым зеркалом (напомним, диаметр зеркала Hubble составляет всего 2,4 м). И это сразу же поставило перед конструкторами довольно серьезный вызов. Такое зеркало превышало бы в размерах как грузовой отсек шаттла, так и головной обтекатель любой из ракет-носителей. Существовал лишь один вариант, как можно было отправить его в космос: сделать всю конструкцию разворачиваемой. Вот только до этого NASA никогда не создавало ничего подобного. Технологию нужно было разрабатывать с нуля, что требовало как солидных затрат времени, так и финансовых вложений. Аналогичная ситуация возникла и с солнцезащитным экраном James Webb. Ввиду весьма внушительных габаритов его тоже можно было запустить в космос лишь в свернутом виде.
Тем не менее, благодаря поддержке американского научного сообщества, NASA решилось дать зеленый свет проекту. В начале нулевых агентство приступило к изготовлению первых компонентов телескопа. Тогда его бюджет оценивался в $2,5 млрд, а запуск планировался на 2011 год.
Однако из-за технических сложностей, связанных с разработкой конструкции зеркала и солнцезащитного экрана телескопа, бюджет проекта начал стремительно расти. В результате NASA приняло решение уменьшить диаметр зеркала обсерватории до 6,5 м и упростить некоторые из ее научных инструментов. Кроме того, к проекту были привлечены иностранные партнеры. Европейское космическое агентство (ESA) согласилось выделить €700 млн, а еще предоставило ракету Ariane 5 для запуска James Webb. Космическое агентство Канады (CSA) добавило $200 млн. За это ESA получило 15% от общего наблюдательного времени телескопа, CSA — 5%.
После всех технических изменений в 2008 году NASA, наконец-то, согласовало предварительный дизайн обсерватории. К этому моменту стоимость James Webb выросла до головокружительных $6,5 млрд (и это без учета финансового вклада ESA и CSA), а запуск был запланирован на 2015-2016 годы.
Впрочем, уже в следующем году NASA объявило о том, что для завершения строительства James Webb ему нужно еще как минимум $2 млрд, а сам телескоп будет готов лишь к 2018 году. Это привело к тому, что Конгресс США чуть было не закрыл проект. Как и в случае с Hubble, на помощь пришли ученые. Американское научное сообщество провело информационную кампанию в прессе, объясняя важность телескопа для будущего науки. Это принесло свои плоды, и Конгресс согласился продолжить финансирование.
Увы, это были далеко не последние трудности в истории проекта. В ходе тестирования инженеры неоднократно находили неполадки в механизмах развертывания главного зеркала и солнцезащитного экрана James Webb. Каждая подобная неисправность приводила к новому переносу даты отправки обсерватории в космос и увеличивала и без того внушительную смету проекта. Свой удар нанесла и пандемия Covid-19, из-за последствий которой запуск телескопа сдвинулся еще почти на год.
В конце концов, хотя это уже и казалось невозможным, но в прошлом году James Webb все же сумел добраться до финишной прямой. Телескоп успешно выдержал финальные тесты, после чего его перевезли на космодром Куру во Французской Гвиане. James Webb отправился в космос 25 декабря 2021 года, сделав отличный рождественский подарок астрономам во всем мире.
После успешного запуска инженеры NASA приступили к развертыванию солнцезащитного экрана и зеркала телескопа. Вопреки некоторым опасениям, эти процедуры прошли без каких-либо проблем. Далее начался пятимесячный период охлаждения научных инструментов обсерватории и их калибровки. Ожидается, что James Webb приступит к выполнению своей очень насыщенной научной программы в начале лета 2022 года.
Увидеть Большой взрыв
James Webb часто называют новым Hubble или его наследником. Однако подобное сравнение не вполне корректно. Hubble изучает Вселенную в ультрафиолетовом, видимом, а также в ближней части инфракрасного диапазона. Но его приборы не в состоянии фиксировать более «длинные» инфракрасные волны. Их также не способны видеть наземные телескопы, поскольку большая часть инфракрасного излучения поглощается земной атмосферой. James Webb же как раз предназначен именно для ведения наблюдений в инфракрасном диапазоне.
Чем же так важны для астрономов инфракрасные волны? Дело в том, что они дают возможность наблюдать небесные тела с экстремально большими красными смещениями. Речь о звездах и галактиках, которые находятся на невероятно огромных расстояниях от Земли. Вследствие этого длина волны испускаемого ими света настолько увеличилась, что он стал инфракрасным излучением. Именно поэтому James Webb и называют астрономической машиной времени. Зеркало беспрецедентных размеров и возможность вести наблюдения в инфракрасном диапазоне позволят ему в прямом смысле заглянуть за край Вселенной, и увидеть то, что не в силах заметить ни один другой телескоп в мире.
Но инфракрасное излучение хорошо не только этим. В отличие от видимого света, оно намного лучше проходит через пылевые облака, которые изрядно усложняют жизнь астрономам, пытающимся изучать, скажем, регионы активного звездообразования или центр нашего Млечного Пути. Помимо этого, наблюдения на инфракрасных волнах оптимальны для поиска и исследования объектов, которые холоднее звезд. Речь о коричневых карликах, протопланетных дисках, экзопланетах, кометах и астероидах.
Как мы уже сказали, одной из главных задач James Webb станет изучение объектов, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва. Обсерватория должна будет увидеть свет самых ранних звезд и галактик. Их изучение поможет ученым ответить на ряд ключевых космологических вопросов, касающихся того, как Вселенная приобрела нынешний вид.
Помимо поисков первых галактик, James Webb будет заниматься охотой за экзопланетами. Он сможет не только находить внесолнечные миры, но и проводить химический анализ их газовых оболочек с целью выявления возможных индикаторов жизни. Также ожидается, что JWST будет способен обнаруживать спутники экзопланет.
Обсерваторию собираются использовать и для других целей. В их числе исследования черных дыр, молекулярных облаков и протопланетных дисков. JWST задействуют и для изучения нашей Солнечной системы. Особенно большой упор будет сделан на наблюдениях спутников планет-гигантов, под ледяной поверхностью которых скрываются океаны. Скорее всего, телескопу найдется применение и в проектах по изучению комет и объектов пояса Койпера. Возможно, его подключат и к поискам гипотетической планеты X.
James Webb рассчитан на номинальный срок службы в пять лет. Но в NASA надеются, что он проработает намного дольше. Конечный срок его функционирования будет зависеть от нескольких основных факторов. Одним из них являются запасы топлива. Оно необходимо телескопу для удержания своей рабочей позиции, которая находится на расстоянии 1,5 млн км от Земли в точке Лагранжа L₂ системы Солнце-Земля. Подобное расположение связано с необходимостью минимизировать воздействие на телескоп солнечного света, отражаемого от поверхности нашей планеты и Луны. По последним данным, благодаря эффективной работе ракеты Ariane 5 во время запуска и точности выполнения маневров, у James Webb остался запас топлива примерно на 20 лет службы.
На срок работы обсерватории может повлиять и ситуация с хладагентом (жидким гелием), который нужен для поддержания рабочей температуры ее научных инструментов. James Webb обладает закрытой системой охлаждения, но какие-то утечки все равно неизбежны. Когда закончится хладагент, телескоп потеряет возможность вести наблюдения в большей части инфракрасного диапазона. Впрочем, это случится лишь через много-много лет.
Обсерватории будущего
Несмотря на всю значимость James Webb для науки, не стоит забывать, что он — далеко не единственный телескоп нового поколения. Прямо сейчас в разработке целый ряд проектов различных обсерваторий, которые будут введены в строй в течение ближайшего десятилетия. И для полноты картины целесообразно рассказать о наиболее значимых из них.
Начнем с наземных обсерваторий. В 2019 году на вершине чилийской горы Серро Армазонес началась закладка фундамента огромной башни, в которой будет размещен так называемый Экстремально Большой телескоп (ELT). После завершения строительства он станет крупнейшей на Земле оптической обсерваторией.
Внутри башни ELT установят 39-метровое главное зеркало, состоящее из 798 индивидуальных шестиугольных сегментов общей площадью 978 кв. м. Диаметр вторичного зеркала составит 4,2 м, третичного — 3,75 м. С их помощью обсерватория сможет собирать в 15 раз больше света, чем крупнейшие действующие оптические телескопы.
Конструкция ELT предусматривает использование принципиально новой адаптивно-оптической техники, способной настолько хорошо корректировать вносимые земной атмосферой искажения изображений, что его снимки будут более четкими, чем фотографии из космоса. Ожидается, что новая обсерватория сможет напрямую получать изображения экзопланет, изучать их атмосферы, наблюдать за рождением новых планетных систем, а также поможет измерить величину ускорения расширения Вселенной. Ее ввод в эксплуатацию запланирован на 2027 год.
Компанию ELT должен составить Гигантский Магелланов телескоп, который тоже построят в Чили. Его оптическая система будет состоять из семи зеркал диаметром в 8,4 м каждое. Они позволят создать эквивалент телескопа, обладающего цельным 24,5-метровым зеркалом. Ожидается, что Гигантский Магелланов телескоп будет иметь разрешающую способность в 10 раз выше, чем у телескопа Hubble. Его предполагается использовать для поисков экзопланет, изучения темной материи и темной энергии. Начало работы обсерватории запланировано на 2029 год.
Существует также проект Тридцатиметрового телескопа, который собираются возвести на вершине гавайской горы Мауна-Кеа. Его хотят оснастить сегментным зеркалом 30 м, которое позволило бы ему занять второе место в списке наиболее мощных наземных обсерваторий на планете. К сожалению, из-за протестов местных активистов строительство телескопа заморожено — и есть вероятность, что в итоге он и вовсе не появится.
В сфере радиоастрономии одним из наиболее интересных проектов является ngVLA (Next Generation Very Large Array). В его рамках планируется создание массива, состоящего из 244 18-метровых антенн, которые разместят в разных уголках Северной Америки. Они займутся изучением нейтронных звезд, черных дыр и регионов активного звездообразования. Строительство ngVLA должно начаться во второй половине 2020-х.
Что касается орбитальной астрономии, то двумя наиболее важными проектами ближайших лет являются китайский модуль-телескоп «Сюньтянь» и американская обсерватория Roman. «Сюньтянь» нередко называют «китайским Hubble». Аналогия неслучайна. Как и Hubble, он будет вести наблюдения в видимом, а также ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Как и Hubble, он создается с расчетом на обслуживание людьми и периодическую замену и ремонт научных инструментов. Благодаря наличию двигателей и собственной навигационной системы модуль будет стыковаться с новой китайской орбитальной станцией, что значительно упростит эту задачу.
«Сюньтянь» получит двухметровое зеркало, которое должно позволить ему делать снимки с разрешением, сопоставимым с разрешением все того же Hubble. При этом 2,5-гигапиксельная камера предоставит китайскому телескопу в 300 раз большее поле зрения. Предполагается, что основными задачами «Сюньтянь» станут космологические исследования, поиски темной материи, наблюдения различных объектов Солнечной системы и Млечного Пути. КНР рассчитывает запустить его в 2024 году.
Телескоп Roman тоже часто сравнивают с Hubble. Он получит аналогичное 2,4-метровое зеркало. Но эти проекты никак нельзя назвать близнецами. Во-первых, поле зрения у Roman будет примерно в 100 раз больше, чем у Hubble. Во-вторых, он предназначен для наблюдений только в инфракрасном диапазоне. В-третьих, он будет оснащен инструментом, которого нет у Hubble. Речь о коронографе. Это устройство, способное отсекать свет звезды, что позволит напрямую изучать обращающиеся вокруг нее объекты.
Благодаря коронографу Roman сможет получать самые четкие в истории снимки протопланетных и околозвездных дисков, а также найти несколько тысяч новых экзопланет и получить прямые изображения наиболее крупных из них. Телескоп будут использовать для изучения крупномасштабных структур Вселенной и исследования влияния темной материи на галактики. Запуск аппарата запланирован на 2027 год.
Если же говорить об отдаленном будущем, то наибольший интерес пока представляет предложенный американскими астрофизиками проект следующей флагманской обсерватории, в которой предполагается объединить сразу два разрабатываемых NASA телескопа — LUVOIR и HabEx. Новая обсерватория, которую собираются оснастить шестиметровым зеркалом, будет обладать возможностью вести наблюдения в ультрафиолетовом, видимом и ближней части инфракрасного спектра. Именно это и позволяет рассматривать ее как «настоящую» замену Hubble.
Предварительная стоимость этого проекта оценивается в $11 млрд. В случае одобрения строительство пока еще безымянного телескопа начнется в конце текущего десятилетия, а запуск состоится где-то на заре 2040-х. То есть, собранными им данными будет пользоваться уже следующее поколение астрономов.
