Следующий флагманский телескоп обсуждали с конца 1980-х. Проектирование началось в 1996-м. Запуск планировали на 2007-й, но состоялся он только 25 декабря 2021 года. За четверть века "Джеймс Уэбб" подорожал в 20 раз — почти до $10 млрд — и чуть было не остался всего лишь красивой мечтой. Астрономически дорогой и технически прорывной, "Джеймс Уэбб" покажет Вселенную, какой мы ее пока не видели.
В ночь на 12 июля был опубликован первый цветной снимок космоса, сделанный с помощью телескопа "Джеймс Уэбб". Позже NASA и его партнеры покажут еще несколько. Этот момент ждали с прошлого века.
Телескоп в космосе кажется неочевидной идеей, но только поначалу. "Главные два критерия для телескопа — это четкость изображения и размер объектива: чем он больше, тем больше света можно собрать, тем более далекие, тусклые объекты видны. С четкостью на Земле не очень", — объяснял по телефону астрофизик, доцент физического факультета МГУ Владимир Сурдин. Чтобы в этом убедиться, не нужна техника — достаточно посмотреть на мерцающие звезды. Вообще-то они светят ровно, но из-за атмосферы нашей планеты кажется, что их яркость постоянно меняется.
"Астрономы забираются в горы, — продолжал Владимир Сурдин. — Сейчас телескопы стоят на высоте 4 км, 5 км. Выше человек уже не может работать. Но и там плохо, поэтому есть телескопы, летающие на самолетах и аэростатах. Это тоже не очень удобно. А космический телескоп — это идеально: атмосферы нет вообще".
Сборка космического телескопа "Джеймс Уэбб" в Центре космических полетов Годдарда
Наблюдениям с помощью "Джеймса Уэбба", названного в честь бывшего руководителя NASA, воздух помешал бы особенно сильно. Телескоп будет работать прежде всего в ближнем и среднем инфракрасном (ИК) диапазоне. Волны такой длины почти целиком поглощаются атмосферой. Вдобавок те газы, что окружают нас, астрономы рассчитывают найти на других планетах — им было бы трудно понять, откуда пришел сигнал.
"Джеймс Уэбб" многим казался авантюрой
Главная проблема с космическими телескопами — запустить что-нибудь на орбиту не так-то просто. Наземные обсерватории иногда занимают целое здание, а LIGO, с помощью которой засекли гравитационные волны, — это вообще два многокилометровых комплекса на противоположных краях США. По сравнению с LIGO знаменитый "Хаббл" кажется малюткой: размерами сравним с автобусом, иначе он не поместился бы в грузовой отсек шаттла.
"Джеймс Уэбб" больше "Хаббла". Диаметр их основных зеркал составляет соответственно 6,5 м и 2,4 м, площадь этих зеркал отличается более чем в шесть раз. Защитный экран "Джеймса Уэбба" — самая большая его часть — размером примерно с теннисный корт. Такой телескоп не поместится ни в одну ракету.
Чтобы отправить "Джеймс Уэбб" в космос, его пришлось сделать складным. Боковые секции зеркала, сделанного из бериллия и покрытого золотом, повернуты под прямым углом. Каждый из 18 сегментов зеркала оснащен механизмом, который меняет их положение с точностью менее 10 нм. Для сравнения: толщина человеческого волоса достигает 180 нм. "Все знают, что даже дамский зонтик не всегда раскрывается хорошо, а тут задача в космосе автоматически сложить из отдельных панелей единое зеркало так, чтобы его поверхность была абсолютно гладкой. Это трудно", — говорил Владимир Сурдин.
Растянуть защитный экран было не легче. Он состоит из пяти слоев серебристого композитного материала толщиной 0,025–0,05 мм с зазорами между ними. В ракете они были сложены гармошкой. Как и другие узлы, их тщательно проверили на Земле, но как эти полотнища поведут себя в невесомости, точно предсказать было невозможно. Если с ними что-то пошло бы не так, солнечные лучи нагрели бы телескоп, и тогда он сам засветился бы в ИК-диапазоне, ослепляя собственные инструменты.
Некоторые агрегаты "Джеймса Уэбба" должны быть охлаждены до температуры всего на семь градусов выше абсолютного нуля — исказить сигнал может даже тепло Земли, поэтому телескоп отправили в точку Лагранжа L2. В этом месте приборы телескопа всегда будут по одну сторону защитного экрана, а Солнце и наша планета — по другую. Но точка Лагранжа L2 расположена примерно в 1,5 млн км от нас. Это вчетверо дальше, чем Луна. Ни один человек так далеко не забирался, поэтому отремонтировать "Джеймс Уэбб" не получится. "Инженеры трясутся: что-то не сработает — и привет", — объяснял Владимир Сурдин.
Почему "Джеймс Уэбб" будет работать именно в ИК-диапазоне?
Все, что нас окружает, в том числе звезды, мы видим благодаря свету. Различимый для человеческого глаза свет — это электромагнитное излучение c длинами волн примерно 400–700 нм. Но длина волн может быть больше или меньше на порядки. Проще было бы выбрать для нового телескопа менее требовательные длины волн, как для вращающегося на высоте около 550 км "Хаббла", который видит космос в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Но вся соль "Джеймса Уэбба" — в том, чтобы преодолеть ограничения "Хаббла".
"Хаббл" был запущен еще в 1990 году. "До "Хаббла" были космические обсерватории, но не очень крупные. Был "Коперник", был наш телескоп "Астрон", я в этом проекте работал. Но это все были зеркала размером около метра: 60 см, 80 см. Все они выполняли какую-то конкретную задачу, а "Хаббл" — универсальный", — говорил Владимир Сурдин. "Джеймс Уэбб" тоже оборудовали приборами с разными функциями. Всего их четыре. Они будут работать в ИК-диапазоне потому, что "Хабблу" он практически недоступен.
Космический телескоп "Джеймс Уэбб" в Центре космических полетов Годдарда
Поскольку свету требуется время, чтобы долететь до Земли, мы видим звезды такими, какими они были в прошлом. Самые первые звезды не разглядеть в оптические телескопы. "Чем дальше от нас объект, тем быстрее он удаляется. А раз он быстро удаляется, то из-за эффекта Доплера все его излучение смещается в ИК-диапазон", — объяснял Владимир Сурдин. "Джеймс Уэбб" позволит увидеть Вселенную такой, какой она была всего через 250 млн или даже 100 млн лет после Большого взрыва (сейчас ей 13,8 млрд лет).
Еще в ИК-диапазоне удобно искать тусклые объекты. "Даже в Солнечной системе мы не можем открыть далекие планеты-карлики, астероиды: они темные и отражают мало солнечного света. Зато они его поглощают, нагреваются и сами светятся в ИК-диапазоне", — говорил Владимир Сурдин. Возможно, с "Джеймсом Уэббом" даже получится открыть девятую планету, скрывающуюся, согласно некоторым расчетам, где-то далеко-далеко за Нептуном.
Что именно будут исследовать с помощью нового телескопа?
"К сожалению, "Джеймс Уэбб" хорошо подходит для всего", — шутил Владимир Сурдин, имея в виду, что к телескопу выстраиваются очереди. Космологам интересно посмотреть на древние эпохи Вселенной, первые галактики, где, вероятно, рождались и умирали чудовищно громадные звезды. По словам Владимира Сурдина, возникновение галактик до сих пор остается загадкой. В оптическом диапазоне молодые галактики не разглядеть, потому что звезды светят в них тускло. Рождение звезды тоже еще никто не видел. "Пока звезда рождается, она еще тепленькая. Для оптического телескопа это просто черные, непрозрачные сжимающиеся облака газов. А ИК-телескоп может заглянуть внутрь этого облака: тепло-то оттуда идет", — говорит он.
"Я предвзят из-за своих интересов, но исследования планет за пределами Солнечной системы будут удивительные", — делился зимой в письме астрофизик, профессор Калифорнийского технологического института Константин Батыгин. Когда ученые задумали будущий космический телескоп, ни одну такую планету еще не открыли. Сейчас их известно порядка 4 тыс. "Джеймс Уэбб" позволит найти их еще больше, а главное — лучше понять, что они собой представляют.
Когда планета проходит рядом со своей звездой, лучи света просвечивают ее атмосферу. Если посмотреть спектр света, то на графике будут видны пики на определенных длинах волн. Это следы веществ в инопланетном воздухе. Зная его состав, можно предположить, какие процессы его сформировали и какие условия могут быть в другом мире.
Самое захватывающее — спектральный анализ способен указать на признаки жизни. Например, в атмосфере Земли много кислорода из-за растений. Без них кислород просто исчез бы, прореагировав еще с чем-нибудь. Теоретически с помощью "Джеймса Уэбба" даже можно будет засечь разумную цивилизацию. Так, если взглянуть из космоса на Землю, наше присутствие выдаст наличие хлорфторуглеродов, из-за которых возникали озоновые дыры: эти соединения почти не встречаются в природе.
Правда, прежде чем открыть шампанское, придется исключить все возможные механизмы появления тех или иных веществ без участия организмов. Владимир Сурдин вообще не уверен, что с помощью "Джеймса Уэбба" получится прощупать атмосферы других планет. "Это трудная задача на пределе его возможностей", — говорит он.
Зачем исследовать снежную линию в космосе?
Среди тех, кто получил по конкурсу время для наблюдений, — группа Алексея Потапова, который работает в Институте астрономии общества Макса Планка и Йенском университете им. Фридриха Шиллера. "Я же не астроном: занимаюсь лабораторной астрофизикой, экспериментами, которые моделируют физико-химические процессы в космосе. Может, это уникальный случай, когда неастроном получает такой проект", — со смехом рассказывает он по Skype.
' Ролик NASA о "Джеймсе Уэббе". Да, к космическим миссиям теперь снимают трейлеры'
Осенью 2022-го или в начале 2023 года у Алексея Потапова и его коллег будет 12 часов, чтобы понаблюдать за двумя протопланетными дисками вокруг молодых звезд. Когда-то такой диск вращался и вокруг Солнца. Из него образовалась Земля и все, что окружает наше светило.
Ученых интересует снежная линия. "Это как в горах: на определенной высоте и выше снег, а ниже его нет. Так же и в космосе, когда за этой линией есть вода в форме льда, а ближе к звезде вода существует только в газовой фазе, и весь лед, по идее, должен улететь", — объяснял Алексей Потапов. Если смешать водяной лед с крохотными частичками силикатов — минералов, содержащих кремний, — то лед остается запертым и при нагревании до комнатной температуры не улетает. Во всяком случае, именно это Алексей Потапов видел в лаборатории.
Если то же самое происходит в протопланетных дисках, то можно предположить, что на Земле и других каменистых планетах Солнечной системы вода была с самого начала. Это открытый вопрос. Одни думают, что вода попала к нам с астероидами и кометами, другие — что снежная линия пролегала не за орбитой Марса, как сейчас, а ближе к Солнцу, третьи — что каменистые планеты образовались дальше от Солнца и только потом заняли нынешние места.
У проекта Алексея Потапова есть и вторая цель — поиск органических молекул, которые, как и вода, необходимы для возникновения жизни, какой мы ее знаем. Сейчас ученые не понимают, образовались они на Земле или были принесены из космоса.
"Легкие молекулы-прекурсоры улетают [с частичек пыли] при низких температурах, но если вода существует в больших количествах, то они захватываются водной матрицей. Дальше они живут и реагируют друг с другом, пока вода не улетит. Если мы смотрим на наши диски с достаточно высокой средней температурой, то можем ожидать, что эти молекулы будут наблюдаться в максимальных концентрациях", — говорил Алексей Потапов. В космосе еще не находили сравнительно сложные соединения вроде аминокислот — только в кометах и метеоритах.
Мелочей не бывает
NASA много раз переносила запуск, и 25 декабря 2021 года "Джеймс Уэбб" наконец-то полетел в космос. Путь до точки Лагранжа L2 занял месяц. По дороге телескоп начал раскладываться, инженеры на Земле запускали, настраивали и проверяли его приборы. Полная отладка не закончилась до сих пор, но два прибора уже готовы к работе.
Ракета-носитель Ariane 5 с космическим телескопом "Джеймс Уэбб" на космодроме Куру, 23 декабря 2021 года
Последние полгода были тревожные. "Я смотрю с оптимизмом, однако многие коллеги нервничают. У кого-то от успеха "Джеймса Уэбба" зависит карьера", — писал Константин Батыгин. "Волнуюсь. Любая ошибка приведет к тому, что потеряются $10 млрд и 30 лет работы. Жалко такую полезную машину. Другой-то нет и в ближайшее время не будет", — говорил Владимир Сурдин. Алексей Потапов рассуждал философски: "Если посмотреть на историю телескопов, то каждые 10–15 лет запускают новые. Это непрерывная игра".
Тем не менее пока все идет по плану, и сегодня мы увидим серию первых цветных снимков. Впереди — больше, так что давайте на всякий случай постучим по дереву, ведь, как повторяют инженеры и конструкторы телескопа, мелочей не бывает.
