Космический телескоп Джеймса Уэбба: Раскрывая происхождение Вселенной

С запуском Космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) понимание человечеством Вселенной — и её происхождения — будет расти экспоненциально.

Изначально называемый Телескопом следующего поколения (NGST) и переименованный в сентябре 2002 года в честь бывшего администратора NASA Джеймса Уэбба, JWST представляет международное сотрудничество партнёров, включая NASA, Канадское космическое агентство (CSA), Европейское космическое агентство (ESA), авиакосмического производителя Northrop Grumman и Институт космического телескопа, который будет управлять телескопом после запуска.

Инфракрасная технология

Чем JWST отличается от предыдущих космических телескопов, таких как исторический Хаббл? Во-первых, Хаббл, запущенный в 1990 году, — оптический телескоп; JWST — инфракрасный телескоп. По мере того как световые волны проходят через постоянно расширяющуюся Вселенную, они «растягиваются», смещаясь к более длинным, красным длинам волн. В какой-то момент однажды видимый свет от самых далеких звёзд во Вселенной смещается в инфракрасные длины волн, которые больше не могут быть обнаружены оптическими телескопами, такими как Хаббл. JWST специально разработан для захвата изображений этих инфракрасных волн и их анализа с помощью современной спектроскопии.

JWST не станет первым случаем использования инфракрасной технологии для изучения Вселенной. В 1983 году NASA запустила наземный Инфракрасный астрономический спутник (IRAS) на орбиту, сделав его первым в мире космическим инфракрасным телескопом. Совместный проект, спроектированный США, Нидерландами и Великобританией, он вращался на высоте 559 миль над Землей в миссии, длившейся 10 месяцев, и наблюдал более 250 000 инфракрасных источников в диапазоне 12, 25, 60 и 100 микрометров. Успех этой миссии привёл к установке гелиево-охлаждаемого инфракрасного телескопа на борту космического шаттла Челленджер в 1985 году (STS-51) и в конечном итоге к разработке космического телескопа Спитцер, запущенного в 2003 году.

Между этими вехами Европейское космическое агентство, работая с NASA и Японским институтом космических и астронавтических наук (ISAS), запустило Инфракрасную космическую обсерваторию (ISO) в ноябре 1995 года на трёхлетнюю миссию для наблюдения примерно 30 000 инфракрасных источников, визуализации в диапазоне 2,5–240 микрометров, спектроскопии в диапазоне 2,5–196,8 микрометров и передачи данных на Землю в реальном времени. А в 1997 году NASA оснастила оптический телескоп Хаббл инфракрасной способностью, установив Наблюдательную камеру ближнего инфракрасного диапазона и многообъектный спектрометр (NICMOS) во время сервисной миссии 2 (STS-82).

NICMOS, комбинированное устройство визуализации и спектрометр, спроектированный и построенный Ball Aerospace & Technologies Corp., имел три детектора ближнего инфракрасного диапазона на основе ртутно-кадмиевого теллурида, приклеенных к сапфировым подложкам и разработанных для работы в диапазоне 0,8–2,5 микрометра. NICMOS, работавший с 1997 по 1999 год до исчерпания хладагента, а затем снова с 2002 по 2008 год после установки новой криогенной системы охлаждения во время сервисной миссии 3B (STS-109), был в конечном счёте заменён в 2009 году Камерой широкого поля 3 (WFC3) во время сервисной миссии 4 (STS-125). Хотя не являясь строго инфракрасным инструментом — у него также был UV и оптический канал, способный записывать изображения в диапазоне 200–1000 нм — WFC3 имел детектор ближнего инфракрасного диапазона, предназначенный для захвата изображений в диапазоне 800–1700 нм. Хотя ограниченный в инфракрасной способности по сравнению с NICMOS (1700 нм против 2500 нм), WFC3 мог быть термоэлектрически охлаждён, устраняя необходимость в криогеническом охлаждении.

Зеркало

Несомненно, самый технологически продвинутый научный прибор, когда-либо запускавшийся в космос, JWST не только объединит лучшие аспекты телескопов Хаббл и Спитцер, но и значительно превзойдёт их, начиная с размера своего основного зеркала. Зеркало Уэбба будет 6,5 метра в диаметре по сравнению с 2,4-метровым зеркалом Хаббла и компактным 0,8-метровым зеркалом Спитцера.

Поскольку зеркало такого размера слишком велико, чтобы поместиться в любую существующую ракету-носитель, оно будет состоять из 18 отдельных шестиугольных сегментов из лёгкого бериллия, которые развернутся и автоматически настроят форму на орбите. Каждый сегмент будет покрыт тонким слоем золота толщиной всего 1000 ангстрем (100 нанометров) методом вакуумного парового осаждения. Для сравнения, учитывая плотность золота при комнатной температуре (19,3 г/см³), это составляет 48,25 г золота — примерно масса гольф-мяча — для покрытия площади 25 м². Почему золото? Превосходная отражательная способность. Золото отражает 98% собранного инфракрасного света, тогда как материал вроде алюминия обычно отражает только около 85% видимого света.

JWST спроектирован для орбиты вокруг точки L2, в 1,5 миллиона километров над Землёй. Чем дальше телескоп от атмосферы Земли, тем меньше элементов негативно влияют на качество собираемых данных. Он также будет достаточно далеко от защитного магнитного поля Земли, где высокоэнергетические космические лучи могут мешать его сигналам или создавать электрические заряды, потенциально повреждающие чувствительные инструменты телескопа. Как дополнительная страховка, JWST спроектирован со специальной экранировкой и проводимыми материалами для предотвращения накопления напряжения и повреждения солнцезащитных экранов и подсистем. Телескоп будет совершать один полный оборот вокруг L2 каждые 198 дней... если вы захотите за ним наблюдать.

Солнцезащитный экран

Солнцезащитный экран телескопа, размером примерно с теннисный корт (21,197 м × 14,162 м), является крупнейшим элементом JWST. Состоящий из пяти слоёв кремниевого покрытия DuPont™ Kapton®, каждый слой толщиной менее 1 мм, основная цель солнцезащитного экрана — отделить холодную сторону телескопа, где размещена инструментация, от стороны, обращённой к Солнцу. Максимальная температура, которую может выдержать слой 1 — 383 К (~231°F), в то время как слой 5 может выдержать максимальную температуру 221 К (~ -80°F) и минимальную 36 К (~ -394°F). Поскольку инфракрасные детекторы предпочитают низкие температуры, а любое тепло, генерируемое бортовой системой JWST, может загрязнять собираемые инфракрасные сигналы, предпочтительная рабочая температура телескопа ниже 50 К (~ -370°F).

Учитывая размер солнцезащитного экрана и то, насколько тонкие его материалы, одной из инженерных задач перед его дизайнерами было сделать его достаточно прочным, чтобы выдержать жёсткость космического полёта. Они достигли этого, создав гениальную систему поддерживающих рёбер, которая обеспечит необходимую структурную устойчивость без ломкости. Система также будет терпеть небольшие разрывы и разрывы от космического мусора без отказа.

С точки зрения технологий, JWST можно разделить на три секции: Модуль интегрированных научных инструментов (ISIM), Оптический телескопический элемент и Космический аппаратный элемент.

Научные инструменты

ISIM содержит четыре основных научных инструмента JWST: Камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec), Прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) и Датчик точной наведения/Камеру ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф (FGS/NIRISS).

Камера ближнего инфракрасного диапазона, построенная Аризонским университетом и Lockheed Martin, выполняет две важные функции. Первая — захват изображений в диапазоне 600–5000 нм с экспозицией 10 000 секунд (примерно 2,8 часа). Спроектированная для работы при 37 К (~ -393°F), она будет наблюдать и записывать свет, производимый некоторыми из первых звёзд и галактик, сформировавшихся во Вселенной после Большого взрыва. Её другая важная функция — постоянный мониторинг производительности 18 сегментов Основного зеркала, обеспечивая, что телескоп остаётся в фокусе.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, предоставленный Европейским космическим агентством (ESA), уникален тем, что может одновременно анализировать до 100 объектов в поле зрения 3 угловые минуты × 3 угловые минуты в диапазоне 600–5000 нм. Он может делать это благодаря инновационной системе из четырёх массивов программируемых щелевых масок, содержащих примерно 250 000 микро затворов, каждый размером всего 100 × 200 микрон. NIRSpec имеет четыре режима работы: Многообъектная спектроскопия (MOS), Режим интегрального поля (IFU), Высококонтрастная щелевая спектроскопия (SLIT) и Режим визуализации (IMA). Как и Камера ближнего инфракрасного диапазона, он будет использоваться для анализа света, собранного от истоков Вселенной.

Прибор среднего инфракрасного диапазона спроектирован для работы как камера и спектрограф и продолжает там, где заканчивают приборы ближнего инфракрасного диапазона, захватывая и анализируя свет в диапазоне 5000–28000 нм. Ключом к его производительности в этой области являются его детекторы на основе заарсенированного кремния, также известные как Фокальные плоские модули (FPM), с разрешением 1024 × 1024 пикселей. MIRI, криогенически охлаждаемый до 7 К (~ -447°F), также содержит Спектрометр низкого разрешения, оснащенный германиевыми металлическими и сульфидом цинка призмами, которые могут анализировать свет в диапазоне 5000–12000 нм. Он также оснащен коронаграфами, дающими ему способность изучать экзопланеты.

Наконец, Датчик точной наведения / Камера ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф, построенный Канадским космическим агентством, предназначен для наблюдения света в диапазоне 800–5000 нм и выполняет две функции. Датчик точной наведения обеспечивает чувство направления JWST, нацеливая его на обозначенные цели. Камера ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф, оснащенный массивом ртутно-кадмиевого теллурида 2048 × 2048 пикселей и имеющий поле зрения 2,2 фута × 2,2 фута, предназначен для обнаружения и анализа экзопланет.

Оптический телескопический элемент (OTE) — это, как следует из названия, глаза JWST. Согласно NASA, он состоит из 18 шестиугольных сегментов, составляющих 6,5-метровое основное зеркало; 0,74-метрового круглого вторичного зеркала; третичного и тонкого управляемых зеркал; сборки задней части основного зеркала и основной опорной сборки задней части, в которой также размещается модуль инструментов; подсистему термонаведения; задний развёртываемый радиатор ISIM (ADIR); и систему чувствования волнового фронта и управления космического аппарата.

Подсистемы

Последний элемент пазла — Космический аппаратный элемент, состоящий из солнцезащитного экрана и Шины космического аппарата. Помимо поддержки всей массы телескопа в 6500 кг, Шина космического аппарата, изготовленная из графитного композитного материала, содержит шесть основных подсистем JWST: подсистему электропитания, подсистему управления ориентацией, подсистему связи, подсистему управления командами и данными, подсистему двигателей и подсистему термоконтроля.

Основная функция подсистемы электропитания — преобразовать энергию, собранную солнечными панелями, в электрическую энергию, необходимую другим подсистемам. Подсистема управления ориентацией управляет ориентацией и стабильностью телескопа на орбите. Подсистема связи обеспечит передачу данных и командных сигналов через Сеть глубокой космической связи NASA. Подсистема управления командами и данными содержит главный компьютер JWST и Процессор командной телеметрии (CTP), а также устройство хранения данных Твердотельный накопитель (SSR). Подсистема двигателей состоит из ракет и топливных баков, необходимых для наведения телескопа и удержания его на правильной орбите. А подсистема термоконтроля спроектирована для управления четырьмя развёртываемыми сборками радиаторных экранов и поддержания критических рабочих температур на борту космического аппарата.

Основываясь на необычайном количестве и качестве данных, собранных телескопами Хаббл и Спитцер, предвкушение и волнение относительно того, чему мы можем научиться от JWST, вполне понятны. Прогнозируемая продолжительность миссии — 5–10 лет, и в течение этого времени учёные надеются не только узнать больше об происхождении и формировании нашей Вселенной, но и собрать ценную информацию о других тайнах, таких как чёрные дыры, сверхновые, детские галактики и далекие планеты, которые могут иметь потенциал для поддержания жизни.

Независимо от того, что он обнаружит, как вымышленная Звездолёт Enterprise в популярном телесериале «Звёздный путь», JWST даст нам реальную возможность научно идти «там, где ни один человек не был раньше».

Эта статья написана Брюсом А. Беннеттом, редактором Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк).

Источники

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/