Изучение новых миров, понимание происхождения Вселенной, поиск жизни вне Земли. Всё это — задачи космического телескопа "Джеймс Уэбб", долгожданного преемника Хаббла. Телескоп больше и легче Хаббла, зато в 100 раз мощнее, а приборы — в семь раз чувствительнее. И уже 18 декабря его планируют отправить в космос, чтобы получить много новых данных.
О том, как дальше исследовать космос, учёные стали думать сразу после запуска космического телескопа Хаббл в 1990 году. Хотя он уже тридцать лет исправно снабжает человечество ценными космическими фотографиями, неясно, сколько ещё он протянет. И "Джеймс Уэбб" призван стать таким же значимым космическим аппаратом, несущим новые знания людям. Уэбб во многом превосходит Хаббл, но не является равноценной заменой. Он призван решать немного иные задачи. С его помощью астрономы смогут заглянуть не только дальше в космос, но и назад во времени: он будет искать первые звезды и галактики Вселенной. Учёные смогут исследовать экзопланеты (планеты за пределами Солнечной системы), и даже попробовать найти там признаки жизни.
Изначально предполагалось, что Уэбб будет запущен в 2010 году и будет стоить $1 млрд. К 2021 году его цена выросла почти до $10 млрд, а запуск так и не состоялся. Но ожидание того стоит, ведь новые данные смогут перевернуть наши представления о мироустройстве.
Джеймс Уэбб — это устройство для поиска ответов на неотвеченные вопросы о Вселенной, для изучения того, что до сих пор оставалось неизведанным. Что же такого в этом телескопе?
Золотое зеркало Уэбба
Золотое зеркало нового телескопа — прорыв в космической отрасли. Размер зеркала равен 6,5 метра (у Хаббла — 2,4 метра). Поскольку общие размеры зеркала не позволили бы разместить его в ракете-носителе, разработчики телескопа решили сделать зеркало из сегментов, которые раздвинутся на орбите. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов составляет 1,32 метра от ребра до ребра, масса зеркала в каждом сегменте — 20 кг, а масса всего сегмента в сборе (вместе с оборудованием) равна 40 кг.
В данном случае размер действительно имеет значение. Представьте себе зеркало телескопа как ведро для сбора света. Чем больше света вы сможете собрать в этом ведре, тем более тусклые и удаленные от нас объекты вы сможете разглядеть. Кроме того, лицевая сторона зеркала покрыта тонким слоем золота. Этот металл выбрали из-за способности эффективно отражать инфракрасное излучение с длиной волны от 0,6 до 28,5 микрометра (мы ощущаем его как тепло). Это необходимо для изучения малых тел, например, экзопланет. Общая масса покрытия составляет 48,25 грамма.
Высочайшая чувствительность — очень важное качество нового космического телескопа. Вспомните одну из самых известных фотографий Хаббла: Hubble Deep Field. Это изображение участка неба, полученное с очень длительной экспозицией. В 1995 году учёные установили Хаббл так, чтобы он был сфокусирован на крошечный кусочек неба (размером с булавочную головку, которую держат на расстоянии вытянутой руки) и улавливал как можно больше света на этом участке. Полученные результаты взбудоражили умы всех, кто так или иначе связан с космосом. Хаббл обнаружил тысячи галактик на этом крошечном участке.
Эти фотографии показывают, что Уэбб можно использовать в качестве машины времени. В астрономии чем дальше объекты, тем они старше (потому что свету требуется очень много времени, чтобы добраться до Земли). Это означает, что "Глубокое Поле" — это не просто фотография космоса: она содержит историю нашей Вселенной. Галактики на этом изображении кажутся нам такими, какими они были миллиарды лет назад.
Посмотрите на изображение ниже. Это два изображения Столпов Творения. Слева находится снимок, сделанный Хабблом. Справа показано, как это выглядит в инфракрасном диапазоне, что ближе к тому, что покажет Уэбб.
Колоссальная разница! Именно поэтому учёные мечтают заглянуть во Вселенную во времена ближе к Большому взрыву. Ведь с помощью Хаббла астрономы рассмотрели галактику, свет от которой шёл 13,4 миллиарда лет, а сама она находится гораздо дальше, примерно в 45 млрд лет от Земли. То есть этот свет появился через 400 миллионов лет после Большого взрыва, ознаменовавшего рождение Вселенной! А с помощью Уэбба удастся заглянуть дальше.
Новый аппарат получился очень большим. Если Хаббл был размером со школьный автобус, то Уэбб не меньше теннисного корта.
Уэбб видит инфракрасный свет
Ещё одно преимущество телескопа Джеймс Уэбб — это тип света, который он может "увидеть".
Свет бывает разных видов. Человеческий глаз способен различить только узкую полосу, известную как видимый свет, но Вселенная содержит очень много света за пределами этого диапазона: ультрафиолет, гамма-лучи, инфракрасный свет, микроволны, радиоволны и т. д.
Космический телескоп Хаббла собирает видимый свет, ультрафиолет и немного инфракрасного. Уэбб — это в первую очередь инфракрасный телескоп, поэтому он видит свет с большей длиной волны, чем то, что могут видеть наши глаза. Это позволяет ему заглядывать дальше во времени, чем Хаббл.
Инфракрасный свет часто бывает очень старым из-за явления, называемого красным смещением. Когда источник света удаляется от зрителя, он растягивается, превращаясь во всё более длинные волны и становясь все краснее. Верно и обратное: по мере приближения источника света длины волн укорачиваются, становясь голубее. Это похоже на звук сирены в машине по отношению к человеку. Высота звука увеличивается по мере приближения сирены, затем уменьшается по мере удаления.
Поскольку пространство постоянно расширяется, самые далёкие от нас объекты во Вселенной удаляются. И когда свет распространяется в космосе из этих далёких галактик, он как бы растягивается за счёт расширения пространства.
Представьте себе звезду, которая очень далеко. Свет от этой звезды может начинаться в видимом спектре, но на своём пути к нам он растягивается. Он становится все краснее и краснее. Поэтому, когда мы видим далёкие галактики с помощью телескопа Хаббла, они представляют собой что-то вроде этих маленьких, крошечных красных блёсток. В конце концов, эти очень далёкие старые галактики становятся настолько красными, что переходят в инфракрасный спектр. Уэбб видит этот древний свет, который стал невидимым для человеческого глаза.
Джеймс Уэбб — дорогой, но полезный
Телескоп интересен и с точки зрения исследования жизни на планетах. Он способен обнаруживать воду, CO, CO2, метан. Да и вообще, Уэбб буквально напичкан всевозможной техникой. Но в этом и его слабая сторона. Он слишком велик и сложен, чтобы люди могли легко отправить его в космическое пространство. Телескоп нужно сложить, чтобы он поместился внутри ракеты, и он должен разворачиваться в космосе. Таким образом, процесс создания развертываемого в космосе телескопа является источником большинства инженерных проблем.
Кроме того, Уэбб будет вращаться вокруг Солнца на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли. Починить его, если что-то сломается, будет гораздо труднее, чем тот же Хаббл. А спускать на ветер десять миллиардов долларов никто не хочет.
Отметим, что любой учёный может подать заявку на использование космического телескопа Уэбба при условии, что он напишет проектное предложение, которое пройдёт экспертную оценку. Первые счастливчики уже есть. Например, аспирант из канадского университета Макгилла Лиза Данг собирается изучить одну из самых необычных планет: K2-141b, расположенную в 202 световых годах от Земли и настолько близкой к своей родительской звезде, что её поверхность, как полагают, покрыта океаном лавы. Если на нем есть облака, они, вероятно, состоят из испарённой породы. Из этих облаков затем может выпадать «каменный дождь». Мало что известно об этой лавовой планете, так что Данг будет использовать Уэбб, чтобы изучить её атмосферу и узнать, что вообще там может происходить.
Что ещё интересного есть в блоге Cloud4Y
→ Изучаем своё железо: сброс паролей BIOS на ноутбуках
→ Реклама в Windows 11 сломала «Пуск» и панель задач некоторых пользователей
→ Клавиатуры, которые постигла неудача
→ Как уловки древних полководцев воскресают в современной математике
→ Космический вызов: защита суперкомпьютеров от внеземной угрозы
Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью. Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу.
Комментарии (41)
novoselov
28.09.2021 11:41+1А почему и дальше не пойти в сторону модульной сборки?
Можно собирать телескоп как космическую станцию по частям, тогда не будет ограничения на общий размер зеркала, только на размер отдельного модуля.
ilvar
28.09.2021 12:01+5Мы пока не умеем в надёжную сборку на орбите конструкций с микронными допусками.
Ad_Infinitum
28.09.2021 18:58+1А если соединить на орбите надежно но не точно, а потом дорегулировать точными актуаторами?
ilvar
28.09.2021 19:05Все равно сложно: нужно, чтобы эти актуаторы работали автономно (до Земли - заметная задержка сигнала), но при этом абсолютно надежно. А если при выводе одного из компонентов нештатная ситуация - то вся установка ждет подготовки и запуска замены. Это все же не орбитальная станция, которая в принципе как-то работает с одним только базовым блоком.
novoselov
30.09.2021 10:39Если я правильно понимаю, то телескоп будет развернут на орбите. Во время полета конструкция должна выдерживать немалые нагрузки, насколько это сейчас влияет на точность развертывания?
Как уже написали логично делать в несколько этапов: грубая стыковка, выравнивание и жесткое крепление, тонкая доводка с проверкой через внешние датчики. И задержка сигнала тут не помеха, можно хоть на сутки растянуть доводку. Насчет ожидания/замены тоже не совсем понятно, смысл как раз в том чтобы модульная конструкция работала по частям: вначале запускаем центральный модуль, потом 1 контур зеркал, 2 контур и т.д. Пока летят зеркала следующего контура занимаемся работой, в момент монтирования нового зеркала в контуре можно придумать какую-нибудь полезную нагрузку: провести перекалибровку, пофоткать другие спутники или близкие объекты, протереть стекла и дворники :)
ilvar
30.09.2021 10:54Ну вот пока что на орбите умеем собирать только станции, и стыковка там весьма грубая. Мне кажется, стоит потренироваться на низкой орбите, прежде чем отправлять кучу блоков в точку Лагранжа.
novoselov
30.09.2021 12:03Ну это и понятно, нет требования, нет реализации. Вопрос есть ли для этого какие-то фундаментальные ограничения? Мне кажется две основные проблемы это захват и удержание, в первом случае необходимо компенсировать инерцию стыкуемого зеркала, во втором с достаточной точностью менять положение зеркала на манипуляторе (вариант с фиксированным размещением кажется более сложным).
ilvar
30.09.2021 21:50Фундаментальных - нет, конечно, рано или поздно к этому придем. Но на нынешнем уровне развития технологий - дорого и рискованно.
VT100
28.09.2021 19:12Вероятно — вопрос в наличии мишени (миры) для проведения юстировки.
Или отправки пилотируемой миссии для снятия реальной геометрии оптической системы на месте.
23gv3
29.09.2021 07:53Микронные допуски не так уж нужны - фасеточная система из телескопов - по подобию глаза стрекозы - будет почти так же эффективна, как одиночной зеркало сходного диаметра.
drWhy
29.09.2021 09:47+1Каждый омматидий содержит свои отдельные рецепторы. Для строительства фасеточного телескопа каждой ячейке должен соответствовать отдельный сенсор. А при единственном сенсоре требования к точности исполнения результирующего зеркала определяются рабочей длиной волны.
nickolas059
28.09.2021 19:01+1Плюсом цена такой сборки будет сложно оценимой ... Уже все задержалось на 10 лет, а так страшно представить даже
slamon
28.09.2021 12:40Кроме того, Уэбб будет вращаться вокруг Солнца на расстоянии 1,5 миллиона километров.
Мм, тут не опечатка? Быть может, вокруг Земли? Или вокруг Солнца на расстоянии 150 млн. км?
Cloud4Y Автор
28.09.2021 12:45Удаление «Джеймса Уэбба» от Земли достигнет 1,5 млн км
То есть вращаться будет вокруг Солнца, но на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Переформулировал, спасибо.
mkot
28.09.2021 13:22+12Новый аппарат получился очень большим. Если Хаббл был размером со школьный автобус, то Уэбб не меньше теннисного корта.
А для таких как я, которые в школу ходили пешком и в теннис не играли, можно в привычных метрах привести размеры? Или хотя бы и размеры Уэбба в школьных автобусах привести...
KvanTTT
28.09.2021 17:47+8Уэбб превосходит Хаббл по всем параметрам.
Не надо таких громких фраз. Вы же сами написали, что Уэбб не может в оптический диапазон, значит уже не во всем.
Новый аппарат получился очень большим.
Это оценочное суждение. По сравнению с существующими и планируемыми телескопами на земле, он совсем не большой. Вот картинка для сравнения:
Если Хаббл был размером со школьный автобус, то Уэбб не меньше теннисного корта.
Это в полной сборке, по площади зеркала примерно 1/8, что видно на картинке выше.
vanxant
28.09.2021 17:47+3Вообще, конечно, Уэбб никак не замена Хабблу, вот от слова совсем. Это как сравнить танк с паровозом. Уэбб будет играть на той же поляне, что и Спитцер, а на замену Хаббла больше всего подходит Спектр-УФ.
akaAzazello
28.09.2021 17:56+11>>Если Хаббл был размером со школьный автобус, то Уэбб не меньше теннисного корта.
Ну опять о системах счисления - ну не возят русскоговорящих детей на жёлтых автобусах на рамном шасси в школы, и на полноразмерных теннистых кортах было тоже мало людей. Просто же написать, что "Hubble: 13.2 m×4.2 m", James Webb: "20.197m×14.162 m"
nickolas059
28.09.2021 18:59+1Орбита Уэба очень интересна. Думал он параллельно земной орбите будет летать, просто на удалении. А тут оказывается не совсем! Спасибо, познавательно
vanxant
29.09.2021 20:46Ну во-первых, точки Лагранжа 1 и 2 — это точки неустойчивого равновесия, т.е телескоп бы сдувало то туда то сюда. А вот такая квази-орбита вокруг точки Лагранжа условно-стабильна.
С другой, точно в L2 тень Земли закрывает Солнце, что плохо для солнечных батарей.
sved
28.09.2021 20:57+2По поводу того что новый телескоп не может в оптическом диапазоне: это совсем не недостаток.
Дело в том, что со времён запуска Хабла адаптивная оптика наземных телескопов достигла такого прогресса, что в, общем-то, необходимость запускать оптические телескопы на орбиту исчезла.
Хотя есть исключения: например телескопы с большим полем.
KvanTTT
29.09.2021 01:33+1Дело в том, что со времён запуска Хабла адаптивная оптика наземных телескопов достигла такого прогресса, что в, общем-то, необходимость запускать оптические телескопы на орбиту исчезла.
Может и достигла большого прогресса, но до космического уровня не дойдет даже в теории, поскольку атмосфера на самом деле поглощает/искажает излучение и в оптическом диапазоне.
К тому же приборы Хаббла захватывают часть ультрафиалетового диапазона, который точно сильно поглощается атмосферой.
sherbinko
29.09.2021 15:33Как вы сами можете видеть, атмосфера поглощает не больше половины видимого света, что нивелируется гораздо более большими размерами наземных телескопов.
Что же касается искажений, то эта проблема не только решаема теоретически, но и, как и уже писали выше, успешно решается на практике.
drWhy
29.09.2021 17:04А что насчёт приведённых в статье двух изображений Столпов Творения, на первом туманность закрывает собой почти все звёзды в оптическом диапазоне, на втором они прекрасно видны в инфракрасном?
И можно ведь объединять наземные и космические телескопы в единую сеть для получения большего количества информации о наблюдаемых объектах.
Forvad
29.09.2021 15:33>>телескоп Джеймс Уэбб должен изменить
По-моему его вначале хорошо бы доделать, запустить и поработать. А уж потом говорить. А то он (не каркаю) жмякнется на старте, и мы наизменяем
fedotovartuom76
29.09.2021 23:47Всё это хорошо если:
Телескоп действительно будет успешно запущен;
Достигнет заданной орбиты;
Успешно развернёт термозащитный экран (чтобы создать тень для самого себя) и главное зеркало;
-
Начнёт работу без сбоев.
А во всём вышеперечисленном есть основания сомневаться. Потому что долгострои (коим он и является) обычно имеют кучу болячек. И здесь остаётся только надеяться, что NASA все их нашло и устранило.
В своё время NASA уже облажалось с Hubble, когда отправило его на орбиту с кривым зеркалом. Конечно, сейчас времена несколько изменились, но вероятность ошибок (критических и не очень) полностью исключить невозможно. И если во времена Hubble у NASA были шаттлы, которые регулярно чинили его и обслуживали, то сейчас NASA может "чинить" свои космические аппараты только удалённо с Земли (софтверно). Обычно это срабатывает, но всё зависит от конкретной проблемы - не всё можно починить таким способом.
Следовательно, если (точнее не если, а когда) у James Webb возникнет проблема, которую NASA не сможет устранить с Земли — это будет означать конец проекта. Поскольку до сих пор у NASA нет кораблей, которые способны заменить шаттлы, и в ближайшей перспективе они вряд ли появятся.
И стоит учитывать, что, если такие корабли появятся - их задача будет куда сложнее. Шаттлы летали к Hubble который находится на низкой околоземной орбите, близкой к круговой. А James Webb будет находиться на гораздо более сложной орбите, которая большую часть времени значительно удалена от Земли. Между тем шаттлы при своих гигантских размерах (значительно больше "Союз-МС", "Crew Dragon" или "Starliner") после полёта к Hubble возвращались с пустыми баками.
В перспективе только значительно модернизированный шаттл или Starship смогут выполнять подобные миссии. Но оснащение и возможности последнего, пока до конца не известны. Касательно шаттлов же, у NASA были планы на крупную модернизацию шаттлов (вплоть до атомного варианта для полётов на Луну), но они канули в лету вместе со всей программой "Space Shuttle", а рассчитывать на восстановление этой программы не приходится. Так что с обслуживанием в космосе - всё грустно.
sidorovmax
Вы утверждаете как истину то, что является всего-лишь одной из многих гипотез.
К примеру, эффект Доплера не нуждается в лишней сущности в виде "расширения пространства".
А увеличение красного смещения с расстоянием объясняется увеличением скорости разбегания с расстоянием, что характерно для взрыва, в т.ч. ТБВ.
Cloud4Y Автор
Справедливое замечание. Спасибо, сделал пометку о том, что это гипотеза.
george_vernin
Подскажите а какие еще теории и гипотезы, кроме тех что предлагают объяснить космологическое красное смещение в результате расширения пространства, достойны внимания и не противоречат наблюдаемым данным ?
Насколько мне известно это уже долгое время мейнстрим. ОТО , ΛCDM наиболее полно подходят под накопленный набор данных. Темная энергия, увеличение скорости разбегания и расширения пространства - все это работает вместе.
sidorovmax
Например, Обычный Большой взрыв, в нем то вещество, которое разлетается быстрее, будет иметь красное смещение, относительно более медленного.
Причем, по определению, то вещество, которое улетело дальше будет иметь красное смещение большее.
george_vernin
Подскажите , вы пробовали валидировать эту идею? Ну на каких-нибдь, даже самых простых вещах. Вот положим что пространство бесконечно и те галактики, кто очень быстро летят далеко улетели.. У них смещения Z, ну 6 или даже 11 находят. Т.е. там скорости 0,99 света и больше. Лоренцево замедление времени уже чудовищно. Эффекты, которые мы должны наблюдать в этих галактиках совсем в с другой скоростью происходят . Чего не наблюдается.
Нет объяснения микроволного фона - он что прямо на месте рождается ?
Я упущу все остальные сложные случаи данные которые собираются из наблюдений - обзоры и прочее. Будет очень интересно если проверите эту теорию на куче современных данных.
sidorovmax
Если хотите простые вещи, то вот они.
Пространство огромно, но конечно.
Материя огромна, но конечна.
Большой взрыв произошел не из сингулярной точки.
Тогда испытанные временем уравнения ОТО начинают работать и довольно точно описывать наблюдаемую Вселенную.
vanxant
Ну, положим, лямбду-CDM с её двойной неведомой тёмной фигнёй и нулевым выхлопом экспериментов по её поиску сейчас не пинает только ленивый.
george_vernin
Вопрос в том почему и как критиковать. Думаю самое логичное - предложить что-то на замену, что хорошо объясняет все наблюдаемые эффекты. Именно все.
Я подозреваю что большинство критики - как в комментарии выше.
ababich
1)космологическое красное смещение - это не "гипотеза" , а основа современной космологии
2)ничего общего с эффектом Доплера оно не имеет, если говорить о природе явления
3)"что характерно для взрыва, в т.ч. ТБВ. " --- между взрывом и ТБВ ничего общего