Космический телескоп «Джеймс Уэбб» стоимостью в 10 миллиардов долларов

100

В пятницу, 24 декабря, с космодрома Куру во Французской Гвиане будет запущена ракета, которая выведет на орбиту космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) — беспрецедентный по своим масштабам проект, обошедшийся НАСА в поистине астрономические 10 млрд долларов и опоздавший к расчетному запуску на полтора десятилетия.

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 рождаются 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.

КТДУ

АВТОР ФОТО,NASA

Раздвигая 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.

устройство телескопа

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.

«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».

Статья в Nature

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.

Чарльз Болден-младший на слешании в сенате
В 2010 году администратору НАСА Чарльзу Болдену-младшему не раз приходилось защищаться от нападок конгрессменов

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.

Оптический спектр на швале ЭМВ

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.

Графика

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.