"Джеймс Вебб". Найдорожчий у світі телескоп нарешті вийде на орбіту
У середу, 22 грудня, з космодрому Куру у Французькій Гвіані стартує ракета, що виведе на орбіту космічний телескоп "Джеймс Вебб" (JWST) - безпрецедентний за своїми масштабами проєкт, що коштував НАСА астрономічні 10 млрд доларів й затягнувся на багато років.
Названий на честь керівника НАСА 1960-х, велетенський апарат, який нерідко називають наступником "Габбла", допоможе вченим зазирнути на мільярди років у минуле, побачити Всесвіт зовсім юним і детально вивчити, як з пилу Великого вибуху народжуються найперші зірки й галактики.
Неоціненні дані, по крихті зібрані золотим дзеркалом обсерваторії, відкриють нам таємниці часу й простору, розкажуть про еволюцію галактик - а можливо, допоможуть знайти людству новий дім.
Розсуваючи горизонти
Шлях телескопа до зірок був, як і належить, тернистий - і розтягнувся аж на чверть століття.
Вивести на орбіту "Космічний телескоп наступного покоління" (NGST) - перша назва обсерваторії - вирішили ще 1996-го. За рік до цього швейцарські астрономи Мішель Майор та Дідьє Кело підтвердили існування першої відомої нам планети за межами Сонячної системи.
Саме це відкриття, відзначене у 2019 році Нобелівською премією з фізики, можна вважати відправною точкою місії. У НАСА зрозуміли: якщо екзопланети дійсно існують, то для їхнього пошуку та вивчення потрібен принципово новий пристрій.
Наземним обсерваторіям таке завдання не під силу: вони бачать лише промені, що змогли подолати потужний фільтр земної атмосфери. Екзопланети ж мають тьмяне світло, яке до поверхні Землі не доходить. Отже, новий апарат має вести свої спостереження з космосу.
На той час на орбіті вже кілька років працював знаменитий "Габбл", однак для пошуку далеких планет він теж не підходив. Оптика телескопа фіксує переважно лише промені видимого спектра (тобто ті, що доступні людському оку) - а там, як пояснюють експерти, побачити далекі планети шансів просто немає.
"У видимому спектрі екзопланет не видно, оскільки вони значно менші й слабші за свої власні зірки, - пояснює старший науковий співробітник Інституту космічних досліджень РАН Олег Угольников. - А ось в інфрачервоній зоні екзопланети цілком можуть конкурувати з зірками. Адже планети значно холодніші - а тому світять насамперед саме в інфрачервоному діапазоні".
Такого ж висновку дійшли в НАСА: замінити "Габбл" має інфрачервона космічна обсерваторія. Затвердивши проєкт місії вартістю 500 млн доларів, запуск нового телескопа оптимістично призначили на 2007 рік.
Космічний довгобуд
Пропустити подкаст і продовжити подкаст
Головна історія тижня, яку пояснюють наші журналісти
Випуски
Кінець подкаст
За перший рік вартість робіт зросла вдвічі, до 1 млрд. Наступні чотири роки - ще у 2,5 рази.
У 2010-му, коли на телескоп витратили вже 5 млрд (тобто у 10 разів більше запланованого), а запуск багатостраждальної обсерваторії все відкладали (на той момент це був вже 2015 рік), доля "Джеймса Вебба" повисла на волосині.
Кожна нова відстрочка збільшувала й без того астрономічні витрати. Почали говорити, що довгобуд надто затягнувся, перетворивши телескоп на "валізу без ручки" - ту, що і нести незручно, і кинути шкода.
Олії у вогонь підливала глобальна фінансова криза, що не оминула й НАСА. Грошей ледь вистачало навіть на найважливіші проєкти - і поки бюджет "Джеймса Вебба" ріс як на дріжджах, більшість інших космічних програм довелося відкласти до кращих часів, а від деяких взагалі відмовитись.
Щоб розібратися у причинах катастрофічної перевитрати, сенат США провів незалежне розслідування. За його підсумками в журналі Nature з'явилася стаття під назвою "Телескоп, який зжер астрономію". Там писали, що з метою економії влада розглядає всі варіанти: "зокрема, можливу відмову від [інсталяції на телескопі] якихось приладів та інші способи скорочення витрат".
Заголовок тієї самої статті в Nature від 27 жовтня 2010 рокуНе маючи змоги згорнути надмірно амбітний проєкт самостійно, законодавці вирішили скоротити річний бюджет НАСА рівно на ту суму, яку планували витратити на "Джеймса Вебба". Проте, на превеликий подив мешканців Капітолійського пагорба, на захист "телескопа, що зжер астрономію", стала чи не вся світова наукова спільнота.
Американське астрономічне товариство виступило з різкою заявою, назвавши обсерваторію "наріжним каменем космічної астрономії США на найближчі два десятиліття", і запевнивши: "які б переваги не отримав бюджет у короткостроковій перспективі завдяки закриттю JWST, завдані [цим рішенням] збитки не можна навіть порівняти за масштабами".
Вчених підтримали кілька впливових міжнародних видань, які надали справі максимального розголосу - і в результаті обсерваторію вдалося відстояти.
У 2010 році керівнику НАСА Чарльзу Болдену-молодшому неодноразово доводилося захищатися від нападок конгресменівЗа 10 років, що минули відтоді, запуск переносили ще чотири рази. У підсумку "Джеймс Вебб" коштував НАСА воістину астрономічні 10 млрд доларів, перевищивши розрахункову вартість проєкту у 20 разів.
І все ж таки експерти, як і раніше, в один голос запевняють, що колосальні витрати на будівництво телескопа повністю виправдані. Адже для світової наукової спільноти зібрані ним дані - абсолютно неоціненні.
Відобразившись у золотому дзеркалі "Джеймса Вебба", Всесвіт постане перед нами у новому світлі. У прямому сенсі слова.
"Показати приховане"
Тисячоліттями наші пращури вдивлялися в зоряне небо, вигадуючи все складніші й складніші пристрої, - але бачили лише те, що дозволяла їм анатомія.
Яким би потужним не був телескоп, хоч би у скільки разів наближав він зображення, фоторецептори людського ока здатні розпізнавати лише хвилі певної довжини, приблизно в діапазоні від 400 до 800 нм. Решта випромінювання залишається для нас невидимим.
Оцінити, як багато залишається "поза кадром", нескладно: достатньо поглянути на шкалу електромагнітного випромінювання і знайти на ній вузьку смужку в центрі.
Її краї позначають межі видимого діапазону. А відрізок, що між ними, містить всю різноманітність відомих нам колірних відтінків (їх, як заведено вважати, ми розрізняємо близько мільйона).
Все, що ліворуч і праворуч від райдужної смуги, - це невидиме випромінювання. Тож про його існування наші пращури, звісно ж, знати не могли.
Можливість розширити ці природні межі з'явилася лише у першій половині XIX століття, коли відкрили теплові інфрачервоні промені - невидимі оку, але доступні нашому сенсорному сприйняттю.
Втім, повернути теплові сенсори у бік неба нікому не спало на думку - здавалося б, навіщо? Лише сто років по тому, вже після Другої світової війни, вчені зрозуміли, яку величезну перевагу дає вивчення зоряного неба в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні й усвідомили, наскільки потужний інструмент вони отримали.
Річ у тім, що у порівнянні з видимим випромінюванням, яке легко розсіюється космічним пилом, інфрачервоні хвилі значно довші - у десятки й навіть сотні разів. Тому поширюються вони набагато далі - без особливих зусиль пронизуючи міжзоряні хмари й показуючи те, що приховано за ними. Там, куди раніше зазирнути, ми просто не могли.
"У нашій галактиці дуже багато пилу, - пояснює Олег Угольников, - тому в оптичному діапазоні ми не бачимо ані чорної діри [навколо якої лежить Чумацький шлях], ані її околиць - нічого з того, що є в центрі нашої галактики. Там можуть бути дуже яскраві зірки, якісь інші об'єкти. Але в оптиці ми їх не бачимо - а в ІЧ-діапазоні бачитимемо".
Безодня, де повно зірок
Іншими словами, за допомогою "Джеймса Вебба" ми нарешті зможемо зазирнути у найприхованіші й найвіддаленіші куточки Всесвіту.
Причому віддалені не лише у просторі, а й у часі. Адже телескоп здатен побачити об'єкти, розташовані на відстані до 13,5 млрд світлових років.
А значить, і ми з вами зможемо побачити, як 13,5 млрд років тому виглядав наш Всесвіт - за 200 млн років після Великого вибуху. Коли гравітація тільки-но починала захоплювати у свої чіпкі лапи хмари космічного пилу, скочуючи з них кульки й закручуючи у спіралі.
Якоїсь миті кульки стиснуться так щільно, що атоми почнуть втискатись один в одного, запустивши реакцію термоядерного синтезу. Тоді на їхньому місці спалахнуть перші зірки.
Якщо нам пощастить, ми зможемо побачити ці спалахи на власні очі, запевняє Гейді Геммел з американської Асоціації університетів, що займаються космічними дослідженнями (AURA). AURA об'єднує півсотні наукових колективів, що керують роботою всіх наземних обсерваторій США та космічних апаратів НАСА - простіше кажучи, науковців, які визначають напрямок розвитку астрономії.
"Ми ніколи не будували нічого подібного, - каже вона. - Ніколи в житті з цивільного космодрому ми не запускали згорнуте в орігамі дзеркало, що складається з 18 окремих фрагментів, - разом з так само згорнутим під ним сонцезахисним екраном, - які після запуску треба буде розгорнути!"
Квант світла у темному царстві
Дзеркало телескопа — дійсно справжній витвір інженерного мистецтва. Однак, щоб зрозуміти принцип його роботи, зовсім не обов'язково добре розумітися на фізиці. Достатньо знайти в налаштуваннях будь-якої фотокамери нічний режим - і подивитися, чим він відрізняється від звичайного.
Якщо знімати у темряві (тобто коли освітлення недостатньо), об'єктив відкривається ширше і залишається відкритим довше - збираючи світло по крихтах, доки його не набереться достатньо, щоб зображення вийшло яскравим і виразним.
"Джеймс Вебб" працює приблизно за тим самим принципом. Щоб розгледіти в глибинах космосу джерело слабкого теплового випромінювання, телескопу доведеться доволі довго вдивлятися у чорну прірву, накопичуючи результати численних спостережень.
Для цього необхідно вирішити дві проблеми. По-перше, для пошуку в ІЧ-діапазоні наукові прилади мають працювати за нормальної температури, наближеної до абсолютного нуля. Інакше фоновий шум від самого телескопа переб'є всі результати вимірювань: хвилі все ж таки теплові.
Тому орбіту "Джеймса Вебба" обирали так, щоб обсерваторія весь час перебувала в тіні Землі, а з сонячного боку апарат розгорне п'ятишаровий екран із найтоншого пластику розміром з тенісний корт.
Саме тому таке колосальне значення має розмір. Щоб розгледіти крихітні об'єкти у далекій галактиці, дзеркало має бути величезним. Адже у космічній обсерваторії воно виконує ту ж роль, що й затвор у фотооб'єктиві: чим більший за розміром відбивач, тим більше світла на нього потрапить.
Основне дзеркало "Хаббла" - найпотужнішого на сьогодні космічного телескопа, має діаметр майже 2,5 м. Втім, навіть воно виглядає досить скромно на тлі пристрою "Джеймса Вебба" діаметром 6,5 м.
Воно виготовлене з берилію (цей метал лише у 1,8 раза важчий за воду) і вкрите найтоншою золотою плівкою.
Відірвати таку гігантську конструкцію від землі й вивести її на орбіту неможливо фізично: вона просто не поміститься у жодну з наявних ракет. Тому інженери НАСА вигадали розбити дзеркало на кілька частин і скласти їх у ракету як оригамі.
Танці у космосі
Гейді Геммел згадує, що запуск "Габбла" супроводжувався скандалом. Після багаторічної підготовки до старту, коли обсерваторію вивели на орбіту, з'ясувалося, що її оптика налаштована неправильно, і зображення залишаються не у фокусі.
"Річ у тім, що дзеркало "Габбла" - монолітне, - пояснює вона. - Фактично це шматок скла, з якого виготовили лінзу, і ця лінза повинна мати ідеальну, точно розраховану форму. А форма у підсумку виявилась зовсім не ідеальною".
Іншими словами, телескоп не міг виконувати своє основне, а то і єдине завдання. Тож до "Габбла" довелося доправити пілотовану місію, учасники якої вже на орбіті налаштували телескоп.
"На щастя, розбіжність у розрахунках була невеликою, - продовжує експертка. - Причому ми точно знали, як і в якому місці помилилися. Тому змогли компенсувати цю помилку - фактично, надіти на телескоп окуляри".
Надіти окуляри на "Джеймса Вебба" не вийде. Обсерваторія лежатиме надто далеко від Землі, щоб туди можна було відправити астронавтів - приблизно вчетверо далі за Місяць. Тому дзеркало спочатку конструювали як пристрій повністю автономний. Його фрагменти рухливі, тому налаштовувати та підганяти їх можна буде з Землі, майже в режимі реального часу.
На те, щоб за допомогою найскладнішої космічної хореографії розгорнути конструкцію, скласти по частинах і налаштувати дзеркало, підігнати та направити протисонцевий екран, знадобиться майже три місяці.
За цей час телескоп здійснить понад 300 критичних операцій, кожна з яких має пройти ідеально. Інакше "Джеймс Вебб" не зможе виконувати свої функції - і роботу доведеться починати спочатку.
Замість "Габбла"
Спочатку нова обсерваторія мала замінити "Габбл". Запущений НАСА у 1990 році, цей космічний телескоп здійснив справжню революцію в астрономії.
На основі даних його спостережень написано без перебільшення десятки тисяч наукових статей. Серед цих робіт є й відкриття, відзначені Нобелівською премією.
Однак експерти відзначають ще одну важливу деталь. Крім численних академічних регалій, безперечна заслуга "Габбла" у тому, що він повернув науку обличчям до звичайних людей, зробивши астрономію цікавою широкому загалу.
Для людей, що не отримали відповідної освіти або просто далеких від науки, лінза телескопа майже магічним чином перетворює незрозумілі (а тому нудні) математичні формули - на дивовижної краси зображення.
Саме вони зрештою формують наші уявлення про те, як виглядає Всесвіт.
Одна з найвідоміших таких світлин - "Стовпи творіння", що зафіксувала гігантські скупчення пилу й газу, де лише починають формуватися нові зірки. За допомогою "Джеймса Вебба" астрономи планують знову завітати у цей куточок Всесвіту.
"Стовпи творіння""Міжзоряний пил, з якого складаються "стовпи", в інфрачервоному діапазоні стає прозорим, - пояснює доктор Геммел. - Ми зможемо подивитись крізь них і побачити, що відбувається всередині. Зазирнути у небесні ясла, де народжуються зірки, і роздивитись їх у всіх подробицях".
"Я 20 років чекала на цей запуск - щоб зробити спостереження й отримати відповіді на наукові запитання, які на Землі відшукати просто неможливо. У нас немає іншого способу туди зазирнути. А запитання ці настільки важливі, що, на мій погляд, з наукової точки зору, це повністю виправдовує і великі фінансові витрати, і роки очікувань".
У пошуках нового дому
Доктор Геммел переконана, що багато майбутніх відкриттів "Вебба" ми не можемо сьогодні навіть уявити. І як приклад наводить його попередника.
Коли інженери НАСА будували й запускали "Габбл", телескоп, звичайно ж, мав цілий список завдань - запитань, на які він мав знайти відповіді. І головним з них було запитання про вік і розмір відомого нам Всесвіту.
За 30 років робота на орбіті "Габбл" допоміг вченим зробити десятки найважливіших відкриттів, спростувавши відразу кілька авторитетних теорій і змусивши нас значною мірою переглянути наші уявлення про космос.
"На момент запуску телескопа нічого подібного ми собі навіть уявити не могли", - каже Геммел.
І справді, хто ж міг заздалегідь припустити, що всупереч відомим нам законам фізики Всесвіт розширюється з прискоренням? А щоб це пояснити, доведеться розробити гіпотезу темної матерії?
Крім того, тепер ми маємо можливість вивчати склад атмосфери планет, що обертаються навколо різних зірок, - не лише Сонця. Адже рано чи пізно людству доведеться шукати собі новий дім.
Очевидних претендентів наразі немає. Вченим не вдалося знайти відповідного двійника нашої Сонячної системи - так, щоб планета, схожа на Землю, оберталася навколо сонцеподібної зірки. Але це, звичайно, зовсім не означає, що такого двійника немає. Пошуки тривають.
За словами Гейді Геммел, зовсім не виключено, що мета сформується вже у найближчі три-чотири роки. Тоді до неї спрямують свій погляд не лише астрономи, а й більшість людей, що живуть на нашій планеті.
Хочете отримувати найважливіші новини в месенджер? Підписуйтеся на наш Telegram або Viber.