Испытания будущего телескопа "Джеймс Уэбб": решающий этап. Обзор новых больших телескопов
Телескоп «Джеймс Уэбб»
Космические телескопы всегда будут на острие познания космоса - им не мешает ни с ее искажениями и облачностью, ни вибрации и шумы на поверхности планеты. Именно внеземные устройства позволили получить детальные и красивые фотографии отдаленных туманностей и галактик, которые даже не видны человеческому глазу на ночном небе. Однако в 2018 году начнется новая эпоха в изучении космоса, которая отодвинет дальше видимые границы Вселенной - будет запущен космический телескоп «Джеймс Уэбб», рекордсмен индустрии. Причем рекорды от бьет не только по характеристикам: стоимость проекта на сегодняшний день достигает 8,8 миллиарда долларов.
Прежде чем говорить об устройстве и функционале «Джеймса Уэбба», стоить разобраться, для чего он нужен. Казалось бы, изучению Вселенной мешает всего-то одна атмосфера Земли, и можно попросту доставить телескоп с прикрученной к нему камерой на орбиту и радоваться жизни. Но при этом «Джеймса Уэбба» разрабатывают уже больше десятка лет, а итоговый бюджет еще на стадии раннего проецирования превысил стоимость его предшественника, ! Следовательно, орбитальный телескоп - это нечто более сложное, чем любительская подзорная труба на треноге, и его открытия будут в сотни раз ценнее. Но что такого особенного можно исследовать телескопом, тем более космическим?
Подняв голову к небу, каждый может увидеть звезды. Но изучение отдаленных на миллиарды километров объектов - достаточно сложная задача. Свет звезд и галактик, который движется миллионами, а то и миллиардами лет, претерпевает значительные изменения - а то и вовсе не доходит до нас. Так, пылевые облака, которые часто распространены в галактиках, способны полностью поглотить все видимое излучение звезды. Еще непрестанное расширение Вселенной приводит к света - его волны стают длиннее, изменяя диапазон в сторону красного, или же невидимого инфракрасного. А сияние даже самых больших объектов, пролетев расстояние в миллиарды световых лет, становится подобно свету карманного фонарика среди сотен прожекторов - для обнаружения сверхотдаленных галактик требуются приборы невиданной чувствительности.
Основной задачей телескопа является обнаружение света первых звезд и галактик, сформированных после Большого взрыва. Именно с этой целью NASA в сотрудничестве с Европейским и Канадским космическими агентствами ведет работы по скорому запуску «Джеймса Уэбба» на орбиту.
Представляем вашему вниманию 10 интересных фактов об этом телескопе нового поколения:
1. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба – самая большая в мире орбитальная инфракрасная обсерватория, которая должна заменить телескоп «Хаббл». Вслед за своим предшественником «Джеймс Уэбб» продолжит изучение формирования и развития галактик, звезд, планетных систем и происхождения жизни.
2. Телескоп назван в честь второго руководителя NASA Джеймса Уэбба, возглавлявшего агентство в период с 1961 по 1968 годы.
3. «Джеймс Уэбб» может похвастаться не только своими исполинскими размерами (высотой с трехэтажный дом и длиной с теннисный корт), но и своей мощностью. В NASA заявляют, что в этом компоненте он в сто раз обходит «Хаббл»!
4. Телескоп нового поколения настолько большой, что его будут вынуждены сложить как оригами, чтобы уместить в ракету, ширина которой составляет 5,4 метра. После того, как «Джеймс Уэбб» достигнет пункта назначения, его сегменты будут раскрыты один за другим.
5. «Джеймс Уэбб» будет вести наблюдения в инфракрасном диапазоне с беспрецедентной чувствительностью. Это позволит ему увидеть первые галактики, сформировавшиеся после Большого взрыва свыше 13,5 миллиардов лет назад.
6. Инфракрасные камеры телескопа настолько чувствительные, что они должны быть защищены от света Солнца, Земли и Луны.
7. «Джеймс Уэбб» будет размещен на гало-орбите в точке Лагранжа L 2 системы Солнце-Земля, где он будет работать при температурах ниже –235°C.
8. 18 гексагональных зеркал телескопа общим диаметром 6,5 метра покрыты тонким слоем золота для оптимизации их отражательной способности в инфракрасном диапазоне.
9. По плану запуск «Джеймса Уэбба» состоится в 2018 году с космодрома Куру во Французской Гвиане. Предположительно телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5».
10. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба – международный проект, во главе которого стоят NASA, ESA и CSA. После ввода в эксплуатацию ученые со всего мира будут иметь возможность использовать телескоп для изучения нашей Солнечной системы, планет за ее пределами, а также звезд и галактик.
Сейчас с помощью телескопа «Кеплер» мы может иметь хотя бы представление о том, что большая часть звёзд имеет планеты, которые вращаются вокруг них. Если верить подсчетам астрономов, то в принципе во Вселенной имеется около 50 секстиллионов планет, которые могут быть обитаемыми. Впереди нам предстоит сделать очень серьёзный шаг - готовится запуск телескопа, который по утверждению научного сообщества сегодня самый высокотехнологичный. Учёные заявляют, что он способен практически со стопроцентной вероятностью дать ответ на вопрос, какова численность планет, на которых присутствует жизнь на данный момент.
К сожалению, в этом году «Кеплер» сломался. Но когда он был в рабочем состоянии, можно было не только определять звезды, а также планеты, которые вокруг них вращаются, но и расстояние между звездой и планетой, размеры этих планет. Теперь планируется на его замену представить новый телескоп NASA TESS, который ожидают к 2017 году. «Кеплер» имел такие мощности, что можно было сфокусировать его взор в такую область космоса, которая насчитывает примерно 145 тысяч звёзд. У нового космического телескопа TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) мощность выше в несколько раз, что позволит исследовать пространство, которое насчитывает примерно 500 тысяч звёзд, а также 1000 находящийся вблизи красных карликов. Практически все учёные имеют уверенность в том, что данный телескоп сможет обнаружить вокруг этих пятисот тысяч звёзд тысячи планет, условия которых похожи на нашу Землю.
Конечно, проводить поиски потенциально обитаемых планет и находить их очень увлекательное и к тому полезное занятие, но даже TESS не сможет найти такую планету, на которой в действительности присутствует жизнь, для этого нужна «тяжёлая артиллерия». Нам понадобится телескоп Джеймса Вебба (JWST), который сегодня является самым сверхвысокотехнологичным, он должен прийти на замену «Хаббл», другой орбитальной лаборатории.
Телескоп (JWST) ни что иное как проект европейского, канадского и американского космических агентств, которые планируют его запуск на 2018 год. Основное зеркало телескопа является самым грандиозным, так как оно больше в пять раз, чем такое же зеркало телескопа «Хаббл». Имея в арсенале такое зеркало JWST в состоянии принимать сигналы от наиболее удаленных звезд, а также других объектов, к тому же эти сигналы могут быть существенно слабее. Так появляется возможность узнать о таких объектах, про существование которых мы пока даже не подозреваем. У JWST есть еще одно преимущество - способность работы в инфракрасном спектре («Хаббл» же работает только в оптическом диапазоне), что позволяет не беспокоиться насчёт пылевых облаков. Теперь для нового телескопа они не страшны, а значит, то, что они раньше могли скрывать, станет доступным для изучения, а это может быть очень интересным. Все мы и научное сообщество вместе взятые будем поражены детальностью и красотой изображений, которые телескоп будет доставлять нам на Землю.
Всё-таки нужно вернуться к основной теме сегодняшней беседы, а именно поиску внеземной жизни. Телескоп JWST в бортовой электронике такой спектрометр, который благодаря своей мощности может проводить анализ атмосферы самых отдалённых планет. Если не вдаваться в научные детали, можно сказать так: спектрометр обладает настолько высокой мощностью, которая позволяет телескопу определять не только каждый элемент атмосферы, но и остаточные элементы, которые могут отражать свет. К примеру, в случае обнаружения на планете концентрации кислорода и метана, которые являются признаками наличия биологической жизни, такие элементы станут абсорбировать лишь особые частоты света, при этом отражая другие. Тогда JWST сразу заметит такое отражение и на основе этих данных отражения сможет сказать, какие именно элементы присутствуют в атмосфере этой планеты.
Однако телескоп Джеймса Вебба имеет и некоторые ограничения, в основном из-за низкой силы отражаемого света от планет, ведь они находятся во многих световых годах от Земли. Поэтому JWST сможет изучать лишь планеты относительно больших размеров, которые сейчас вращаются вокруг так называемых белых и красных карликов. Хоть и есть такие ограничения, все равно данный телескоп даёт нам возможность в ближайшем будущем найти хоть какие-то признаки жизни в иных мирах.
Также имеется интересная разработка, которая финансируется аэрокосмическим агентством NASA, она, вероятно, придет в помощь JWST. Обычно звезды, вокруг которых вращаются планеты, в миллиарды раз ярче этих планет. А такой избыточный свет вполне может не только затруднить наблюдение за такими планетами, но и не дать их обнаружить. Чтобы избежать подобных ситуаций был придуман специальный проект New Worlds Mission, суть которого в том, что астрономы планируют применить для решения данного вопроса специальный купол, который будет работать по принципу зонта. Планируется расположить аппарат между телескопом и звездой, которая изучается, он должен раскрываться и блокировать весь лишний свет, источаемый звездой. У аппарата уже имеется название - Starshade, хотя он пока ещё находится в стадии прототипа. Если NASA получит финансирование к 2015 году, то планируется запуск этого аппарата в то же время когда и запуск телескопа JWST.
По большому счёту до 2020 года времени не так уж и много. Конечно, нельзя точно сказать, сколько предстоит проанализировать различных планет, а также их атмосфер телескопу JWST, но предположить можно, что эта цифра будет не в десятках, а скорее всего в миллионах планет. Зато предельно ясно то, что в случае обнаружения на отдаленных планетах метана или другого маркера наличия там жизни, наши представления о Вселенной и её жизненных формах будут полностью перевёрнуты.
Последний «рекордсмен» среди оптических телескопов заработал в 2008 году, правда крупнейшая радиоастрономическая обсерватория ALMA или Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решётка) вступила в строй совсем недавно - в марте 2013 года. Но мы сейчас находимся на пороге множества новых открытий - в ближайшие десять лет планируется ввести в строй множество новых, крупнейших в своих областях телескопов. Об этих телескопах я и расскажу далее.
Слева направо - Квадратная километровая решётка, Телескоп с пятисот метровой апертурой, Чрезвычайно большой телескоп, Тридцатиметровый телескоп, Гигансткий Магелланов телескоп и космический телескоп «Джеймс Уэбб».
Оптические телескопы
Ближайшим телескопом, превосходящим возможности современных инструментов станет «Джеймс Уэбб» или JWST (James Webb Space Telescope), который планируется запустить в октябре 2018 года:
Он будет иметь диаметр главного зеркала 6,5 метра и превосходить телескоп «Хаббл» по этому параметру в 2,7 раза. Правда хоть он и предполагается, как замена «Хаббла» - он будет работать в инфракрасном диапазоне, и по этому его скорее стоит сравнивать с космическим телескопом «Гершель», относительно которого, разница не столь велика - примерно 1,9 раза. Приёмники инфракрасного излучения позволяют ему фиксировать экзопланеты с температурой, близкую к Земной. Он так же сможет значительно продвинуться в изучении очень далеких от нас объектов:
Для обеспечения хороших условий наблюдений телескоп будет отправлен в точку Лагранжа L2, а для дополнительного охлаждения будет использоваться пять последовательно расположенных экранов из полиамидной плёнки, покрытых с разных сторон алюминием и кремнием, которые будут очень хорошо рассеивать доходящие до телескопа свет и тепло Солнца. Эти пассивные средства позволят добиться температуры главного зеркала и аппаратуры телескопа ниже 50 К, а часть из датчиков будут так же охлаждаться дополнительно.
Применение одного цельного зеркала, как для «Хаббла» для данного телескопа оказалось невозможным - оно было бы слишком тяжёлым (а носителем для нового телескопа должен стать Ариан-5, который имеет в два раза меньшую полезную нагрузку, нежели Шаттл выводивший «Хаббл») и зеркало такого диаметра просто «не влезало» бы в обтекатель этого ракетоносителя, поэтому зеркало имеет складную конструкцию - две части главного зеркала по три сегмента будут вставать на своё место уже в процессе полёта телескопа в точку своего базирования (видео-обзор на этот и другие телескопы находятся в конце статьи).
За основу главного зеркала были взяты бериллиевые шестигранники диаметром около 1,5 метров, покрытые золотым напылением толщиной 120 нм, для лучшего отражения инфракрасного света. Всего телескоп состоит из 18 зеркал весом около 20 кг каждое. Благодаря всем ухищрениям вес удалось снизить до 6,5 тонн - против 11 тонн у «Хаббла». Однако все эти проблемы сделали своё чёрное дело - и стоимость проекта выросла до астрономических 8,8 млрд $, и по этому показателю он занял четвёртое место среди всех научных проектов, после международной космической станции, ITER и большого адронного коллайдера.
Гигантский Магелланов телескоп (GMT) с диаметром 25,4 м, является лишь третьим по размерам из строящихся оптических, и будет состоять из семи сегментов по 8,4 м диаметром каждое:
Точности изготовления зеркал для всех трёх телескопов - просто потрясающие, ведь неровности поверхности не должны превышать 1/10 от длинны волны (а это для видимого света - 380-780 нм), то есть метровых размеров зеркала необходимо изготавливать с отклонениями от идеальной поверхности 40 нм, и даже менее. Телескоп располагаться в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, довольно далеко от старых Магеллановых телескопов (целых 115 км). На данный момент готовы уже четыре зеркала, однако различные проблемы привели к тому, что закончить его планируется только к 2025 году (эта дата «съехала» с планируемой - уже на пять лет). Подобные проблемы преследуют и двух других великанов - их даты окончания строительства также серьёзно сдвигались.
Следующий крупный телескоп, который планируется построить - TMT (тридцатиметровый телескоп):
Он будет строиться на горе Мауна Кеа на Гавайях, эта гора уже буквально «кишит» телескопами:
Главными из которых сейчас бесспорно являются 10-метровые телескопы Кек 1 и Кек 2, которые обычно и ассоциируют с обсерваторией:
Главное зеркало нового телескопа будет состоять из 492 1,4-метровых шестиугольных сегментов, как и в телескопах Кека тут будет использоваться адаптивная оптика*, управляющая каждым зеркалом отдельно. Высота расположения даёт ему значительные преимущества: для наблюдений будет использоваться видимый свет, ближний ультрафиолет, ближний и средний инфракрасный диапазон. Планируемая дата окончания строительства - 2024 год.
Самым крупным оптическим телескопом на ближайшее будущее станет E-ELT (чрезвычайно большой телескоп) с диаметром главного зеркала 39,3 м состоящим из 798 сегментов(этот размер уже был сокращён с изначальных 45 м, а ещё раньше в пользу этого проекта отказались от проекта 100-метрового телескопа, который посчитали слишком дорогим). Размер вторичного зеркала этого гиганта - 4,1 м, или почти в два раза больше, чем основное зеркало «Хаббла». На телескоп будет установлена самая совершенная система адаптивной оптики - она состоит из 6 сенсоров, 3 электромоторов для перемещения сегмента зеркала и 12 электромоторов - для его деформации, всё это необходимо для сохранения изгибов поверхности (допустимые отклонения от идеальной формы не более 30 нм) и для парирования возмущений атмосферы - для этого считывание данных с датчиков будет проводиться 1000 раз в секунду. В итоге это позволит получить разрешающую способность почти в пять раз лучше, чем без этой системы. Общий вес конструкции телескопа - 2 800 тонн.
Здесь можно различить фигуры людей, и шестигранные сегменты зеркала (их размеры составляют 1,4 м)
Он будет строиться на горе Армасонес в Чили, рядом с VLT (очень большой телескоп). Выбор места обусловлен атмосферными условиями в данной местности - эта гора расположена в пустыне Атакама, и воздух в этих местах очень сухой, что позволяет кроме оптических инструментов применять также рассчитанные на ближний инфракрасный свет - ведь их поглощение в Земной атмосфере обусловлены в основном водяными парами, и углекислым газом. Его также планируется ввести в строй в 2024 году.
Все три телескопа имеют значительные преимущество по разрешению относительно существующих телескопов:
Любовь учёных к «эффектным» названиям своих телескопов привела к появлению шуточного плана, по строительству телескопов:
Радиотелескопы
Телескоп FAST (телескоп с пятисот метровой апертурой) - откроется уже в сентябре 2016 года, и станет крупнейшим телескопом использующим одну апертуру (то есть «одну тарелку» грубо говоря), из когда-либо созданных. Он будет состоять из 4600 отдельных треугольных панелей значительно превысит телескоп в Аресибо диаметром 305 м (людям не знакомым с астрономией этот телескоп может быть известен по фильму «Золотой глаз» из «бондианы»). FAST будет использовать тот же принцип - когда отражающая поверхность (рефлектор) остаётся на месте, а облучатель двигается для наведения на определённую точку в небе. Можно отметить, что благодаря использованию природного рельефа (как и в случае с предыдущем рекордсменом) его строительство будет не столь дорогим - 196 млн $, это меньше стоимости уже существующих оптических телескопов, и значительно уступает - строящимся.
Последний из представленных здесь астрономическим инструментов является SKA (квадратная километровая решётка). Общая площадь этого радиоинтерферометра (сети из нескольких радиотелескопов, разнесённых на местности) как ясно из названия, будет составлять целый квадратный километр. Его части должны быть построены в Австралии, Аргентине, Чили и Южной Африке, при этом штаб-квартира телескопа будет находиться в Астрофизическом центре Джодрелл Бэнк рядом с Манчестером, Англия. Он будет состоять из сети в 90 штук 100-метровых, несколько тысяч радиотелескопов 15 × 12 метров и сети 12-15 метровых параболических антенн.
Телескоп будет производить 160 терабайт необработанных данных в секунду. Его постройка, разбитая на две фазы, должна будет проходить в течении целых 12 лет - с 2018 по 2030, однако использовать его можно будет уже начиная с 2020 года (не в полную мощность, конечно). Общая стоимость проекта - 2 млрд $, из которых 650 $ млн уже выделено. База радиотелескопа будет составлять 5 000 километров, что позволит ему на максимальной частоте в 14 ГГц получить разрешение в 1 угловую микросекунду. Он сможет «увидеть» процессы флуктуации плотности в ранней Вселенной и формирования первых галактик, тестирование космологических моделей и моделей тёмной энергии.
С грустью надо отметить, что Россия не участвует не в одном из этих проектов, нам предлагали поучаствовать в проекте E-ELT - но не срослось.
*Атмосфера Земли помогает нам от высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса и от излучения Солнца, но сильно мешает астрономам - толщина земной атмосферы примерно соответствует толще воды в 10 метров - не очень то удобно глядеть на объекты находящиеся в миллиардах световых лет от тебя, сквозь такой слой вещества, который ещё и постоянно перемещается ветрами. Поэтому с 90-х годов на уже существующих, и строящихся телескопах стали применять адаптивную оптику - принцип её работы заключается в следующем:
Фотография двух телескопов обсерватории Кека работающими в режиме интерферометра
Лазерный луч специальной частоты направляется в ту область, в которую смотрит телескоп, этот луч достигает высоты в 90 км, где ионизирует атомы натрия, которые начинают светиться «как маленькая звезда». За этим свечением наблюдает прибор, который выдаёт команды электродвигателям на перемещения частей зеркала так, чтобы скомпенсировать турбулентность воздуха. Конструкция получается невероятно сложной (у телескопов обсерватории Кека по 38 сегментов зеркал, и каждый - управляется отдельно) но результат работы этой системы поражает:
Система телескопа E-ELT будет ещё сложнее, и будет состоять из четырёх лучей:
**Здесь указывается максимально возможное разрешение (у телескопа «Хаббл» для сравнения - оно составляет 120 миллисекунд), на самом деле оно также зависит от частоты по формуле:
где θ - угловое разрешение, λ - длина волны и D - диаметр телескопа, так что разрешение в ультрафиолетовом спектре для телескопа примерно на порядок выше, чем в инфракрасном. С учётом углового диаметра Бетельгейзе в 55 угловых миллисекунд, телескоп E-ELT сможет получить её фотографию 11 × 11 пикселей, для Беты Живописца - это будет фотография 10 × 10. Но с учётом гигантских дистанций до звёзд (расстояние до Бетельгейзе оценивается в 643±146 световых лет) - это огромное достижение для астрономии. В перспективе это позволит проводить спектроскопию атмосфер звёзд, близко расположенных к своим звёздам планет (это можно делать и сейчас - но сигнал приходится «вычленять» из света звезды - что сильно ограничивает точность измерений). Так же увеличение углового разрешения позволяет видеть отдельные звёзды с больших дистанций - это важно при исследованиях тел на дистанциях в млрд световых лет. Основными целями этих оптических телескопов и будет как раз наблюдения за тем, что сейчас просто не видно (из-за слабого света - далёкие звёзды, экзопалнеты), очень далеко находится (а следователь - и являются очень старыми объектами - вплоть до нескольких сот млн лет от большого взрыва), или слишком близко расположено друг к другу.
Видео обзоры данных телескопов.
