Что увидит сменщик «Хаббла»? Наследник телескопа Хаббл, телескоп Джеймс Уэбб будет готов в срок: подтверждение от NASA Недавние проблемы и их решение

Вы могли поближе познакомиться с телескопом Хаббл. А это нас ждет в ближайшем будущем!=)

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба - орбитальная инфракрасная обсерватория, которая предположительно заменит космический телескоп «Хаббл».

Первоначально назван «Космический телескоп нового поколения». В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1902-1992), возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах.

«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» - 2,4 метра) и солнечным щитом размером с теннисный корт.

Будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце - Земля.

Точка L2 в системе Солнце - Земля является идеальным местом для строительства орбитальных космических обсерваторий и телескопов. Поскольку объект в точке L2 способен длительное время сохранять свою ориентацию относительно Солнца и Земли, производить его экранирование и калибровку становится гораздо проще. Однако эта точка расположена немного дальше земной тени (в области полутени), так что солнечная радиация блокируется не полностью. В этой точке уже находятся аппараты американского и европейского космических агентств - WMAP, «Планк», «Гершель» и Gaia, а в 2018 должен присоединиться «Джеймс Уэбб».

Проект представляет собой международное сотрудничество 17 стран, во главе которых стоит NASA, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.

Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5» в 2018 году.

Модель ракеты в музее авиации и космоса, Франция

Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной (период истории Вселенной между 150 млн лет и 800 млн лет после Большого Взрыва) и что её вызвало.

Телескоп должен оказаться в состоянии обнаружить относительно небольшие планеты – в несколько раз больше Земли – что не может сделать «Хаббл». Кроме того, «Вебб» будет иметь более высокую чувствительность к атмосферам близких к Земле звезд. Телескоп сможет дать снимки крупным планом планет Солнечной системы, от Марса и далее. Большая яркость Венеры и Меркурия лежит за пределами оптики телескопа.

Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет (в два раза дальше, чем Сириус). В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м).

Изготовление оптической системы

Проблемы

Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далёких галактик. Простое изготовление зеркала подобного зеркалу телескопа «Хаббл», но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади.

Разработка и испытания

НАСА приступили к исследованию новых способов создания зеркала для телескопа. Для этого была создана программа Advanced Mirror System Demonstrator, по сути являющаяся 4-летним сотрудничеством между НАСА, Национальным управлением военно-космической разведки США и Военно-воздушными силами США. На основе исследований были построены и испытаны два тестовых зеркала. Одно из них было сделано из бериллия компанией Ball Aerospace & Technologies, другое - построено фирмой Kodak (ныне - ITT) из специального стекла.

Зеркало «Хаббла» (слева) и «Уэбба» (справа) в одном масштабе

Группа экспертов протестировала оба зеркала, чтобы определить, насколько хорошо они выполняют свою задачу, сколько стоят и насколько легко (или трудно) было бы построить полноразмерное, 6,5-метровое зеркало. Эксперты рекомендовали зеркало из бериллия для телескопа Джеймса Уэбба по нескольким причинам, одна из которых - бериллий сохраняет свою форму при криогенных температурах. На основе рекомендаций экспертов компания Northrop Grumman выбрала зеркало из бериллия, и Центр космических полётов Годдарда утвердил это решение.

Также было решено сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе Ариан-5. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов зеркала составляет 1,32 метра от грани до грани, а масса сегмента - 20 кг.

Шестиугольная форма сегментов была выбрана не случайно. Она обладает высоким коэффициентом заполнения и имеет симметрию шестого порядка. Высокий коэффициент заполнения означает, что сегменты подходят друг к другу без зазоров. Симметрия же хороша тем, что нужно только 3 разные оптические настройки для 18 сегментов, 6 сегментов на каждую. Наконец, желательно, чтобы зеркало имело форму близкую к круговой для максимально компактного фокусирования света на детекторах. Овальное зеркало, например, даст вытянутое изображение, а квадратное пошлёт много света из центральной области.

После запуска и сопутствующих ему вибраций массив зеркал должен быть развернут в то, что конструкторы называют «предварительным положением». Этот процесс предполагает освобождение каждого из 18 сегментов основного зеркала от пусковых захватов. Каждый сегмент имеет компьютерное управление положением с шестью степенями свободы, кроме того, компьютер управляет выдвижением/втягиванием центральной точки каждого зеркала для изменения радиуса кривизны поверхности. Каждое зеркало обладает своей системой приводов для осуществления этих движений. После того как положение зеркал будет разблокировано, приводы должны выровнять их положение по линии «фронта волны» с допуском в 20 нанометров (1/5000 толщины волоса).

Производство

Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия. Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.

Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.

Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.

По завершению обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6-29 мкм, и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах.

Оборудование

JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения состоит из камеры и спектрографа, которые «видят» свет в среднем диапазоне инфракрасного излучения 5-28 мкм.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона будет анализировать спектр источников, что позволит получать информацию как о физических свойствах исследуемых объектов, например, температуру и массу, так и о их химическом составе. NIRSpec способен делать спектроскопию среднего разрешения в диапазоне длин волн 1-5 мкм и низкого разрешения с длиной волны 0,6-5 мкм.

Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).

Если удастся удержать график постройки, то новый телескоп войдет в строй до прекращения работы космического телескопа «Хаббл». «Перспектива одновременной работы «Хаббла» и «Вебба» очень интересна, так как их возможности во многих отношениях дополняют друг друга», — говорит Джон Гарднер, Центр космических полетов имени Годдарда.

Интересный обзор фотографий собран на этом сайте!

Некоторая информация взята с сайта http://sci-lib.com

Уэбб будет вглядываться в ближний и средний инфракрасный спектр, чему поспособствует его положение в точке L2 за луной и солнечные щиты, которые блокируют навязчивый свет Солнца, Земли и Луны, благоприятно влияя на охлаждение аппарата. Ученые надеются увидеть самые первые звезды Вселенной, образование и столкновение юных галактик, рождение звезд в протопланетарных системах - в которых, возможно, содержатся химические компоненты жизни.

Эти первые звезды могут хранить ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически, где и как они формируются, напрямую связано с первыми моделями темной материи - невидимой таинственной субстации, которую обнаруживают по гравитационному воздействию - а их циклы жизни и смерти вызывают обратную связь, повлиявшую на формирование первых галактик. И поскольку сверхмассивные звезды с коротким периодом жизни примерно в 30-300 раз тяжелее нашего Солнца по массе (и в миллионы раз ярче), эти первые звезды могли бы взорваться в виде сверхновых, а после коллапсировать и образовать черные дыры, которые постепенно заняли центры большинства массивных галактик.

Видеть все это - безусловно, подвиг для инструментов, которые мы делали до сих пор. Благодаря новым инструментам, а также космическим аппаратам, мы сможем увидеть еще больше.

Экскурсия по космическому телескопу Джеймса Уэбба

Уэбб выглядит как ромбовидный плот, оснащенный толстой изогнутой мачтой и парусом - если бы его строили гигантские пчелы, питающиеся бериллием. Направленный нижней частью к Солнцу, снизу «плот» состоит из щита - слоев каптона, разделенных щелями. Каждый слой разделен вакуумной щелью для эффективного охлаждения, а вместе они защищают основной отражатель и инструменты.

Каптон - это очень тонкая (представьте человеческий волос) полимерная пленка производства DuPont, которая способна поддерживать стабильные механические свойства в условиях экстремального тепла и вибрации. Если вы захотите, вы сможете вскипятить воду на одной стороне щита и сохранить азот в жидком состоянии на другой. Складывается он тоже довольно хорошо, что важно для запуска.

Судовой «киль» состоит из структуры, которая хранит солнечный щит во время запуска и солнечные батареи для обеспечения питания аппарата. В центре находится короб, который содержит все важные функции поддержки, за счет которых работает Уэбб, включая электроэнергию, управление ориентацией, связь, командование, обработку данных и тепловой контроль. Антенна украшает внешний вид короба и помогает убедиться, что все ориентировано в нужном направлении. На одном из концов теплового щита, перпендикулярно к нему, находится триммер момента, который компенсирует давление, оказываемое фотонами на аппарат.

На космической стороне щита находится «парус», гигантское зеркало Уэбба, часть оптического оснащения и короб с оборудованием. 18 шестиугольных бериллиевых секций развернутся после запуска, чтобы стать одним большим главным зеркалом на 6,5 метра в поперечнике.

Напротив этого зеркала, удерживаемого на месте тремя опорами, находится вторичное зеркало, которое фокусирует свет от главного зеркала в кормовой оптической подсистеме, клиновидной коробке, выступающей из центра основного зеркала. Эта структура отклоняет рассеянный свет и направляет свет от вторичного зеркала к инструментам, размещенным в задней части «мачты», которая также поддерживает сегментированную структуру основного зеркала.

После того как аппарат завершит свой шестимесячный период ввода в эксплуатацию, он проработает 5-10 лет, а может, и больше, в зависимости от расхода топлива, однако его местоположение будет слишком далеко, чтобы его можно было починить. На самом деле, Хаббл и являются своего рода исключениями в этом плане. Но, как у Хаббла и других общих обсерваторий, миссией Уэбба будет работа с проектами ученых всего мира, отбираемых на конкурсной основе. Затем результаты будут находить свой путь в исследованиях и данных, доступных в Интернете.

Давайте внимательнее посмотрим на инструменты, которые делают все эти исследования возможными.

Инструменты: за пределами поля зрения

Хотя он и видит что-то в визуальном диапазоне (красного и золотого света), Уэбб является фундаментально большим инфракрасным телескопом.

Его основной тепловизор, камера ближнего инфракрасного спектра NIRCam, видит в диапазоне 0,6-5,0 микрон (ближний инфракрасный). Она сможет обнаружить инфракрасный свет рождения самых первых звезд и галактик, провести обследования близлежащих галактик и местных объектов, снующих через пояс Койпера - просторов ледяных тел, вращающихся за орбитой Нептуна, в которых также умещаются Плутон и другие карликовые планеты.

NIRCam также оснащена коронографом, который позволит камере наблюдать за тонким гало, окружающим яркие звезды, блокируя их ослепительный свет - необходимый инструмент для выявления экзопланет.

Ближний инфракрасный спектрограф работает в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam. Как и другие спектрографы, он анализирует физические свойства объектов типа звезд, разделяя излучаемый ими свет на спектры, структура которого меняется в зависимости от температуры, массы и химического состава объекта.

NIRSpec будет изучать тысячи древних галактик с таким слабым излучением, что одному спектрографу понадобятся сотни часов на эту работу. Чтобы упростить эту сложнейшую задачу, спектрограф оснащается замечательным устройством: сеткой из 62 000 отдельных жалюзи, каждое из которых размером примерно 100 на 200 микрон (шириной в несколько человеческих волос) и каждое из которых можно открывать и закрывать, блокируя свет более ярких звезд. Благодаря этому массиву, NIRSpec станет первым космическим спектрографом, который сможет наблюдать за сотней разных объектов одновременно.

Fine Guidance Sensor и бесщелевой спектрограф (FGS-NIRISS) - это, по сути, два сенсора, упакованных вместе. NIRISS включает в себя четыре режима, каждый из которых связан с разной длиной волн. Они варьируются от бесщелевой спектроскопии, которая создает спектр с помощью призмы и решетки под названием «гризма», что в сумме создает интерференционные картины, позволяющие выявить экзопланетарный свет на фоне света звезды.

FGS - это чувствительная и немигающая камера, которая делает навигационные снимки и передает их на системы ориентации, которые удерживают телескоп в правильном направлении.

Последний инструмент Уэбба расширяет ассортимент от ближнего инфракрасного до среднего инфракрасного спектра, что удобно для наблюдения за объектами с красным смещением, а также планетами, кометами, астероидами, нагретой солнцем пыли и протопланетарными дисками. Будучи камерой и спектрографом одновременно, этот инструмент MIRI покрывает широчайший диапазон длин волн, в 5-28 микрон. Его широкополосная камера сможет делать больше видов снимков, за которые мы любим Хаббл.

Также инфракрасные наблюдения имеют важные значения для понимания Вселенной. Пыль и газ могут блокировать видимый свет звезд в звездных яслях, но инфракрасный - нет. Более того, по мере расширения Вселенной и разбегания галактик, их свет «вытягивается» и становится красным смещением, уходя в длинноволновой спектр электромагнитных волн вроде инфракрасного. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем большее значение приобретает ее красное смещение - вот в чем ценность телескопа Уэбба.

Инфракрасный спектр также может предоставить большой объем информации об атмосферах экзопланет и о том, содержат ли они молекулярные компоненты, связанные с жизнью. На Земле мы называем водяной пар, метан и диоксид углерода «парниковыми газами», потому что они поглощают тепло. Поскольку эта тенденция справедлива везде, ученые могут использовать Уэбб для обнаружения знакомых веществ в атмосферах далеких миров, наблюдая за моделями поглощения веществ с помощью спектрографов.

Главные подрядчики Northrop Grumman
Ball Aerospace Волновой диапазон 0,6-28 мкм (части видимого и инфракрасного) Местонахождение точка Лагранжа L 2 системы Солнце - Земля (1,5 млн км от Земли в противоположную Солнцу сторону) Тип орбиты гало-орбита Дата запуска 30 Марта 2021 года Место запуска Куру Средство вывода на орбиту Ариан-5 или Ариан-6 Продолжительность 5-10 лет Дата схода с орбиты около 2024 Масса 6,2 тонны Тип телескопа телескоп-рефлектор системы Корша Диаметр около 6,5 м Площадь собирающей
поверхности около 25 м² Фокусное расстояние 131,4 м Научные инструменты

MIRI

прибор среднего инфракрасного диапазона

NIRCam

камера ближнего инфракрасного диапазона

NIRSpec

спектрограф ближнего инфракрасного диапазона

FGS/NIRISS

датчик точного наведения с устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом Сайт www.jwst.nasa.gov Медиафайлы на Викискладе

Первоначально назывался «Космический телескоп нового поколения» (англ. Next-generation space telescope, NGST ). В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1906-1992), возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах во время реализации программы Аполлон .

«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре с площадью собирающей поверхности 25 м² , скрытым от инфракрасного излучения со стороны Солнца и Земли тепловым экраном . Телескоп будет размещён на гало-орбите в точке Лагранжа L 2 системы Солнце - Земля.

Проект представляет собой результат международного сотрудничества 17 стран , во главе которых стоит NASA , со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.

Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5 » в марте 2021 года . В этом случае первые научные исследования начнутся осенью 2021 года. Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.

Задачи

Астрофизика

Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик , сформированных после Большого взрыва , изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной и что её вызвало .

Экзопланетология

Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет. В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и космического телескопа до 2025 года, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м ) . Для поиска экзопланет будут также использованы данные, которые получил телескоп «Кеплер» начиная с 2009 года. Однако возможностей телескопа будет недостаточно для получения изображений найденных экзопланет. Такая возможность появится не раньше середины 2030-х годов, когда будет запущен телескоп-наследник «Джеймса Уэбба» - ATLAST .

Водные миры Солнечной системы

Инфракрасные инструменты телескопа будут использованы для изучения водных миров Солнечной системы - спутника Юпитера Европы и спутника Сатурна Энцелада . Инструмент NIRSpec будет использован для поиска биосигнатур (метан, метанол, этан) в гейзерах обоих спутников .

Инструмент NIRCam сможет получить изображения Европы в высоком разрешении, которые будут использованы для изучения её поверхности и поиска регионов с гейзерами и высокой геологической активностью. Состав зафиксированных гейзеров будет проанализирован с помощью инструментов NIRSpec и MIRI. Данные, полученные в ходе этих исследований, будут также использованы при исследовании Европы зондом Europa Clipper .

Для Энцелада, ввиду его удаленности и малых размеров, получить изображения в высоком разрешении не удастся, однако возможности телескопа позволят провести анализ молекулярного состава его гейзеров.

История

Изменение планируемой даты запуска и бюджета

Год	Планируемая дата запуска	Планируемый бюджет (млрд долларов)
1997	2007	0,5
1998	2007	1
1999	2007-2008	1
2000	2009	1,8
2002	2010	2,5
2003	2011	2,5
2005	2013	3
2006	2014	4,5
2008	2014	5,1
2010	не раньше сентября 2015	≥6,5
2011	2018	8,7
2013	2018	8,8
2017	весна 2019	8,8
2018	не раньше марта 2020	≥8,8
2018	30 марта 2021	9,66

Изначально запуск намечался на 2007 год, в дальнейшем переносился несколько раз (см. таблицу). Первый сегмент зеркала был установлен на телескоп лишь в конце 2015 года, а полностью главное составное зеркало было собрано только в феврале 2016 года. По данным на весну 2018 года, планируемая дата запуска была сдвинута на 30 марта 2021 года .

Финансирование

Стоимость проекта тоже неоднократно увеличивалась. В июне 2011 года стало известно, что стоимость телескопа превысила изначальные расчёты по меньшей мере в четыре раза. В бюджете НАСА, предложенном в июле 2011 года конгрессом, предполагалось прекращение финансирования строительства телескопа из-за плохого управления и превышения бюджета программы , но в сентябре того же года бюджет был пересмотрен, и проект сохранил финансирование . Окончательное решение о продолжении финансирования было принято сенатом 1 ноября 2011 года.

В 2013 году на постройку телескопа было выделено 626,7 млн долларов .

К весне 2018 года стоимость проекта возросла до 9,66 млрд долларов .

Изготовление оптической системы

Проблемы

Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра , чтобы измерить свет от самых далёких галактик . Простое изготовление зеркала, подобного зеркалу телескопа «Хаббл », но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл » на единицу площади .

Разработка и испытания

Производство

Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия . Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.

Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы, близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.

По завершении обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6-29 мкм , и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах .

Тестирование

10 июля 2017 года - начало финального криогенного теста телескопа при температуре 37 в космическом центре имени Джонсона в Хьюстоне , который продлился 100 дней .

Помимо испытаний в Хьюстоне аппарат прошел серию механических проверок в центре космических полётов Годдарда, которые показали, что он сможет выдержать запуск с помощью тяжелой ракеты-носителя.

В начале февраля 2018 года гигантские зеркала и различные приборы доставлены на предприятие компании Northrop Grumman в Редондо-Бич для последнего этапа сборки телескопа. Там уже идет сооружение двигательного модуля телескопа и его солнцезащитного экрана. Когда вся конструкция будет собрана, её отправят на морском судне из Калифорнии во французскую Гвиану .

Оборудование

JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

Камера ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Camera );
Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (англ. Mid-Infrared Instrument, MIRI );
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec );
Датчик точного наведения (англ. Fine Guidance Sensor, FGS ) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (англ. Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS ).

Камера ближнего инфракрасного диапазона

Камера ближнего инфракрасного диапазона является основным блоком формирования изображения «Уэбба» и будет состоять из массива ртутно-кадмиево-теллуровых детекторов . Рабочий диапазон прибора составляет от 0,6 до 5 мкм . Его разработка поручена Аризонскому университету и Центру продвинутых технологий компании Lockheed Martin .

В задачи прибора входят:

обнаружение света от самых ранних звёзд и галактик на стадии их формирования;
изучение звёздных населений в ближайших галактиках ;
изучение молодых звёзд Млечного Пути и объектов пояса Койпера ;
определение морфологии и цвета галактик при сильном красном смещении ;
определение кривых блеска дальних сверхновых ;
создание карты тёмной материи с помощью гравитационного линзирования .

Многие объекты, которые «Уэбб» будет изучать, излучают настолько мало света, что телескопу для анализа спектра необходимо собирать свет от них в течение сотен часов. Чтобы изучить тысячи галактик за 5 лет работы телескопа, спектрограф был разработан с возможностью наблюдения за 100 объектами на площади неба 3×3 угловых минуты одновременно. Для этого учёные и инженеры Годдарда разработали новую технологию микрозатворов для управления светом, входящим в спектрограф .

Суть технологии, позволяющей получать 100 одновременных спектров, заключается в микроэлектромеханической системе, именуемой «массив микрозатворов» (англ. microshutter array ). У ячеек микрозатворов спектрографа NIRSpec есть крышки, которые открываются и закрываются под действием магнитного поля. Каждая ячейка размером 100 на 200 мкм индивидуально управляется и может быть открытой или закрытой, предоставляя или, наоборот, блокируя часть неба для спектрографа , соответственно.

Именно эта регулируемость позволяет прибору делать спектроскопию такого количества объектов одновременно. Поскольку объекты, которые будет исследовать NIRSpec , находятся далеко и тусклы, инструмент нуждается в подавлении излучения от более близких ярких источников. Микрозатворы работают подобно тому, как люди смотрят искоса, чтобы сосредоточиться на объекте, блокируя нежелательный источник света.

Прибор уже разработан и в данный момент проходит испытания в Европе .

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения

Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (5 -28 мкм ) состоит из камеры с датчиком, имеющим разрешение 1024×1024 пикселя , и спектрографа .

MIRI состоит из трёх массивов мышьяко -кремниевых детекторов. Чувствительные детекторы этого прибора позволят увидеть красное смещение далёких галактик , формирование новых звёзд и слабо видимые кометы , а также объекты в поясе Койпера . Модуль камеры предоставляет возможность съёмки объектов в широком диапазоне частот с большим полем зрения, а модуль спектрографа обеспечивает спектроскопию среднего разрешения с меньшим полем зрения, что позволит получать подробные физические данные об удалённых объектах.

Номинальная рабочая температура для MIRI - 7 . Такая температура не может быть достигнута использованием только пассивной системы охлаждения. Вместо этого, охлаждение производится в два этапа: установка предварительного охлаждения на основе пульсационной трубы охлаждает прибор до 18 К , затем теплообменник с адиабатическим дросселированием (эффект Джоуля - Томсона) понижает температуру до 7 К .

MIRI разрабатывает группа под названием MIRI Consortium, состоящая из ученых и инженеров из стран Европы, команды сотрудников Лаборатории реактивного движения в Калифорнии и учёных из ряда институтов США .

FGS/NIRISS

Датчик точного наведения (FGS ) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS ) будут упакованы вместе в «Уэббе», но по сути это два разных устройства . Оба устройства разрабатываются Канадским космическим агентством , и они уже получили прозвище «канадские глаза» по аналогии с «канадской рукой ». Этот инструмент уже прошел интегрирование со структурой ISIM в феврале 2013 года.

Датчик точного наведения

Датчик точного наведения (FGS ) позволит «Уэббу» производить точное наведение, чтобы он мог получать изображения высокого качества.

Камера FGS может формировать изображение из двух смежных участков неба размером 2,4×2,4 угловых минуты каждый, а также считывать информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8, чего достаточно для нахождения соответствующей опорной звезды с 95-процентной вероятностью в любой точке неба, включая высокие широты.

Основные функции FGS включают в себя:

получение изображения для определения положения телескопа в пространстве;
получение предварительно выбранных опорных звёзд;
обеспечение системы управления положением англ. Attitude Control System измерениями центроида опорных звёзд со скоростью 16 раз в секунду.

Во время вывода на орбиту телескопа FGS также будет сообщать об отклонениях при развёртывании главного зеркала.

Устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф

Устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS ) работают в диапазоне 0,8 -5,0 мкм и является специализированным инструментом с тремя основными режимами, каждый из которых работает с отдельным диапазоном.

NIRISS будет использоваться для выполнения следующих научных задач:

получение «первого света »;
обнаружение экзопланет ;
получение их характеристик;
транзитная спектроскопия.

См. также

Примечания

Сноски

Jim Bridenstine on Twitter: "The James Webb Space Telescope will produce first of its kind, world-class science. Based on recommendations by an Independent Review Board, the n...
With further delays, Webb telescope at risk of seeing its rocket retired | Ars Technica
https://www.ama-science.org/proceedings/details/368
NASA Completes Webb Telescope Review, Commits to Launch in Early 2021 (англ.) . NASA (27 June 2018). Дата обращения 28 июня 2018.
Icy Moons, Galaxy Clusters, and Distant Worlds Among Selected Targets for James Webb Space Telescope (неопр.) (15 июня 2017).
https://nplus1.ru/news/2017/06/16/webb-telescope (неопр.) (16 июня 2017).
Webb Science: The End of the Dark Ages: First Light and Reionization (неопр.) . НАСА . Дата обращения 18 марта 2013. Архивировано 21 марта 2013 года.
Щепотка бесконечности (неопр.) (25 марта 2013). Архивировано 4 апреля 2013 года.
«Кеплер» нашел десять новых возможных двойников Земли (неопр.) (19 июня 2017).
NASA’s Webb Telescope Will Study Our Solar System’s “Ocean Worlds” (неопр.) (24 августа 2017).
Berardelli, Phil . Next Generation Space Telescope will peer back to the beginning of time and space , CBS (27 октября 1997).
The Next Generation Space Telescope (NGST) (неопр.) . University of Toronto (27 ноября 1998).
Reichhardt, Tony. US astronomy: Is the next big thing too big? (англ.) // Nature. - 2006. - March (vol. 440 , no. 7081 ). - P. 140-143 . - DOI :10.1038/440140a . - Bibcode : 2006Natur.440..140R .
Cosmic Ray Rejection with NGST (неопр.) .
MIRI spectrometer for NGST (неопр.) (недоступная ссылка) . Архивировано 27 сентября 2011 года.
NGST Weekly Missive (неопр.) (25 апреля 2002).
NASA Modifies James Webb Space Telescope Contract (неопр.) (12 ноября 2003).

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption С октября прошлого года научные приборы телескопа проходят испытания в вакуумной камере Центра Годдарда

Работа по подготовке к запуску преемника орбитального телескопа "Хаббл" - космической обсерватории "Джеймс Уэбб" - вступила в решающий этап.

Инженеры НАСА заканчивают сборку основного зеркала нового телескопа. Запуск нового телескопа планируется теперь на октябрь 2018 года.

Завершаются также криогенные испытания и калибровка четырех основных блоков научной аппаратуры телескопа.

Проект НАСА по запуску новой орбитальной обсерватории вступил таким образом в финальную стадию, и в ближайшие месяцы можно ожидать быстрого завершения остающихся этапов подготовки к старту.

Телескоп планируется запустить с помощью европейской ракеты-носителя "Ариан-5", что определило многие особенности конструкции телескопа, в частности, тот факт, что главное его зеркало состоит из сегментов.

Орбитальный телескоп "Джеймс Уэбб", названный так по имени второго руководителя NASA, финансируется американским аэрокосмическим агентством, Европейским космическим агентством и Канадским космическим агентством.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Каждый изготовленный из бериллия сегмент зеркала приклеивается на место

Первичными задачами нового телескопа являются обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также "Уэбб" сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной и что её вызвало.

В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря новому телескопу ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии - возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет, что будет являться недостижимым показателем для любого наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Два последних сегмента главного зеркала ожидают установки

Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.

В последние недели инженеры НАСА были заняты приклеиванием сегментов главного зеркала, изготовленных из бериллия, к несущей конструкции зеркала.

В ближайшие несколько дней последние два восьмиугольных сегмента будут установлены в нужное для закрепления положение.

Тем временем в соседнем помещении центра имени Годдарда в штате Мэриленд рядом с цехом сборки завершаются криогенно-вакуумные испытания научной аппаратуры будущего телескопа.

"Джеймс Уэбб" будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:

Камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera);
Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения (Mid-Infrared Instrument);
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph);
Датчик точного наведения c устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом (Fine Guidance Sensor/Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph).

Начиная с октября прошлого года, эти приборы находились в вакуумной камере, температура в которой была снижена до минус 233 градусов Цельсия.

Правообладатель иллюстрации NASA Image caption В Центре Джонсона уже проводятся макетные испытания

Уже получены данные калибровки приборов, которые будут иметь огромное значение для управления телескопом в глубоком космосе.

Эти испытания помогли выявить ряд дефектов и заменить ненадежное оборудование и детали. В телескопе имеется 250 тысяч крышек и затворов, часть которых имеют неприятный дефект "залипания" в вакууме под воздействием вибраций при запуске с Земли.

Вибрация ракеты-носителя была симулирована в ходе нынешних испытаний, и замененные детали доказали свою повышенную надежность.

Остается провести более общие оптические, вибрационные и акустические испытания всех систем телескопа.

Затем зеркало и научные приборы будут доставлены в Центр имени Джонсона для дальнейших криогенно-вакуумных испытаний в камере, которая была построена в 1960-е годы для испытаний ракетной техники проекта "Аполлон". Эти испытания начнутся примерно через год.

После их завершения к телескопу будет присоединен модуль систем управления, в котором будут установлены бортовые компьютеры и системы связи.

В последнюю очередь на телескоп будет установлен гигантский солнечный щит размером с теннисный корт, который защитит оптические системы от воздействия солнечных лучей.

До октября 2018 года осталось ждать не так уж долго.

С каждым дополнительным сантиметром апертуры, каждой дополнительной секундой времени наблюдения и каждым дополнительным атомом атмосферных помех, удаленным из поля обзора телескопа, лучше, глубже и понятнее можно будет увидеть Вселенную.

25 лет «Хабблу»

Когда телескоп «Хаббл» начал функционировать в 1990 году, он открыл новую эру в астрономии - космическую. Не нужно было больше бороться с атмосферой, беспокоиться об облаках или электромагнитных мерцаниях. Все, что требовалось, - это развернуть спутник на цель, стабилизировать его и собирать фотоны. За 25 лет космические телескопы начали охватывать весь электромагнитный спектр, что позволило впервые рассмотреть Вселенную на каждой длине волны света.

Но поскольку наше знание увеличилось, выросло и наше понимание неизвестного. Чем дальше мы заглядываем во Вселенную, тем более глубокое прошлое мы видим: конечное количество времени с момента Большого взрыва в сочетании с конечной скоростью света обеспечивает предел того, что мы можем наблюдать. Более того, расширение самого пространства работает против нас, растягивая звезд, пока он путешествует по Вселенной к нашим глазам. Даже космический телескоп «Хаббл», дающий нам самое глубокое, самое захватывающее изображение Вселенной, которое мы когда-либо открывали, в этом отношении ограничен.

Недостатки «Хаббла»

«Хаббл» - удивительный телескоп, но он имеет ряд принципиальных ограничений:

Всего 2,4 м в диаметре, что ограничивает его
Несмотря на покрытие светоотражающими материалами, он постоянно находится под прямыми солнечными лучами, которые его нагревают. Это значит, что из-за тепловых эффектов он не может наблюдать длину волны света более 1,6 мкм.
Сочетание ограниченной светосилы и длин волн, к которым он чувствителен, означает, что телескоп может видеть галактики возрастом не старше 500 млн лет.

Эти галактики прекрасны, далеки и существовали тогда, когда Вселенной было всего около 4% от ее нынешнего возраста. Но известно, что звезды и галактики существовали еще раньше.

Чтобы увидеть должен обладать более высокой чувствительностью. Это означает переход на более длинные волны и более низкие температуры, чем у «Хаббла». Именно поэтому и создается космический телескоп Джеймса Вебба.

Перспективы для науки

James Webb Space Telescope (JWST) предназначен для преодоления именно этих ограничений: с диаметром 6,5 м телескоп позволяет собирать в 7 раз больше света, чем "Хаббл". Он открывает возможность ультра-спектроскопии высокого разрешения от 600 нм до 6 мкм (в 4 раза больше длины волны, которую способен увидеть "Хаббл"), проводить наблюдения в средней инфракрасной области спектра с более высокой чувствительностью, чем когда-либо прежде. JWST использует пассивное охлаждение до температуры поверхности Плутона и способен активно охлаждать приборы средней инфракрасной области вплоть до 7 K. Телескоп Джеймса Вебба даст возможность заниматься наукой так, как никто раньше этого не делал.

Он позволит:

наблюдать самые ранние галактики, когда-либо сформировавшиеся;
видеть сквозь нейтральный газ и зондировать первые звезды и реионизацию Вселенной;
проводить спектроскопический анализ самых первых звезд (населения III), образовавшихся после Большого взрыва;
получить удивительные сюрпризы, подобные открытию самых ранних и квазаров во Вселенной.

Уровень научных исследований JWST не похож ни на что в прошлом, и поэтому телескоп был избран в качестве флагманской миссии НАСА 2010-х годов.

Научный шедевр

С технической точки зрения, новый телескоп Джеймса Вебба представляет собой настоящее произведение искусства. Проект прошел долгий путь: были перерасходы бюджета, отставания от графика и опасность отмены проекта. После вмешательства нового руководства все изменилось. Проект вдруг заработал как часы, были выделены средства, учтены ошибки, неудачи и проблемы, и команда JWST стала укладываться во все сроки, графики и бюджетные рамки. Запуск аппарата запланирован на октябрь 2018 года на ракете «Ариан-5». Команда не только следует расписанию, у нее есть девять месяцев в запасе, чтобы учесть все непредвиденные ситуации, чтобы все было собрано и готово к этой дате.

Телескоп Джеймса Вебба состоит из 4 основных частей.

Оптический блок

Включает все зеркала, из которых наиболее эффективны восемнадцать первичных сегментированных позолоченных зеркала. Они будут использоваться для сбора далекого звездного света и фокусирования его на инструментах для анализа. Все эти зеркала в настоящее время готовы и безупречны, сделаны точно по расписанию. По окончании сборки они будут сложены в компактную конструкцию, чтобы быть запущенными на расстояние более 1 млн км от Земли до точки Лагранжа L2, а затем автоматически развернуться с образованием сотовой структуры, которая долгие годы будет собирать сверхдальний свет. Это действительно красивая вещь и успешный результат титанических усилий многих специалистов.

Камера ближнего инфракрасного диапазона

«Вебб» оборудован четырьмя научными инструментами, которые уже готовы на 100%. Основной камерой телескопа является камера ближнего ИК-диапазона: от видимого оранжевого света до глубокой инфракрасной области. Она позволит получить беспрецедентные изображения самых ранних звезд, самых молодых галактик, находящихся еще в процессе формирования, молодых звезд Млечного Пути и близлежащих галактик, сотен новых объектов в поясе Койпера. Она оптимизирована для непосредственного получения изображений планет вокруг других звезд. Это будет основная камера, используемая большинством наблюдателей.

Ближний инфракрасный спектрограф

Данный инструмент не только разделяет свет на отдельные длины волн, но способен это делать для более 100 отдельных объектов одновременно! Этот прибор будет универсальным спектрографом «Вебба», который способен работать в 3-х различных режимах спектроскопии. Он был построен но многие компоненты, включая детекторы и батарея мульти-затвора, предоставлены Центром космических полетов им. Годдарда (НАСА). Этот прибор был протестирован и готов к установке.

Средне-инфракрасный инструмент

Прибор будет использоваться для широкополосной визуализации, то есть с его помощью будут получены наиболее впечатляющие изображения со всех инструментов «Вебба». С научной точки зрения, он будет наиболее полезным при измерении протопланетных дисков вокруг молодых звезд, измерении и визуализации с беспрецедентной точностью объектов пояса Койпера и пыли, разогретой светом звезд. Он будет единственным инструментом с криогенным охлаждением до 7 К. По сравнению с космическим телескопом Spitzer, это позволит улучшить результаты в 100 раз.

Бесщелевой спектрограф ближнего ИК-диапазона (NIRISS)

Прибор позволит производить:

широкоугольную спектроскопию в ближней инфракрасной области длин волн (1,0 - 2,5 мкм);
гризм-спектроскопию одного объекта в видимом и инфракрасном диапазоне (0,6 - 3,0 мкм);
апертурно-маскирующую интерферометрию на длинах волн 3,8 - 4,8 мкм (где ожидаются первые звезды и галактики);
широкодиапазонную съемку всего поля зрения.

Этот инструмент создан Канадским космическим агентством. После прохождения криогенного тестирования он также будет готов к интеграции в приборный отсек телескопа.

Солнцезащитное устройство

Космические телескопы ими еще не оборудовались. Одной из самых пугающих сторон каждого запуска является применение совершенно нового материала. Вместо того, чтобы охлаждать весь космический аппарат активно с помощью одноразового расходуемого хладагента, телескоп Джеймса Вебба использует совершенно новую технологию - 5-слойный солнцезащитный экран, который будет развернут для отражения солнечного излучения от телескопа. Пять 25-метровых листов будут соединены титановыми стержнями и установлены после развертывания телескопа. Защита тестировалась в 2008 и 2009 годах. Полномасштабные модели, участвовавшие в лабораторных испытаниях, выполнили все, что они должны были сделать, здесь на Земле. Это красивая инновация.

К тому же это еще и невероятная концепция: не просто блокировать свет от Солнца и поместить телескоп в тени, а сделать это таким образом, чтобы все тепло излучалось в направлении, противоположном ориентации телескопа. Каждый из пяти слоев в вакууме космоса будет становится холодным по мере удаления от наружного, который будет немного теплее, чем температура поверхности Земли - около 350-360 K. Температура последнего слоя должна опуститься до 37-40 К, что холоднее, чем ночью на поверхности Плутона.

Кроме того, предприняты значительные меры предосторожности для защиты от неблагоприятной среды глубокого космоса. Одной из вещей, о которых здесь следует беспокоиться, являются крошечные камешки, размером с гальку, песчинки, пылинки и еще меньше, пролетающие через межпланетное пространство со скоростью десятков или даже сотен тысяч км/ч. Эти микрометеориты способны проделывать крошечные, микроскопические отверстия во всем, с чем они сталкиваются: космических аппаратах, костюмах космонавтов, зеркалах телескопов и многом другом. Если зеркала получат только вмятины или отверстия, что слегка уменьшит количество доступного «хорошего света», то солнечный щит может порваться от края до края, что сделает весь слой бесполезным. Для борьбы с этим явлением была использована блестящая идея.

Весь солнечный щит был разделен на участки таким образом, что, если возникнет небольшой разрыв в одном, двух или даже трех из них, слой не порвется дальше, как трещина в лобовом стекле автомобиля. Секционирование сохранит всю структуру целой, что важно для предотвращения деградации.

Космический аппарат: системы сборки и управления

Это самый обычный компонент, так как есть у всех космических телескопов и научных миссий. У JWST он уникален, но также полностью готов. Все, что осталось сделать генеральному подрядчику проекта компании Northrop Grumman, - закончить щит, собрать телескоп и проверить его. Аппарат будет готов к запуску через 2 года.

10 лет открытий

Если все пойдет правильно, человечество окажется на пороге больших научных открытий. Завеса нейтрального газа, которая до сих пор заслоняла обзор самых ранних звезд и галактик, будет устранена инфракрасными возможностями «Вебба» и его огромной светосилой. Это будет самый большой, самый чувствительный телескоп с огромным диапазоном длин волн от 0,6 до 28 микрон (человеческий глаз видит от 0,4 до 0,7 мкм) из когда-либо построенных. Ожидается, что он обеспечит десятилетие наблюдений.

Согласно НАСА, срок миссии «Вебба» составит от 5,5 до 10 лет. Он ограничен количеством топлива, которое необходимо для поддержания орбиты, и сроком службы электроники и оборудования в суровых условиях космоса. Орбитальный телескоп Джеймса Вебба будет нести запас топлива на весь 10-летний срок, а через 6 месяцев после запуска будет произведено тестирование обеспечения полета, которое гарантирует 5 лет научных работ.

Что может пойти не так?

Основным ограничивающим фактором является количество топлива на борту. Когда оно закончится, спутник будет дрейфовать в сторону от L2, выйдя на хаотическую орбиту в непосредственной близости от Земли.

Коме этого, могут произойти и другие неприятности:

деградация зеркал, которая повлияет на количество собираемого света и создаст артефакты изображения, но не повредит дальнейшей эксплуатации телескопа;
выход из строя части или всего солнечного экрана, что приведет к повышению температуры космического аппарата и сузит используемый диапазон длин волн до очень близкой инфракрасной области (2-3 мкм);
поломка системы охлаждения инструмента среднего ИК-диапазона, что сделает его непригодным для использования, но не повлияет на другие инструменты (от 0,6 до 6 мкм).

Наиболее тяжелое испытание, которое ожидает телескоп Джеймса Вебба, - запуск и выведение на заданную орбиту. Именно эти ситуации тестировались и были успешно пройдены.

Революция в науке

Если телескоп Вебба заработает в штатном режиме, топлива хватит, чтобы обеспечить его работу с 2018 по 2028 год. Кроме того, существует потенциальная возможность дозаправки, которая могла бы увеличить срок службы телескопа еще на одно десятилетие. Подобно тому, как «Хаббл» эксплуатировался в течение 25 лет, JWST мог бы обеспечить поколение революционной науки. В октябре 2018 года ракета-носитель «Ариан-5» выведет на орбиту будущее астрономии, которое после более 10 лет напряженной работы уже готово начать приносить плоды. Будущее космических телескопов почти наступило.