Самое сложное и дорогое оригами в мире

В космос отправляется телескоп «Джеймс Уэбб», от которого ждут прорыва в изучении внеземной жизни и прошлого Вселенной. Мы расскажем о нем (почти) все

На субботу, 25 декабря, намечен запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST), который неизбежно станет историческим событием для всех астрономов — и не только. От телескопа, который приходит на смену «Хабблу», ждут так многого, он стоит так дорого, строился и откладывался так долго, что уже стал культурным явлением: с ним появляются мемы, каждому его отдельному инструменту, узлу, создателям и, конечно, исследовательским задачам посвящены научные статьи, страницы в Википедии и ролики на ютьюбе, а студенты, которые планировали писать диссертации на основе его данных, уже сами давно стали профессорами. Вы наверняка тоже слышали о нем не раз, а мы подробно расскажем о его пути, остановившись в каждой значимой точке — от места, где самый дорогой телескоп был задуман, до дальнего космоса, который ему предстоит изучить.

Штаб квартира NASA, Вашингтон, США

Что телескопу Хаббла нужно готовить смену, было понятно в NASA еще до того, как сам телескоп запустили в космос. Первый концепт преемника «Хаббла» появился в 1989 году, за год до его запуска, — предполагалось построить четырехметровый космический телескоп, работающий одинаково успешно в оптическом и инфракрасном диапазоне, и отправить его за марсианскую орбиту. Со временем проект несколько раз менялся, пока не был кардинально переработан в 1996 году.

Телескоп изначально планировался как флагманский, то есть самый дорогой и мощный инструмент NASA на годы вперед. При проектировании научных инструментов такого масштаба в них часто закладывают еще не появившиеся технологии — либо их разработают специально под телескоп, либо промышленность дойдет до них сама. Часть технологий не создана до сих пор (мы все еще не можем доставить телескоп таких размеров за марсианскую орбиту), часть, наоборот, опередила мечты сотрудников NASA (размер зеркала получилось увеличить до шести метров).

Новые открытия, произошедшие с начала работы над телескопом, перевернули науку и тоже повлияли на проект. Так, изначально одной из его основных задач должно было стать измерение того, насколько замедляется расширение Вселенной. Пока его разрабатывали, случилось невероятное: астрофизики Адам Рис, Сол Перлмуттер и Брайан Шмидт обнаружили, что Вселенная на самом деле расширяется не с замедлением, а с ускорением (и даже успели получить за это Нобелевскую премию). В итоге было решено отказаться от основного оптического диапазона и сделать телескоп почти исключительно инфракрасным (красный и оранжевый свет он все-таки частично захватывает). Кстати говоря, поэтому JWST только условно можно назвать наследником «Хаббла», который работает преимущественно в оптическом диапазоне.

Инфракрасный телескоп принципом действия схож с прибором ночного видения, который в темном доме способен обнаружить человека, определить, в какой комнате стоит натопленная печка и какой температуры чай в стакане. JWST сможет видеть, во-первых, очень тусклые, чуть теплые объекты, которые для других телескопов не видны, а во-вторых, объекты, скрытые от нас пылью, которая прозрачна для инфракрасного телескопа.

Бериллиевые копи, штат Юта, США

Телескоп JWST начинается здесь. Это самое большое (85% мировых запасов) и единственное в Западном полушарии месторождение бериллия, из которого сделано зеркало телескопа — его главный элемент, шестиметровый глаз, который будет улавливать и фокусировать фотоны, прилетающие из космоса.

Бериллий — это четвертый элемент таблицы Менделеева, редкий металл, который отлично подходит для работы в космосе, потому что почти не изменяет свою геометрию под воздействием экстремальных температур, хорошо проводит тепло и не имеет магнитных свойств. Удельный (на единицу площади) вес этого зеркала будет в 10 раз меньше зеркала телескопа Хаббла. К слову, бериллий именно из этой шахты был на тепловом щите капсулы проекта «Меркурий», использовался при строительстве МКС, марсианских роверов «Спирит» и «Оппортьюнити», космического телескопа «Спитцер».

Бериллиевый порошок, добытый в Юте, в следующие 20 лет изрядно поколесил по штатам из одной лаборатории в другую, где его плавили, шлифовали и тестировали, прежде чем он приобрел свою финальную форму в виде 18 гексагональных идеально отполированных сот, первые из которых были готовы аж в 2004 году! На финальном этапе на каждый сегмент зеркала для повышения коэффициента отражения напылили тончайший слой чистого золота (всего 48 граммов на 25 квадратных метров поверхности) — именно оно окрашивает зеркало телескопа в желтый цвет, который можно увидеть на фотографиях.

Ни одна ракета не может вывести в космос объект диаметром шесть метров (для сравнения: диаметр сегментов МКС около 4,4 метра), поэтому зеркало на Земле находится в сложенном виде и только в космосе его лепестки «раскроются».

Университет Аризоны, город Тусон, США

Именно тут разработан NIRCam — один из четырех инструментов, в который будет попадать свет, отраженный от зеркала, и с помощью которого JWST будет изучать Вселенную. NIRCam (Near InfraRed Camera, камера ближнего инфракрасного диапазона) отлично подходит для того, чтобы наблюдать многочисленные небольшие (меньше Солнца) тусклые и не очень горячие звезды, а также видеть сквозь пыль, окутывающую молодые звезды, планеты и центры галактик. В камере 40 мегапикселей, всего в три раза больше, чем в айфоне, но это произведение технологического искусства, по своим характеристикам в десять раз превосходящее все прежние инфракрасные камеры, когда-либо установленные на космические телескопы. Айфон же, к сожалению, не видит инфракрасный свет и не сможет работать в космосе.

Вот тут лучшая интерактивная карта инструментов телескопа с указанием диапазона длин волн их работы.

Штаб-квартира Европейского космического агентства, Париж

JWST — это не чисто американский проект. Европейское и канадское космические агентства также участвуют в его создании. Например, именно Европейское космическое агентство (ESA) построило инструмент MIRI — единственный на борту телескопа, который будет работать в среднем ИК-диапазоне, то есть с более длинными волнами электромагнитного излучения, чем NIRCam. Для работы в этом диапазоне особенно важно изолировать инструмент от любых сторонних источников тепла, поэтому у MIRI есть собственная система охлаждения, и если все инструменты JWST будут работать при 39 градусах Кельвина, то MIRI — всего при семи градусах (−234 и −266 °С соответственно). Напомним, что температура замерзания воды составляет 273 кельвина, а температура космоса — чуть больше трех кельвинов, поэтому MIRI без искажений сможет изучать самые холодные объекты: планеты, астероиды, пыль и протопланетные диски, где рядом с молодыми звездами формируются новые звездные системы.

NIRCam, MIRI и разработанный Канадой прибор NIRISS будут в следующие пять лет поставлять нам те красивые картинки, к которым мы привыкли со времен «Хаббла». Последний из четырех приборов «Уэбба», NIRSpec, заточен под спектроскопию.

Французская Гвиана

Участие ESA не ограничивается постройкой одного прибора — на европейской ракете Ariane 5 телескоп будет запущен в космос. И произойдет это с космодрома Куру во Французской Гвиане. Изначально планировалось загрузить телескоп в грузовой контейнер, доставить его самолетом на ближайший к космодрому аэропорт и довезти до места старта на грузовике, но выяснилось, что несколько мостов, по которым идет дорога до космодрома, могут не выдержать нагрузки. Поэтому из Калифорнии, где проходили последние этапы строительства и тесты, телескоп через Панамский канал был отправлен в Южную Америку на океанском грузовозе MN Colibri.

Самый дорогой телескоп в истории — не тот груз, который можно просто привязать к палубе и отправить в путь. Поэтому NASA разработало для «Уэбба» специальный защитный контейнер STTARS, который весит 76 тонн, поддерживает нужную температуру, влажность и предохраняет «Уэбба» от всех возможных и невозможных повреждений в пути. Согласно выпущенному пресс-релизу, 12 октября 2021 года телескоп был успешно доставлен на космодром. Как известно, в NASA стараются все предусмотреть, поэтому, чтобы обезопасить груз от возможных пиратов, точный маршрут и график следования судна не был заранее известен и это была неожиданная, но приятная новость.

Разрабатывается ли в NASA защита от возможных космических пиратов, пресс-релиз не уточняет.

Вот тут можно видеть обратный отсчет до запуска телескопа (и, боже, сколько раз его приходилось подкручивать!).

Канберра, Австралия; Мадрид, Испания — и пустыня Мохаве, Калифорния, США

Тут одной точкой уже не обойтись, ведь речь пойдет об антеннах радиосвязи с телескопом. Три 70-метровые антенны входят в сеть дальней космической связи NASA, отстоят друг от друга на 120 градусов (относительно оси вращения Земли) и вместе перекрывают все небо. Благодаря этому, как бы ни повернулась Земля, на JWST всегда можно будет отправить команду, узнать его состояние и принять данные наблюдений.

А это нужно будет делать регулярно, ведь на JWST установлен твердотельный накопитель емкостью 65 Гб, которого хватает всего на один день наблюдений. То есть данные нужно будет передавать на Землю часто — на каждый день запланировано по два четырехчасовых сеанса связи, во время которых со скоростью 8 Мбит в секунду будет передаваться половина накопленных за день данных.

Вы можете спросить, почему бы на аппарат стоимостью 10 миллиардов долларов не добавить пару плашек памяти, ведь и мобильные телефоны, и флешки сейчас легко работают с сотнями гигабайт? Однако в космосе приходится учитывать экстремальные температурные условия, жесткую радиацию, ограничения по весу, потребляемой мощности и необходимость безотказно работать в течение нескольких лет (вот хорошая русскоязычная статья на «Хабре»).

С учетом всех этих ограничений приходится признать, что для космического носителя и 65 Гб начинают выглядеть солидно.

Важно помнить, что проект телескопа был утвержден в 2006 году и в него были заложены существующие на тот день и проверенные временем технологии, которые невозможно менять каждые полгода по мере бурного развития микросхем. С этим необходимо смириться, как и с тем, что телескопы, которые будут запущены в космос через 10 лет, строятся на электронных компонентах сегодняшнего дня.

Но кое-что и поменялось

Например, система аналогово-цифровых преобразователей SIDECAR ASIC, необходимых для приема, стабилизации и контроля за изображением, к моменту начала работы над созданием JWST занимала ровно один кубический метр пространства. Со временем она была уменьшена до одной микросхемы, которая почти не греется, потребляет всего 11 милливатт энергии и умещается на ладони.

Благодаря использованию новых технологий, телескоп Уэбба и так получился в два раза легче телескопа Хаббла, притом что его зеркало почти в три раза больше.

Всего через три минуты после запуска с космодрома телескоп начнет разворачивать солнечные панели и антенну, и все время полета до своего «офиса» он будет увеличиваться в объеме: раскладываться будет выдвижная штанга с зеркалом, само шестиметровое основное зеркало, вторичное зеркало, дополнительные антенны. И, конечно, пятислойный теплозащитный экран, который на солнечной стороне будет нагреваться до +85 °C, а на стороне, где установлена вся аппаратура, сможет при этом поддерживать температуру −230 °C. Всего телескоп совершит более 40 различных раздвижений и стыковок, что сделает его, по словам разработчиков, «самым сложным оригами в мире» (кстати, вот тут можно найти схему сборки бумажного телескопа JWST). В самом конце своего путешествия специальные актуаторы будут настраивать фокус зеркала, изменяя геометрию каждого отдельного сегмента с шагом в 1/10000 человеческого волоса.

Точка Лагранжа 2

Продолжаем изучение телескопа Уэбба по координатам, но уже не географическим, потому что мы уходим с поверхности Земли в космос. JWST не может, подобно телескопу Хаббла, работать на низкой орбите (545 километров), ведь тепло земной атмосферы будет ослеплять все его инструменты. «Уэбб» отправляется намного дальше, на полтора миллиона километров от Земли, в четыре раза дальше расстояния до Луны — в точку L2.

Названная по имени французского математика Жозефа Луи Лагранжа, L2 — это одна из всего пяти точек системы Солнце — Земля, в которой тело может оставаться в равновесии относительно сил притяжения и Солнца, и вращающейся вокруг него Земли. Это значит, что доставленный туда телескоп не должен тратить топливо на то, чтобы удержаться в ней.

Точка L2 находится на одной оси с Солнцем и Землей, причем Земля всегда обращена к ней своей темной стороной. Это позволяет решить сразу несколько проблем: расстояние от телескопа до Земли всегда одинаково, следовательно, упрощается обмен данными, свет (а значит, и тепло) от Солнца, Земли и Луны будет идти примерно из одного направления и сможет легко закрываться теплозащитным экраном. Кроме того, L2 — это самая далекая от Солнца точка Лагранжа, поэтому в принципе на телескоп будет попадать не так много излучения, чем в других точках Лагранжа. Впрочем, не нужно думать, что JWST будет пытаться Землей заслоняться от Солнца, как раз напротив — он будет постоянно использовать запасы топлива на борту, чтобы маневрировать так, чтобы его солнечные батареи получали достаточно энергии от Солнца. Других запасов энергии у JWST просто нет, а использование радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЕГ), который преобразует тепло от радиоактивного распада в электричество, при проектировании телескопа NASA никогда всерьез не рассматривало.

«Уэбб» во многом уникален, но он будет не первым телескопом в этой точке: там уже находятся обсерватории «Гершель» и «Планк», европейский телескоп «Гайя» и российский «Спектр-РГ». Не нужно думать, что телескопы рискуют столкнуться в L2: с точки зрения математика Лагранжа, это, конечно, точка, но на самом деле это область пространства с радиусом в полмиллиона километров, внутри которой телескоп будет двигаться по сложным траекториям, называемым орбитами Лиссажу (еще один вклад европейской науки в телескоп), которые требуют минимальной коррекции двигателей. Но именно эти коррекции, для которых у телескопа будет целых 16 двигателей, работающих на невосполняемом топливе гидразине, являются фактором, ограничивающим жизнь телескопа до пяти, максимум десяти лет.

Важно отметить, что у человечества все еще нет космических кораблей, которые смогут доставить в эту точку заправочную или ремонтную бригаду с Земли (точнее, что более важно, не смогут вернуть ее обратно). Поэтому телескоп нельзя будет обслужить, как это не раз делали с «Хабблом». Это одна из причин многочисленных задержек при строительстве. Никаких масштабных аварий или происшествий не случалось, но лучше лишний раз проверить все на Земле и отложить запуск еще на год, чем запустить на полтора миллиона километров неработающий ящик ценой десять миллиардов долларов.

Сам телескоп останется в точке L2 до конца своей миссии (а потом использует последние остатки топлива, чтобы не мешать будущим телескопам и уйти на специальную «орбиту захоронения»), но мы продолжим наше путешествие. Теперь отправимся к тем объектам, которые JWST будет изучать.

Транснептуны

Это, например, многочисленные малые планетоподобные тела, находящиеся за орбитой Нептуна. К ним относят Седну, Эриду, Макемаке и, конечно, Плутон. Сейчас их открыто больше тысячи, но точное число объектов неизвестно. Это «строительный мусор», остававшийся неизменным миллиарды лет с самых ранних времен формирования Солнечной системы.

За первый год работы JWST изучит 59 транснептуновых объектов, и мы узнаем, из чего они состоят, почему одни из них имеют красный оттенок, а другие — голубой, есть ли на них лед, и если да, то как он туда попал. На сегодняшний день у астрономов нет единой модели, которая объяснила бы разнообразие химического состава, формы и размеров этих объектов.

Изучение задворок нашей системы поможет нам больше узнать ее историю и в итоге лучше понять, почему Земля получилась именно такой, какой мы ее наблюдаем. Примерно в этой же области телескоп будет искать и гипотетическую девятую планету, орбиту которой предсказали астрономы Майкл Браун и Константин Батыгин в 2016 году.

Наша Галактика

Теперь окинем взглядом уже весь Млечный Путь. Лишь после открытия в 1992 году первой планеты, вращающейся вокруг другой звезды (то есть экзопланеты), разговоры о внеземной жизни стали иметь под собой научную основу. Сейчас мы достоверно знаем о 4884 экзопланетах, на части из них подтверждено существование атмосферы, воды, дождей (не всегда безобидных).

«Джеймс Уэбб» будет делать снимки экзопланет напрямую, но не ждите тут красивых картинок: планета будет разрешением всего в несколько пикселей, из которых, впрочем, можно будет извлечь много полезной информации. Еще более важно, что телескоп сможет получить спектр атмосферы, чтобы определить ее химический состав. Все возможные температуры атмосферы нашей родной планеты лежат внутри доступного JWST диапазона (напомним, от −180 до 4500 градусов Цельсия), а значит, он сможет с легкостью изучать те экзопланеты, которые похожи на Землю, и искать там следы примитивной жизни.

Человечество еще никогда в своей истории не было так близко к обнаружению внеземной жизни, поэтому неудивительно, что на работу с экзопланетами JWST отдана четверть всего доступного для наблюдения времени.

Вся Вселенная

А что за пределами нашей Галактики? Космос, пустоты, другие галактики и целые скопления галактик, образующие волокнистую структуру нашей Вселенной, которая, по современным оценкам, появилась более 13 миллиардов лет назад. Все то разнообразие планет, звезд, туманностей и галактик, которое окружает нас, было не всегда, а сформировалось по мере расширения и охлаждения Вселенной, порожденной Большим взрывом. И одна из главных задач телескопа Уэбба — поиск тех самых первых звезд, которые загорелись в абсолютно черном космосе ранней Вселенной.

Это были яркие, возможно самые яркие и самые массивные, из когда-либо существовавших звезд, они быстро выгорали и взрывались мощнейшими сверхновыми. Почему же инфракрасный телескоп, созданный для работы с теплыми, но не горячими объектами, лучше всего подходит для изучения этих ярчайших звезд? Дело в расширении Вселенной: за те миллиарды лет, что свет от первых звезд летел к нам, пространство расширялось, а вместе с ним растягивалась и электромагнитная волна (которой свет и является).

Мы не знаем, когда точно появились эти звезды, а значит не знаем, насколько далеко они от нас и как сильно растянулась волна их света за время пути. Большинство астрономических моделей, однако, сходятся в том, что максимум яркости этих звезд сейчас должен попадать именно в инфракрасный диапазон, то есть шести метров зеркала «Уэбба» еле-еле, но должно хватить, чтобы их все-таки увидеть. Тяжелые элементы, образовавшиеся в недрах первых звезд, после их гибели выбрасывались в космос, где потом служили строительным материалом для новых звезд и планет — именно они создали то железо, кислород, углерод, азот, кремний и другие элементы таблицы Менделеева, из которых состоим в том числе мы и наша планета. Увидеть эти звезды, определить их количество, массу, время появления — значит лучше понять Вселенную, историю Земли и зарождение жизни на ней.

Наконец, самое интересное, что подарит нам JWST, — это те открытия, которые невозможно планировать, потому что мы ничего о них не знаем, но которые обязательно будут!

Штаб-квартира NASA, Вашингтон, США

Последняя остановка путешествия имени Джеймса Уэбба — это снова штаб-квартира NASA. Именно тут c 1961 по 1968 год работал Джеймс Эдвин Уэбб, второй руководитель NASA, на чье время пришлись все первые американские пилотируемые запуски в США вплоть до запуска человека на Луну. Вполне логично было бы сравнить Джеймса Уэбба с Сергеем Королевым. Но если Сергей Павлович в должности генерального конструктора был и главным инженером, и административным руководителем космической программы в СССР, то Уэбб, юрист по образованию, отдал все конструкторские работы профессионалам, а свои силы направил сначала на получение финансирования программы «Аполлон», а потом на пресечение всех попыток вмешательства в строительство. Его заслуги в успехах NASA (несмотря на аварию миссии «Аполлон-1») сейчас оцениваются так высоко, что он стал первым не ученым, чьим именем назван космический телескоп.

А что дальше? Как и в случае с «Хабблом», новые телескопы начинают проектироваться еще до запуска «Уэбба» — месяц назад был опубликован большой труд Decadal Survey, в котором действующие астрономы, администрация NASA и национальный научный фонд США описали главные вызовы, стоящие перед астрономией в следующем десятилетии, и какие новые наземные и космические обсерватории должны быть построены. Про часть планируемых исследований вы можете прочитать в нашем тексте. Из не упомянутых там самых амбициозных проектов можно отметить:

• Нэнси Роман: обсерватория, которая придет на смену «Уэббу», уже строится — ее запуск планируется на 2027-й, помимо продолжения изучения экзопланет (наконец должны появиться хорошие фотографии!), телескоп также будет изучать темную материю и темную энергию, на которые приходится более 95% массы и энергии во Вселенной;
• Афина: планируемый на 2030-е космический рентгеновский телескоп, который будет изучать горячий межзвездный и межгалактический газ, а также черные дыры;
• LUVOIR: концепт оптического и ультрафиолетового телескопа, который будет нацелен на изучение экзопланет в диапазоне, который принципиально недоступен инфракрасному телескопу Уэбба. Проектная стоимость LUVOIR уже превысила 17 миллиардов долларов, а планируемый срок строительства — 20 лет, так что цеха NASA, избавившись от одного долгостроя, пустовать не будут.

Если вы устали от чисел, науки и непонятных слов, но хотите понять мощь нового телескопа, то вот вам пример под конец нашей истории: на расстоянии, равном дистанции от Земли до Луны, телескоп Уэбба будет способен не только увидеть отражение солнечного света от крылышек пчелы, но и измерить ее температуру.

Марат Мусин