"Джеймс Уэбб": запуск космического телескопа ознаменовал новую эру в изучении Вселенной

Названный в честь главы НАСА 1960-х, исполинский аппарат, который нередко называют сменщиком "Хаббла", поможет ученым заглянуть на миллиарды лет в прошлое, увидеть Вселенную совсем юной и в подробностях рассмотреть, как из пыли Большого взрыва рождались самые первые звезды и галактики.

Бесценные данные, по крупице собранные золотым зеркалом обсерватории, откроют нам тайны времени и пространства, расскажут об эволюции галактик - а возможно, и помогут отыскать человечеству новый дом.

Here it is: humanity’s final look at @NASAWebb as it heads into deep space to answer our biggest questions. Alone in the vastness of space, Webb will soon begin an approximately two-week process to deploy its antennas, mirrors, and sunshield. #UnfoldTheUniverse pic.twitter.com/DErMXJhNQd

— NASA (@NASA) December 25, 2021

Расширяя горизонты

Путь телескопа к звездам был, как и полагается, тернист - и растянулся аж на четверть века.

Вывести на орбиту "Космический телескоп следующего поколения" (NGST) - так обсерватория называлась изначально - решили еще в 1996-м. За год до этого швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело достоверно подтвердили существование первой известной нам планеты за пределами Солнечной системы.

Именно это открытие, удостоенное в 2019 году Нобелевской премии по физике, можно считать отправной точкой миссии. В НАСА поняли: если экзопланеты действительно существуют (раньше уверенности в этом не было), то для их поиска и изучения необходимо принципиально новое устройство.

Наземным обсерваториям такая задача не под силу: они видят лишь лучи, сумевшие преодолеть мощный фильтр земной атмосферы. Экзопланеты же светят тусклым, отраженным светом, который до поверхности Земли не доходит. А значит, новый аппарат должен вести свои наблюдения из космоса.

К тому времени на орбите уже несколько лет работал знаменитый "Хаббл", однако он для поиска далеких планет тоже не подходил. Оптика телескопа улавливает в основном только лучи видимого спектра (то есть те, что доступны человеческому глазу) - а там, как объясняют эксперты, разглядеть далекие планеты шансов попросту нет.

• Телескоп "Хаббл" отпраздновал свое 30-летие снимком далекого космоса

"В видимом спектре экзопланеты не видны, поскольку они значительно меньше и слабее своих собственных звезд, - объясняет старший научный сотрудник Института космических исследований РАН Олег Угольников. - А вот в инфракрасной области экзопланеты со звездами вполне могут конкурировать. Планеты ведь намного холоднее - а потому светят прежде всего именно в инфракрасном диапазоне".

Ровно к такому же выводу пришли в НАСА: на смену "Хабблу" должна прийти инфракрасная космическая обсерватория. Утвердив проект миссии расчетной стоимостью 500 млн долларов, запуск нового телескопа оптимистично назначили на 2007 год.

Космический долгострой

За первый же год стоимость работы выросла вдвое, до 1 млрд. За следующие четыре года - еще в 2,5 раза.

В 2010 году, когда на телескоп было потрачено уже 5 млрд (то есть в 10 раз больше запланированного), а запуск многострадальной обсерватории все откладывался (на тот момент речь шла о 2015-м), судьба "Джеймса Уэбба" повисла на волоске.

Каждая новая отсрочка увеличивала и без того астрономические расходы, а это не добавляло проекту симпатий. Стали поговаривать, что долгострой слишком затянулся, превратив телескоп в "чемодан без ручки" - тот, что и нести неудобно, и бросить жалко.

Масла в огонь подливал тот факт, что разразившийся незадолго до того глобальный финансовый кризис не обошел стороной и НАСА. Денег едва хватало даже на самые важные проекты - так что, пока бюджет "Джеймса Уэбба" продолжал расти как на дрожжах, большинство других космических программ пришлось отложить до лучших времен, а некоторые и вовсе зарезать на корню.

Чтобы разобраться в причинах катастрофического перерасхода, сенат США провел независимое расследование. По его итогам в журнале Nature была опубликована статья, озаглавленная (ни много ни мало) "Телескоп, который сожрал астрономию". Там говорилось, что в целях экономии средств власти рассматривают все варианты: "в том числе возможный отказ от [установки на телескоп] каких-то приборов и другие способы сокращения расходов".

Не имея возможности свернуть излишне амбициозный проект самостоятельно, законодатели придумали сократить годовой бюджет НАСА ровно на ту сумму, которую планировалось потратить на "Джеймса Уэбба". Однако, к огромному удивлению обитателей Капитолийского холма, на защиту "телескопа, сожравшего астрономию", поднялась едва ли не вся мировая научная общественность.

Американское астрономическое общество выступило с резким заявлением, назвав обсерваторию "краеугольным камнем космической астрономии США на ближайшие два десятилетия" и заверив, что "какие бы выгоды для бюджета ни принесло в краткосрочной перспективе закрытие JWST, нанесенный [этим решением] ущерб будет просто несопоставим по масштабам".

Ученых поддержали несколько влиятельных международных изданий, которые раструбили историю по всему миру - и в результате обсерваторию удалось отстоять.

За прошедшие с тех пор 10 лет запуск успели перенести еще четыре раза. В итоге "Джеймс Уэбб" обошелся НАСА в поистине астрономические 10 млрд долларов, превысив расчетную стоимость проекта в 20 раз.

И все же эксперты, как и прежде, в один голос уверяют, что колоссальные затраты на строительство телескопа полностью оправданы. Ведь для мирового научного сообщества собранные им данные будут абсолютно бесценны.

Отразившись в золотом зеркале "Джеймса Уэбба", Вселенная предстанет перед нами в новом свете. В самом прямом смысле слова.

Показать то, что скрыто

Тысячелетиями наши предки вглядывались в звездное небо, придумывая для этого все более и более сложные устройства, - но видели лишь то, что позволяла им анатомия.

Каким бы мощным ни был телескоп, во сколько бы раз ни приближал он изображение, фоторецепторы человеческого глаза способны распознавать лишь волны определенной длины, примерно в диапазоне от 400 до 800 нм. Всё остальное излучение остается для нас невидимым.

Оценить, насколько много остается "за кадром", несложно: достаточно взглянуть на шкалу электромагнитного излучения целиком и найти на ней узкую радужную полоску в центре.

Ее края отмечают границы видимого диапазона. А находящийся между ними отрезок, соответственно, вмещает в себя всё разнообразие известных нам цветовых оттенков (их, как принято считать, мы различаем около миллиона).

Всё, что находится слева и справа от радужной полосы - излучение невидимое. Так что о его существовании наши далекие предки, конечно же, знать не могли.

Возможность расширить эти естественные границы появилась лишь в первой половине XIX века, когда были открыты тепловые инфракрасные лучи - невидимые глазу, но все же доступные нашему сенсорному восприятию.

Впрочем, развернуть тепловые сенсоры к небу никому не пришло в голову - казалось бы, зачем? Лишь сто с лишним лет спустя, уже после Второй мировой войны, ученые поняли, какое огромное преимущество дает изучение звездного неба в инфракрасном (ИК) диапазоне и осознали, насколько мощный инструмент есть в их распоряжении.

Дело в том, что по сравнению с видимым излучением, которое легко рассеивается космической пылью, инфракрасные волны значительно длиннее - в десятки и даже сотни раз. Поэтому распространяются они гораздо дальше - без особого труда пронизывая межзвездные облака и показывая то, что скрыто за ними. Там, куда раньше заглянуть мы просто не могли.

"Наша галактика пылью очень богата, - объясняет Олег Угольников, - поэтому в оптическом диапазоне мы не видим ни чёрной дыры [вокруг которой закручен спиральными рукавами Млечный Путь], ни ее окрестностей - ни вообще всего того, что находится в центре нашей галактики. Там вполне могут быть очень яркие звезды, какие-то другие объекты. Но в оптике мы их не видим - а в ИК-диапазоне будем видеть".

Откройся, бездна, звезд полна

Другими словами, с помощью "Джеймса Уэбба" мы наконец-то сможем заглянуть в самые укромные, самые удаленные от нас уголки Вселенной.

Причем удаленные не только в пространстве, но и во времени. Ведь телескоп способен разглядеть объекты, расположенные на расстоянии до 13,5 млрд световых лет.

А значит, и мы с вами сможем увидеть, как 13,5 млрд лет назад выглядела наша Вселенная - спустя всего (!) 200 млн лет после Большого взрыва. Когда гравитация только начинала захватывать в свои цепкие лапы облака космической пыли, скатывая из них шарики и закручивая в спирали.

В какой-то момент шарики сожмутся так плотно, что атомы начнут буквально вдавливаться друг в друга, запустив реакцию термоядерного синтеза. Тогда на их месте вспыхнут первые звезды.

Если нам повезет, мы сможем увидеть эти вспышки своими глазами, уверяет Хейди Хэммел, исполнительный вице-президент американской Ассоциации университетов, занимающихся исследованиями космоса (AURA). AURA объединяет полсотни научных коллективов, которые руководят работой всех наземных обсерваторий США и космических аппаратов НАСА - проще говоря, ученых, определяющих направление развития астрономии.

Вот уже почти 20 лет доктор Хэммел фактически возглавляет всю научную работу, ведущуюся в рамках мегапроекта "Джеймс Уэбб". И по ее словам, 15-летняя задержка не то чтобы удивительна: ведь даже сами технологии, необходимые для работы телескопа, удалось изобрести лишь спустя три года после расчетного запуска.

"Мы никогда не строили ничего подобного! - разводит руками она. - Никогда в жизни с гражданского космодрома мы не запускали свернутое в оригами, состоящее из 18 отдельных фрагментов зеркало - вместе с точно так же свернутым под ним солнцезащитным экраном, - которые после запуска нужно будет ещё развернуть!"

Квант света в темном царстве

Зеркало телескопа — и правда настоящее произведения инженерного искусства. Однако чтобы понять принцип его работы, вовсе не обязательно хорошо разбираться в физике. Достаточно найти в настройках любой фотокамеры режим ночной съемки - и посмотреть, чем он отличается от обычного.

При съемке в темноте (то есть когда освещения недостаточно), диафрагма объектива открывается шире и остается открытой дольше - в самом прямом смысле слова собирая свет по крупицам, пока его не наберется достаточно, чтобы сделанное изображение получилось ярким и отчетливым.

"Джеймс Уэбб" работает примерно по тому же принципу. Чтобы разглядеть в глубинах космоса источник слабого теплового излучения, телескопу придется довольно долго вглядываться в черную бездну, накапливая результаты многочисленных наблюдений.

Для этого необходимо решить две проблемы. Во-первых, для поиска в ИК-диапазоне научные приборы должны работать при температуре близкой к абсолютному нулю. Иначе фоновый шум от самого телескопа перебьет все результаты измерений: волны все же тепловые. Поэтому орбита "Джеймса Уэбба" выбрана так, чтобы обсерватория все время находилась в тени Земли, а с солнечной стороны аппарат развернет пятислойный экран из тончайшего пластика размером с теннисный корт.

Именно поэтому такую огромную роль играет размер. Чтобы разглядеть крохотные объекты в далекой галактике, зеркало должно быть огромным. Ведь в космической обсерватории оно выполняет ту же роль, что диафрагма фотообъектива: чем больше размер отражателя, тем больше света он способен уловить.

Основное зеркала "Хаббла" - самого мощного на сегодняшний день космического телескопа, диаметром почти 2,5 метра. Впрочем, даже оно выглядит довольно скромно на фоне позолоченного блюда "Джеймса Уэбба" диаметром 6,5 метра.

Сделанная из бериллия (этот металл всего в 1,8 раза тяжелее воды) и покрытая тончайшей золотой пленкой, исполинская чаша весит даже меньше, чем хаббловское зеркало.

Оторвать столь гигантскую конструкцию от земли и вывести ее на орбиту совершенно невозможно физически: она попросту не поместится ни в одну из существующих на сегодняшний день ракет. Поэтому инженеры НАСА придумали "разбить" зеркало на несколько частей и сложить их в ракету как оригами.

Танцы в космосе

Хейди Хэммел вспоминает, что запуск "Хаббла" сопровождался скандалом. После многолетней подготовки к старту, когда обсерваторию наконец-то вывели на орбиту, выяснилось, что ее оптика настроена неверно и изображение получается не в фокусе.

"Дело в том, что зеркало "Хаббла" монолитное, - объясняет она. - Фактически это кусок стекла, из которого изготовили линзу - и линза эта должна была иметь идеальную, точно рассчитанную форму. А форма в итоге оказалась не идеальной".

Другими словами, телескоп оказался неспособен выполнять свою основную, если не единственную задачу. Так что первым делом к "Хабблу" пришлось отправить пилотируемую миссию, участники которой уже на орбите довели телескоп до ума.

"По счастью, расхождение с расчетами было небольшим, - продолжает эксперт. - Причем мы точно знали, на сколько ошиблись и в каком именно месте. Поэтому мы смогли компенсировать эту ошибку - фактически, надеть телескопу очки".

Надеть очки "Джеймсу Уэббу" не получится. Обсерватория будет располагаться слишком далеко от Земли, чтобы туда можно было послать астронавтов - примерно вчетверо дальше Луны. Поэтому зеркало изначально конструировали как устройство полностью автономное. Его фрагменты подвижны, поэтому настраивать и подгонять их можно будет с Земли, почти в режиме реального времени.

На то чтобы при помощи сложнейшей космической хореографии развернуть конструкцию, сложить по частям и настроить зеркало, подогнать и направить солнцезащитный экран, уйдет почти три месяца.

За это время телескоп произведет более 300 критических операций, каждая из которых должна пройти идеально гладко. В противном случае "Джеймс Уэбб" не сможет выполнять свои функции - иначе работу практически придется начинать заново.

На смену "Хабблу"

Изначально новая обсерватория задумывалась как преемник знаменитого "Хаббла". Запущенный НАСА в 1990 году, этот космический телескоп произвел настоящую революцию в астрономии.

На основе данных его наблюдений написаны без преувеличения десятки тысяч научных статей. В числе этих работ, как уже было сказано, есть и открытия, удостоенные Нобелевской премии.

Однако эксперты отмечают еще одну важную деталь. Помимо бесчисленных академических регалий, несомненная заслуга "Хаббла" состоит в том, что он развернул науку лицом к обывателю, сделав астрономию интересной широкой публике.

Для людей, не получивших соответствующего образования или просто далеких от науки, линза телескопа почти магическим образом превращает непонятные (а потому скучные) математические формулы - в удивительной красоты изображения.

Завораживающие, запоминающиеся - именно они в конечном итоге формируют наши представления о том, как выглядит Вселенная.

Одна из самых известных таких фотографий - "Столпы творения", запечатлевшая гигантские скопления пыли и газа, где только начинают формироваться новые звезды. При помощи "Джеймса Уэбба" астрономы планируют вновь заглянуть в этот уголок Вселенной.

"Межзвездная пыль, из которых состоят "столпы", в инфракрасном диапазоне становится прозрачной, - объясняет доктор Хэммел. - Мы сможем посмотреть за них - сквозь них - и увидеть, что происходит внутри. Своими глазами заглянуть в небесные ясли, где рождаются звезды, и рассмотреть их в мельчайших подробностях".

Самой Хэммел не терпится увидеть первые галактики, сформировавшиеся в совсем еще юной Вселенной. Разобравшись в их структуре, она хочет понять, как галактики формируются в принципе и как выглядит их эволюция.

"Я 20 лет ждала этого запуска - чтобы провести наблюдения и получить ответы на научные вопросы, отыскать которые на Земле просто невозможно. У нас попросту нет другого способа туда заглянуть. А вопросы эти настолько важны, что, на мой взгляд, с научной точки зрения, это полностью оправдывает и огромные денежные затраты, и годы ожидания".

В поисках нового дома

Доктор Хэммел уверена, что многие из будущих открытий "Уэбба" мы не можем на сегодняшний день даже вообразить. И в качестве аналогии приводит его предшественника.

Когда инженеры НАСА строили и запускали "Хаббл", у телескопа, конечно же, был целый список задач - вопросов, на которые он должен был найти ответы. И главным из них был вопрос о возрасте и размере известной нам Вселенной.

За 30 с лишним лет работы на орбите "Хаббл" помог ученым сделать десятки важнейших открытий, опровергнув сразу несколько авторитетных теорий и заставив нас в значительной степени пересмотреть наши представления о космосе.

"Если задаться целью составить список из 10 самых важных сделанных "Хабблом" открытий, возраст и размер Вселенной, туда, конечно, попадут - как и еще несколько открытий, которые планировалось сделать изначально. Но добрая половина этого списка - открытия, о которых изначально никто даже не думал. На момент запуска телескопа ничего подобного мы себе даже вообразить не могли".

И действительно, кто же мог заранее предположить, что - вопреки известным нам законам физики - Вселенная расширяется с ускорением? А чтобы это как-то объяснить, придется разработать гипотезу темной материи?

Кроме того, теперь у нас есть возможность изучать состав атмосферы планет, вращающихся вокруг разных звезд - не только Солнца. Ведь рано или поздно человечеству придется искать себе новый дом.

Очевидных претендентов пока нет. Ученым не удалось найти нашей Солнечной системе подходящего двойника - так, чтобы планета, похожая на Землю, вращалась вокруг солнцеподобной звезды. Но это, конечно же, вовсе не значит, что такого двойника нет. Поиски продолжаются.

По словам Хейди Хэммел, совершенно не исключено, что подходящая цель будет обнаружена уже в ближайшие три-четыре года. Тогда, понятное дело, к ней устремят свой взгляд не только астрономы, но и большинство людей, живущих на нашей планете.