Первое полноцветное фото от Джеймса Уэбба — стоит ли эта машина золота из которого сделана?

Вчера, 12 июля 2022 года получены первые рабочие изображения от космического телескопа нового поколения Джеймса Уэбба.

На первом опубликованном фото показано скопление галактик SMACS 0723 запечатленное 4,6 миллиарда лет назад. 

Кажется, словно мы смотрим сквозь донышко стакана, но это не артефакт системы зеркал. Комбинированная масса этого скопления галактик действует как гравитационная линза, увеличивая гораздо более отдаленные галактики за ним. 

А вот шесть больших и два меленьких луча вокруг ярких объектов — артефакты созданные шестиугольной формой ячеек главного зеркала.

Представленные изображения — компиляция данных, записанных на разных длинах волн, включая диапазон который никогда не был исследован космическими телескопами. Кроме того, размеры и гладкость зеркал выше чем у всех предыдущих аналогов, что позволяет рассмотреть крошечные, слабые структуры галактик, которые никогда раньше не видели астрономы.

До этого дня мы могли рассмотреть только калибровочные изображения, необходимые для настройки положения зеркал.

Почему астрономы и другие ученые празднуют получение сегодняшнего фото как вторую Хануку? И почему телескоп странно выглядит, странно назван и появился только сейчас?

По следам Хаббла

Джеймс Уэбб – один из самых проблемных долгостроев NASA в партнерстве с Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством (CSA).

Но эти проблемы — мелочи, по сравнению с тем что пришлось пережить его предшественнику!

Идею космических телескопов активно продвигал американский астрофизик Лайман Спитцер во времена когда запускать телескопы в космос еще не умели. В 1962 году доклад, опубликованный Национальной академией наук США, рекомендовал включить разработку орбитального телескопа в космическую программу, и в 1965 году Спитцер был назначен главой комитета, занимающегося космическими телескопами.

У такой идеи есть преимущество: атмосфера не мешает наблюдениям — нет рассеивания (которе мешает как четкости изображений, так снимкам в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне), преломленные лучи от Солнца и городских огней не создают светового загрязнения, не влияет погода.

И есть два недостатка. Первый: телескоп должен поместиться под головной обтекатель кареты-носителя (или внутри шаттла Дискавери), а значит его апертура и масса ограничены.

Второй: создание, доставка и обслуживание такого аппарата очень сложны и безумного дороги.

Именно вторая проблема первой повисла над проектом Хаббл, предложенным по окончании лунной гонки. Правительство США закрыло программу «Апполон», стоившую 9 миллиардов долларов и уже вздохнуло с облегчением, представляя как легко будет планировать бюджет без интенсивных космических расходов, как астрономы потребовали реализовать проект, потративший в итоге 6 миллиардов американских денег (2,5 на разработку, остальные на обслуживание и ремонт по данным на 1999 год).

В 1974 году, в рамках программы сокращений расходов бюджета, конгресс США полностью отменил финансирование проекта, однако, после продолжительных дебатов и согласования скромного стартового бюджета в 400 миллионов долларов началось производство, которое как и любая стройка не закончилось в срок.

Хаббл, как и Уэбб — зеркальный телескоп, он отражает свет от участка звездного неба вогнутым зеркалом на матрицу камеры. Требования к гладкости зеркала — очень высоки: на нем не должно быть неровностей больше 30 нанометров (в 2666 раз меньше человеческого волоса), при диаметре в 2,4 метра.

Кроме того, а ппарат должен был пережить тряску при старте и большой перепад космических температур.

Когда работы были вроде как завершены старт назначили на 1983 год и телескоп обрел имя в виде фамилии Эдвина Хаббла — человека, который открыл миру другие галактики и внес существенный вклад в теорию метрического расширения вселенной.

Из-за недоработок запуск запланировали в 1984 году… потом в 1985, ну в 1986 уж точно! В январе 1986 года произошла катастрофа с участием шаттла Челленджер и запуск решили отложить на несколько лет.

Все это время телескоп хранился в комнате с контролируемыми условиями и частично включенными системами, потребляя 6 миллионов долларов в месяц.

В результате, Хаббл запустили в 1990 году. Первый же снимок вышел мутным, как вид через окно в туалете. Оказалось, главное зеркало несмотря на свою гладкость не было точно выведеным в плане кривизны.

Три года готовилась миссия по спасению четкости на высоте 545 километров. Заменять зеркало в космосе — очень сложно, а посадку на Землю телескоп мог бы не пережить.

Решение оказалось забавным — Хабблу установили корректирующую линзу, как подслеповатому человеку выписывают очки.

Всего было проведено четыре экспедиции, выполняющие техническое обслуживание и срочный ремонт космического телескопа.

В 1997 году (в ходе второй экспидиции) у Хаббла был заменен спектрограф и уже в это время было принято решение построить космический телескоп нового поколения — больше, дальше и не такой косячный.

Запуск планировали на 2007 год, а бюджет в 500 миллионов долларов.

Нужно ли говорить что сроки и сметы небыли соблюдены?

Название

В 2002м новый телескоп решили переименовать в честь одного из первых администраторов НАСА, Джеймса Э. Уэбба, который курировал создание лунной программы США «Аполлон».

Проблемы начались уже на этапе названия. Мало того что Джеймс Уэбб (человек) — просто чиновник, а не ученый, не космонавт, не совершил никаких открытий, так еще и требования к американским деятелям изменились с 60х годов. В двухтысячных политику уже нужно было быть толерантным и признанным сообществом меньшинств, а Джеймс Уэбб отличился в обратную сторону.

Мне кажется, Лайман Спитцер должен был дать имя телескопу, как реальный ученый и человек приложивший наибольшие усилия к воплощению идеи космических обсерваторий.

Стоимость

В бюджете NASA, предложенном в июле 2011 года конгрессом, предполагалось прекращение финансирования строительства телескопа из-за плохого управления и превышения бюджета, все как и у предшественника.

Спустя 25 лет от начала создания проекта к запуску в 2021м стоимость телескопа оставила почти 10 миллиардов долларов.

Это дороже чем вся лунная программа «Аполлон», которую сам Джеймс Уэбб (человек) курировал. 

Зеркала

Учёные определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далёких галактик. А инженер с рулеткой подсказал им, что ширина головного обтекателя ракеты в самом широком месте 5,5 метров и такое цельное зеркало вывести в космос невозможно.

К счастью для ученых, в NASA уже был проект сегментированных зеркал, которые можно компактно сложить.

К несчастью ученых, проект Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD) двойного назначения: для гражданских целей и военных. Технология предназначалась для спутников инфракрасной разведки и ударного спутника Space Based Laser (SBL).

Оказалось большой удачей применить технологию от не самого успешного военного объекта с самому перспективному астрономическому инструменту.

Кроме экономии места, инженерам нужно было решить проблему с экономией массы. При куда больших размерах (в разложенном виде) Уэбб должен обладать той же массой не более Хаббла, то есть быть в 10 раз легче на единицу эффективной площади зеркала.

Для этой цели основной материал шестигранных ячеек зеркала — легкий и прочный металл бериллий. Он оказался эффективнее алюминия, который обычно используется как конструктивный металл в космосе.

Покрыты ячейки золотом толщиной всего в 700 атомов. Это физический фильтр, отражающий инфракрасный участок из спектральной каши космического излучения.

Кроме того, каждая ячейка снабжена своим набором приводов, позволяющих не только менять положение, но и кривизну сегментов независимо друг от друга.

Такая полужесткая конструкция должна позволить избежать проблем, которые были у Хаббла с кривизной зеркала.

Восемнадцатью ячейками зеркала управляют в общем 132 привода, настраивая общую форму кривизны начиная с центральных сегментов и вдвигаясь в сторону периферийных.

Для того чтобы добиться космической гладкости после обработки дефекты на охлажденных до минус 240 градусов Цельсия зеркалах искали лазерным интерферометром.

Зонтик от Солнца

Телескоп работает в инфракрасном диапазоне, то есть крошечное тепловое излучение далеких галактик для него — объект изучения, а колоссальный жар Солнца — паразитный шум.

С другой стороны, Уэбб, как и многие автоматические аппараты в космосе работает на солнечных батареях и ему нужен солнечный свет.

Выйти из этой дилеммы позволила разработка сверх тонкого и очень эффективного теплового экрана.

Теплозащитный экран состоит из 5 слоёв полиамидной пленки (материал известен, например, электрикам как «янтарный скотч»), на каждый из которых нанесено покрытие из алюминия. 

90 натяжных тросов развернули экран в ромб размером 21,1 на 14,6 метров, это примерно с теннисный корт. 

Первые два «горячих» слоя обладают покрытием из легированного кремния, что в итоге должно позволять выдержать разницу в 360 градусов Цельсия между сторонами экрана. Прямо сейчас температура освещенной части Уэбба 45 градусов, а самой холодной части за экраном минус 267 градусов.

Последить за работой телескопа в тельном времени можно тут: https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html?units=metric

Место прибывания

Выбор, куда бы послать инфракрасный телескоп — это поиск места где не светит Солнце. Ну, почти, с поправкой на солнечные батареи.

Кроме того, хотелось чтобы большие отражающие свет объекты тоже не проплывали мимо золотого зеркала.

Обе эти задачи выполняет точка Лагранжа L2 — это одно пяти мест, где гравитация двух массивных тел (Солнца и Земли в нашем случае) создает устойчивое положение во вращающихся координатах. То есть, чтобы покинуть это место, нужно прибавить энергии, а оставаться в нем можно без затрат. Было бы странно видеть такую точку в покоящемся пространстве — предметы бы падали туда где ничего нет. А вот вращение вокруг Солнца по стабильной круговой орбите уже не кажется странным.

Однако, есть у этой позиции и недостатки: никто не прилетит за полтора миллиона километров ремонтировать и даже дозаправить телескоп. Любая поломка и даже закончившееся топливо для корректировки положения и ценнейший научный инструмент потерян.

Хабблу хватает топлива лет на 5 (его периодически заправляют), а Уэббу должно хватить на 20.

Соседство в этой точке Джеймсу Уэбба составляют европейский телескоп Gaia и российский Спектр-РГ, а раньше там летали «Планк» и «Гершель».

Какой телескоп следующий?

Раз уж проекты телескопов очень долгоживущие и новое поколение планируют еще в начале жизненного цикла старого, не находится ли уже сейчас в разработке телескоп, который будет больше, дальше и сильнее Уэбба?

В кулуарах института исследований космоса с помощью космического телескопа (Space Telescope Science Institute) с 2009 года зреет проект телескопа ATLAST (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope), который будет иметь главное зеркало диаметром от 8 до 16,8 метров в зависимости от окончательной концепции, которую утвердят позднее.

Телескоп будущего поколения так же отправится в точку Лагранжа L2 и будет сконцентрирован на поиске внеземной жизни.

Есть у ATLAST еще четыре аналогичных конкурирующих проекта, из которых придется выбирать лучший.

Запуск планируется на вторую половину 2030х годов, но мы знаем эти космические планы.

Бонусы

В награду тем кто дочитал до конца статью существенно большую чем было необходимо для того чтобы просто показать круты фотки Вселенной, хочу заметить что свежие изображения отлично подходят как обои на экран телефона.

Вот от сюда их можно скачать без регистрации и СМС: https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/deploymentExplorer.html#43

И вот так они будут смотреться