У середині 1990-х в астрономії почалася епоха, яку можна назвати її золотим віком. Цифрова революція та початок роботи телескопа Hubble дозволили вченим зробити безліч гучних відкриттів, які істотно розширюють багаж наших знань про космос.
Однак наука ніколи не стоїть на місці. Вже тоді астрономи почали замислюватися щодо наступного кроку: космічної обсерваторії, яка стала б своєрідною машиною часу, дозволивши зазирнути на край Всесвіту та побачити об’єкти, що сформувалися одразу після Великого вибуху. Так на світ з’явився проєкт інфрачервоного телескопа нового покоління, що дістав назву James Webb. Щоправда, на той момент ще ніхто не підозрював, що на те, щоб відправити його в космос, знадобиться ціла чверть століття.
Подорож завдовжки 25 років
Розробка James Webb розпочалася 1996 року. Цікаво, але спочатку в NASA сподівалися, що бюджет нового телескопа вдасться обмежити лише $500 млн — відносно скромною сумою, порівняно з ціною того ж Hubble. Проте уже перші прикидки показали, що ця цифра надмірно оптимістична, й обсерваторія коштуватиме набагато дорожче.
Річ у тім, що новий телескоп планувалося оснастити безпрецедентним 8-метровим дзеркалом (нагадаємо, що діаметр дзеркала Hubble становить 2,4 м). І це відразу поставило перед конструкторами досить серйозний виклик. Адже таке дзеркало перевищувало би за розмірами як вантажний відсік шатла, так і головний обтічник будь-якої з ракет-носіїв. Існував лише один варіант, як можна було відправити його в космос: улаштувати так, щоб уся конструкція розгорталася. Ось тільки раніше NASA ніколи не створювало нічого подібного. Технологію потрібно було розробляти з нуля, що вимагало як солідних витрат часу, так і фінансових вкладень. Аналогічна ситуація утворилася й із сонцезахисним екраном James Webb. Зважаючи на вельми значні габарити, його теж можна було запустити в космос лише у згорнутому вигляді.
Тим не менш, завдяки підтримці американської наукової спільноти, NASA наважилося дати зелене світло проєкту. На початку нульових агентство розпочало виготовлення перших компонентів телескопа. Тоді його бюджет оцінювався у $2,5 млрд, а запуск планувався на 2011 рік.
Проте через технічні складнощі, пов’язані з розробкою конструкції дзеркала та сонцезахисного екрана телескопа, бюджет проєкту почав стрімко зростати. Зрештою в NASA вирішили зменшити діаметр дзеркала обсерваторії до 6,5 м та спростити деякі з її наукових інструментів. Крім того, до проєкту залучили іноземних партнерів. Європейське космічне агентство (ESA) погодилося виділити €700 млн, а ще надало ракету Ariane 5 для запуску James Webb. Космічне агентство Канади (CSA) додало $200 млн. За це ESA отримало 15% загального спостережного часу телескопа, CSA — 5%.
Після всіх технічних змін у 2008 році NASA нарешті погодило попередній дизайн обсерваторії. На той момент вартість James Webb зросла до запаморочливих $6,5 млрд (і це без урахування фінансового вкладу ESA та CSA), а запуск був запланований на 2015-2016 роки.
Утім, уже наступного року NASA оголосило про те, що для завершення будівництва James Webb йому потрібно ще як мінімум $2 млрд, а телескоп буде готовий лише до 2018 року. Це призвело до того, що Конгрес США мало не закрив проєкт. Як і у випадку з Hubble, на допомогу прийшли вчені. Американська наукова спільнота провела інформаційну кампанію у пресі, пояснюючи важливість телескопа для майбутнього науки. Це дало свої плоди, і Конгрес погодився продовжити фінансування.
Але це були далеко не останні проблеми в історії проєкту. Під час тестування інженери неодноразово знаходили неполадки у механізмах розгортання головного дзеркала та сонцезахисного екрана James Webb. Кожна подібна несправність призводила до нового перенесення дати відправки обсерваторії в космос та збільшувала і без того значний кошторис проєкту. Свого удару завдала й пандемія Covid-19, через наслідки якої запуск телескопа відтермінували ще майже на рік.
Зрештою, хоча це вже й здавалося неможливим, та все ж таки минулого року James Webb зумів дістатися фінішної прямої. Телескоп успішно витримав фінальні тести, після чого його перевезли на космодром Куру у Французькій Гвіані. James Webb вирушив у космос 25 грудня 2021 року, зробивши чудовий різдвяний подарунок астрономам у всьому світі.
Після успішного запуску інженери NASA розпочали розгортання сонцезахисного екрана та дзеркала телескопа. Попри деякі побоювання, ці процедури пройшли без жодних проблем. Далі п’ять місяців триватиме період охолодження наукових інструментів обсерваторії та їхнє калібрування. Очікується, що James Webb розпочне виконання своєї дуже насиченої наукової програми на початку літа 2022 року.
Побачити Великий вибух
James Webb часто називають новим Hubble або його спадкоємцем. Однак таке порівняння не цілком коректне. Hubble вивчає Всесвіт в ультрафіолетовому, видимому, а також у ближній частині інфрачервоного діапазону. Але його прилади не в змозі фіксувати “довші” інфрачервоні хвилі. Їх також не здатні бачити наземні телескопи, оскільки більшість інфрачервоного випромінювання поглинається земною атмосферою. James Webb якраз і призначений саме для ведення спостережень в інфрачервоному діапазоні.
Чим же такі важливі для астрономів інфрачервоні хвилі? Річ у тому, що вони дозволяють спостерігати небесні тіла з екстремально великими червоними зсувами. Йдеться про зорі та галактики, які перебувають на неймовірно величезних відстанях від Землі. Через це довжина хвилі випромінюваного ними світла настільки збільшилася, що воно стало інфрачервоним випромінюванням. Саме тому James Webb і називають астрономічною машиною часу. Дзеркало безпрецедентних розмірів і здатність вести спостереження в інфрачервоному діапазоні нададуть йому можливість у прямому значенні зазирнути за край Всесвіту, і побачити те, чого не помітить жоден телескоп у світі.
Але інфрачервоне випромінювання добре не лише цим. На відміну від видимого світла, воно набагато краще проходить через пилові хмари, що значно ускладнюють життя астрономам, які намагаються вивчати, скажімо, регіони активного зореутворення або центр Чумацького Шляху. Крім цього, спостереження на інфрачервоних хвилях оптимальні для пошуку та дослідження об’єктів, які холодніші за зорі. Йдеться про коричневі карлики, протопланетні диски, екзопланети, комети та астероїди.
Як ми вже сказали, одним із головних завдань James Webb стане вивчення об’єктів, що сформувалися невдовзі після Великого вибуху. Обсерваторія повинна буде побачити світло ранніх зір і галактик. Їхнє вивчення дозволить ученим відповісти на низку ключових космологічних запитань стосовно того, як Всесвіт набув нинішнього вигляду.
Окрім пошуків перших галактик, James Webb займатиметься полюванням за екзопланетами. Він зможе не лише знаходити позасонячні світи, а й проводити хімічний аналіз їхніх газових оболонок з метою встановлення можливих індикаторів життя. Також очікується, що JWST буде спроможний виявляти супутники екзопланет.
Обсерваторію збираються використовувати й для інших цілей. Зокрема для дослідження чорних дір, молекулярних хмар та протопланетних дисків. JWST призначений і для вивчення нашої Сонячної системи. Особливо пильну увагу буде зосереджено на спостереженнях супутників планет-гігантів, під крижаною поверхнею яких ховаються океани. Скоріше за все, телескопу знайдеться застосування і в проєктах із вивчення комет та об’єктів поясу Койпера. Можливо, його підключать до пошуків гіпотетичної планети X.
James Webb розрахований на номінальний термін служби п’ять років. Але у NASA сподіваються, що він пропрацює набагато довше. Кінцевий термін його функціонування залежатиме від кількох основних факторів. Одним із них є запаси палива. Воно необхідне телескопу для утримання своєї робочої позиції, що на відстані 1,5 млн км від Землі у точці Лагранжа L₂ системи Сонце-Земля. Подібне розташування пов’язане з необхідністю мінімізувати вплив на телескоп сонячного світла, що відбивається від поверхні нашої планети та Місяця. За останніми даними, завдяки ефективній роботі ракети Ariane 5 під час запуску та точності виконання маневрів у James Webb залишився запас палива приблизно на 20 років служби.
На термін роботи обсерваторії може вплинути й ситуація із холодоагентом (рідким гелієм), що необхідний для підтримки робочої температури її наукових інструментів. James Webb має закриту систему охолодження, але якісь витоки все одно неминучі. Коли закінчиться холодоагент, телескоп втратить можливість вести спостереження переважно інфрачервоного діапазону. Втім, це відбудеться лише через багато років.
Обсерваторії майбутнього
Попри всю значимість James Webb для науки, не варто забувати, що він далеко не єдиний телескоп нового покоління. Прямо зараз розробляється ціла низка проєктів різних обсерваторій, які будуть введені в дію протягом найближчого десятиліття. І для повноти картини доречно розповісти про найбільш значущі з них.
Почнемо із наземних обсерваторій. У 2019 році на вершині чилійської гори Серро Армазонес розпочалося закладання фундаменту величезної вежі, в якій буде розміщено так званий Екстремально Великий телескоп (ELT). Після завершення будівництва він стане найбільшою на Землі оптичною обсерваторією.
Всередині вежі ELT встановлять 39-метрове головне дзеркало, що складатиметься з 798 індивідуальних шестикутних сегментів загальною площею 978 кв. м. У вторинного дзеркала діаметр буде 4,2 м, третинного — 3,75 м. За їхньою допомогою обсерваторія зможе збирати в 15 разів більше світла, ніж найбільші оптичні телескопи, що діють наразі.
Конструкція ELT передбачає використання принципово нової адаптивно-оптичної техніки, здатної настільки добре коригувати спотворення зображень, які завдає земна атмосфера, що його знімки будуть чіткішими, аніж фотографії з космосу. Очікується, що нова обсерваторія зможе безпосередньо отримувати зображення екзопланет, вивчати їхні атмосфери, спостерігати народження нових планетних систем, а також допоможе виміряти величину прискорення розширення Всесвіту. Його введення в експлуатацію заплановане на 2027 рік.
Компанію ELT має скласти Гігантський Магелланів телескоп, який теж збудують у Чилі. Його оптична система складатиметься з семи дзеркал діаметром 8,4 м кожне. Вони дозволять створити еквівалент телескопа, що має цільне 24,5-метрове дзеркало. Очікується, що Гігантський Магелланів телескоп матиме роздільну здатність у 10 разів вище, ніж у телескопа Hubble. Його передбачається використовувати для пошуків екзопланет, вивчення темної матерії та темної енергії. Початок роботи обсерваторії заплановано на 2029 рік.
Існує також проєкт Тридцятиметрового телескопа, який мають намір звести на вершині гавайської гори Мауна-Кеа. Його хочуть оснастити сегментним дзеркалом 30 м, що дозволило б йому посісти друге місце у списку найпотужніших наземних обсерваторій на планеті. На жаль, через протести місцевих активістів будівництво телескопа наразі заморожене — і є вірогідність, що врешті-решт він взагалі не з’явиться.
У сфері радіоастрономії одним із найцікавіших проєктів є ngVLA (Next Generation Very Large Array). У його межах планується створення масиву, що складається з 244 18-метрових антен, які розмістять у різних куточках Північної Америки. Вони вивчатимуть нейтронні зорі, чорні діри та регіони активного зореутворення. Будівництво ngVLA має розпочатися у другій половині 2020-х.
Що стосується орбітальної астрономії, то двома найважливішими проєктами найближчих років є китайський модуль-телескоп “Сюньтянь” та американська обсерваторія Roman. “Сюньтянь” часто називають “китайським Hubble”. Аналогія невипадкова. Як і Hubble, він вестиме спостереження у видимому, а також ближньому інфрачервоному та ультрафіолетовому діапазонах. Як і Hubble, він створюється з розрахунком на обслуговування людьми та періодичну заміну й ремонт наукових інструментів. Завдяки наявності двигунів та власної навігаційної системи модуль стикуватиметься з новою китайською орбітальною станцією, що значно спростить це завдання.
“Сюньтянь” отримає двометрове дзеркало, яке має дозволити йому робити знімки з роздільною здатністю, яку можна порівняти з роздільною здатністю все того ж Hubble. Водночас 2,5-гігапіксельна камера забезпечить китайському телескопу в 300 разів більше поле зору. Передбачається, що основними завданнями “Сюньтянь” стануть космологічні дослідження, пошуки темної матерії, спостереження різних об’єктів Сонячної системи та Чумацького Шляху. КНР розраховує запустити його у 2024 році.
Телескоп Roman теж часто порівнюють із Hubble. Він отримає аналогічне 2,4-метрове дзеркало. Але ці проєкти не можна назвати близнюками. По-перше, поле зору Roman матиме приблизно в 100 разів більше, аніж Hubble. По-друге, він призначений для спостережень лише в інфрачервоному діапазоні. По-третє, він буде оснащений інструментом, якого немає у Hubble. Йдеться про коронограф. Це пристрій, здатний відсікати світло зорі, що дозволить напряму вивчати об’єкти, які обертаються навколо неї.
Завдяки коронографу Roman зможе отримувати найчіткіші в історії знімки протопланетних та навколозоряних дисків, а також знайти кілька тисяч нових екзопланет та отримати прямі зображення найбільших із них. Телескоп використовуватимуть для вивчення великомасштабних структур Всесвіту та дослідження впливу темної матерії на галактики. Запуск апарата заплановано на 2027 рік.
Якщо ж говорити про віддалене майбутнє, то найбільший інтерес поки що становить запропонований американськими астрофізиками проєкт наступної флагманської обсерваторії, в якій передбачається об’єднати відразу два телескопи, що розробляються NASA — LUVOIR і HabEx. Нова обсерваторія, яку збираються оснастити шестиметровим зеркалом, матиме можливість вести спостереження в ультрафіолетовому, видимому та ближній частині інфрачервоного спектра. Саме це дає підстави розглядати її як “справжню” заміну Hubble.
Попередня вартість цього проєкту оцінюється в $11 млрд. У разі схвалення будівництво поки що безіменного телескопа розпочнеться наприкінці поточного десятиліття, а запуск відбудеться десь на початку 2040-х. Тобто, зібраними ним даними користуватиметься вже наступне покоління астрономів.
