Ваш браузер устарел, поэтому сайт может отображаться некорректно. Обновите ваш браузер для повышения уровня безопасности, скорости и комфорта использования этого сайта.
Обновить браузер

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году

В 2022 году космический телескоп «Джеймс Уэбб» принимает вахту у «Хаббла», который с 1990 года удивлял человечество впечатляющими фотографиями Вселенной

21 марта 2022Обсудить

В XXI веке астрономия неожиданно стала одной из самых зрелищных естественных наук и в каком-то смысле даже вошла в моду. Произошло это во многом благодаря космическому телескопу «Хаббл». Визуальное качество его снимков превосходило все, что удавалось получать на земных обсерваториях. А дополнительная обработка, выполняемая сотрудниками Института космического телескопа, породила тренд на новый жанр фотоискусства, основанного на профессиональных астрономических снимках.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Космический телескоп «Хаббл»

Телескоп «Хаббл» отработал на орбите вдвое больше первоначально запланированных 15 лет. Космический телескоп нового поколения должен был прийти ему на смену еще в 2007-м. Однако разработка затягивалась, и лишь в декабре 2021 года инструмент, получивший имя «Джеймс Уэбб», был успешно запущен в космос.

Новому телескопу предстояло преодолеть полтора миллиона километров к месту своей работы. По пути происходило развертывание систем телескопа, сбой в любой из которых мог привести к провалу всего проекта стоимостью 11 млрд долларов.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Космический телескоп «Джеймс Уэбб»

Сегодня «Джеймс Уэбб» готовится к наблюдениям. Давайте сравним его особенности и характеристики с предшественником «Хабблом», чтобы оценить, насколько вперед шагнет астрономия в этом году.

Большой зрачок

Диаметр главного зеркала

«Хаббл» — 2,4 метра
«Джеймс Уэбб» — 6,6 метра

Размер объектива — главная характеристика любого телескопа. Диаметр зеркала определяет, насколько мелкие детали способен различить телескоп, а от площади поверхности зеркала зависит, насколько тусклые объекты доступны наблюдению. Увеличение диаметра в 2,75 раза означает, что «Уэбб» сможет заглянуть в космос во столько же раз дальше «Хаббла».

Конечно, в земных обсерваториях давно уже стоят телескопы диаметром более 10 метров, а к 2027 году должен заработать «Чрезвычайно большой телескоп» диаметром 39 метров. Однако дрожание атмосферы не позволяет наземным телескопам достигать предельного разрешения.

С этим в последнее время научились бороться, компенсируя на лету атмосферные искажения едва заметным изгибанием зеркал инструмента. И все же добиться идеальной компенсации помех невозможно.

Другая проблема наземных инструментов — свечение ночного неба. Даже на максимальном удалении от огней цивилизации ночное небо не абсолютно темное: слабое свечение возникает в ионосфере при рекомбинации молекул кислорода и азота, ионизированных космическими излучениями.

С этой проблемой тоже отчасти можно бороться фильтрами, однако таким способом нельзя добиться того качества, на которое способен заатмосферный телескоп.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Сверхглубокое поле «Хаббла». За 11 суток накопления света тысячи далеких галактик проявились на крошечном пустынном участке неба в созвездии Печи

Золотой глаз

Конструкция главного зеркала

«Хаббл» — монолитное из кремниевого стекла с алюминиевым покрытием
«Джеймс Уэбб» — сегментированное из бериллия с золотым покрытием

Долгое время максимальный размер зеркал для космических телескопов определялся габаритами отсека для полезной нагрузки в ракете или космическом челноке. Первым этот барьер преодолел российский радиотелескоп «Спектр-Р», который в 2011 году после выхода на орбиту развернул параболическую антенну диаметром 10 метров.

Зеркало «Уэбба» тоже составное — в нем 18 шестиугольных сегментов, причем две группы сегментов при запуске находились в сложенном состоянии. Разница, однако, в том, что для радиоантенны допустимые отклонения от расчетной фигуры после раскрытия составляют 1 мм, а для оптического зеркала — сотые доли микрона.

Поэтому сегменты зеркала «Уэбба» опираются на десятки механических актуаторов, которые по командам компьютера позволяют тончайшим образом регулировать положение и деформации отражающих поверхностей, собирая их в единое параболическое зеркало.

Цельное зеркало «Хаббла» весило 828 кг, тогда как 18 сегментов «Уэбба» тянут вместе лишь на 360 кг за счет того, что в качестве основы взято не стекло, а бериллий — редкий металл, который по жесткости превосходит многие сорта стали, но при этом вчетверо легче и почти не подвержен тепловым деформациям.

А еще новый космический телескоп получил прозвище «Золотой глаз» — за то что его зеркало покрыто золотым напылением, а не алюминировано, как у большинства телескопов, включая «Хаббл». Золото обеспечивает высокий коэффициент отражения излучения во всем спектральном диапазоне работы нового инструмента.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Туманность эты Киля, расположенная в 7500 световых годах от нас, — своего рода ясли для новорожденных звезд, постоянно разрушающих газопылевые облака мощными потоками заряженных частиц. На вершинах двух облаков видны пары противоположно направленных джетов — это характерная примета рождения звезды

Взгляд в черноту

Спектральный диапазон

«Хаббл» — ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный (0,1−2,4 микрона)
«Джеймс Уэбб» — часть видимого, ближний и средний инфракрасный (0,6−28 микрон)

Жизнь на Земле была бы невозможна, если бы атмосфера не предохраняла нас от жесткого излучения — ультрафиолета, рентгена и гамма. А если бы сквозь нее свободно проходило инфракрасное излучение, исчез бы парниковый эффект и температура на планете упала бы до минус 18 градусов.

За комфортные условия нам приходится расплачиваться тем, что большая часть электромагнитного спектра космоса недоступна для наблюдения с Земли. В древности астрономы ограничивались видимым светом, и лишь в прошлом веке появилась возможность регистрации радиодиапазона.

Чтобы охватить наблюдениями весь спектр, инструменты необходимо выводить в космос. Однако «Хаббл» работал главным образом в доступных с Земли диапазонах — видимом и ближних ИК и УФ. Из-за этого он не может наблюдать многие чрезвычайно интересные объекты, в том числе самые далекие первые галактики и первые звезды нашей Вселенной: из-за космологического расширения их свет покраснел настолько, что стал недоступен «Хабблу». Именно поэтому рабочий диапазон телескопа «Джеймс Уэбб» сильно смещен в инфракрасную сторону.

Один из самых знаменитых снимков «Хаббла» известен под названием «Столпы Творения». Это подсвеченные окружающими звездами газопылевые облака, в глубинах которых межзвездное вещество сжимается под действием собственной гравитации, пока не уплотнится настолько, чтобы образовались звезды и планеты.

Для «Хаббла» эти темные облака непрозрачны, поскольку пыль в них поглощает видимый свет. А вот «Уэбб» сможет заглянуть внутрь, поскольку излучение среднего ИК-диапазона пыль почти не задерживает — она сама испускает такое излучение, за счет чего остужает облака, помогая им сжиматься.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
«Столпы Творения». Этот снимок туманности Орёл в созвездии Змеи, возможно, самый знаменитый кадр космического телескопа «Хаббл». Облака пыли и газа истерзаны жесткой радиацией и звездным ветром от молодых массивных звезд

Космический морозильник

Система охлаждения

«Хаббл» — жидкий азот
«Джеймс Уэбб» — солнечный экран и жидкий гелий

ИК-излучение испускают любые нагретые предметы, в том числе и сам телескоп. Чтобы собранное телескопом излучение не утонуло в собственном «свете» аппаратуры, оборудование надо охлаждать.

Для работы инфракрасной камеры на «Хаббле», которую доставили астронавты во время второго полета к орбитальному телескопу, было предусмотрено охлаждение жидким азотом до температуры 60 кельвинов (−212 °C). На телескоп был доставлен сосуд Дьюара, содержащий более 100 кг твердого азота, который постепенно таял и использовался для охлаждения.

Правда, из-за небольшого нарушения теплоизоляции азот закончился быстрее, чем планировалось: за два года, а не за пять. И в следующем полете астронавтам пришлось ремонтировать систему охлаждения.

Поскольку «Уэббу» предстоит работать в дальнем ИК-диапазоне, требования к охлаждению становятся гораздо более жесткими. Сама камера работает при температуре всего на 6 градусов выше абсолютного нуля.

Пришлось использовать жидкий гелий — его в полет взято 250 кг. Причем в отличие от «Хаббла» у «Уэбба» охлаждать приходится не только камеру, но и зеркало. Для этого служит огромный экран из пяти отдельных слоев из тончайшей светоотражающей пленки, который подобно парусу растягивается на раздвижных мачтах.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Галактики Антенны. Эта пара сталкивающихся галактик кружится в танце уже несколько сотен миллионов лет

Подальше от теплой Земли

Орбитальное расположение

«Хаббл» — низкая околоземная орбита
«Джеймс Уэбб» — гало-орбита вокруг точки Лагранжа L2

Все системы Земли, от погоды до биосферы, работают за счет того, что планета преобразует видимый свет, получаемый от Солнца, в излучение ИК-диапазона. Однако для «холодного» телескопа это рассеянное тепловое излучение Земли — огромная проблема, ведь для спутника на низкой орбите Земля занимает почти половину небосвода. Вот почему было решено отправить «Уэбб» подальше от Земли.

На прямой линии, проходящей через Солнце и Землю, есть две особенные точки, которые называют точками Лагранжа. Если в точку Лагранжа поместить космический аппарат, то притяжение обоих небесных тел сложится таким образом, что за год аппарат будет совершать ровно один оборот и вокруг Солнца, и вокруг Земли.

Если же поместить аппарат на некотором расстоянии от точки Лагранжа, он станет колебаться вокруг нее по причудливой траектории, которую называют гало-орбитой. Именно на такую орбиту вокруг точки L2 в полутора миллионах километров от Земли и отправился для работы телескоп «Джеймс Уэбб». Там ему не будет мешать земное тепло, а от солнечного защитит многослойный экран. Поскольку гало-орбита неустойчива, на борту предусмотрен запас топлива для периодической коррекции траектории.

Рецепты долгожителей

Срок службы

«Хаббл» — плановый 15 лет, фактический более 30 лет
«Джкймс Уэбб» — плановый 10 лет, ожидаемый 20 лет

Срок работы космических аппаратов зависит от многих факторов. Для «Хаббла» самым критическим было моральное устаревание астрономической аппаратуры.

1990-е годы были эпохой революционного прогресса в области цифровых камер. То, что на момент создания «Хаббла» было вершиной технологических возможностей, к началу XXI века стало доступным в любом магазине бытовой электроники.

Положение спасали пилотируемые экспедиции на шаттлах, которые обновляли научное оборудование. Всего таких экспедиций было пять, и они прекратились в связи со списанием шаттлов. В случае «Джеймса Уэбба» срок эксплуатации ограничивается запасами жидкостей на борту, в первую очередь топлива.

Однако вскоре после запуска, который выполнялся ракетой «Ариан-5» с космодрома Куру во Французской Гвиане, в NASA сообщили, что «Уэбб», как и «Хаббл», тоже может стать долгожителем. Ракета настолько точно вывела телескоп на расчетную траекторию, что удалось сэкономить значительное количество топлива на коррекциях, и его, вероятно, хватит на поддержание гало-орбиты в течение 20 лет.

Конечно, гелий за это время кончится и наблюдения в среднем ИК-диапазоне прекратятся, но инструменты видимого и ближнего ИК-диапазона смогут работать.

Также критическим элементом в конструкции «Хаббла» оказались гироскопы — быстро вращающиеся маховики, поддерживающие ориентацию телескопа. Астронавты неоднократно их меняли, и сейчас оставшийся ресурс гироскопов определяет, сколько сможет протянуть «Хаббл».

Поскольку «Уэбб» находится от Земли втрое дальше Луны, рассчитывать на его обслуживание астронавтами не приходится. Учитывая проблемы, конструкторы «Уэбба» добавили к телескопу небольшой солнечный парус. Подставляя его под солнечные лучи, телескоп использует их давление для снижения скорости вращения гироскопов, уменьшая их износ.

«Джеймс Уэбб» vs «Хаббл»: насколько вперед шагнет астрономия в этом году
Туманность Пузырь, известная также как NGC 7635, расположена в 8000 световых лет от нас. Фото сделано телескопом «Хаббл» в 2016 году

Астрономические цены

Затраты на инструменты (в ценах 2021 года)

«Хаббл» — 16 млрд долларов от старта проекта в 1978 году (6 млрд долларов на момент запуска в 1990 году)
«Джеймс Уэбб» — 11 млрд долларов от старта проекта в 1996 году

Большие научные проекты всегда выходят за рамки бюджета, а чиновники всегда стараются на них сэкономить. История «Хаббла» начинается в 1974 году, когда в NASA был анонсирован проект Большого космического телескопа.

Однако конгресс в том же году отменил финансирование из-за экономического кризиса, и первые средства в размере 36 млн долларов были выделены только в 1978 году.

Первоначально виделось, что стоимость инструмента составит 400 млн долларов (1,7 млрд в современных ценах). Однако в итоге только главное зеркало телескопа обошлось в 450 млн, хотя первоначально его законтрактовали за 70 млн. В целом же стоимость «Хаббла» к моменту запуска превысила первоначальные ожидания в 3,5 раза.

Похожая история случилась и с «Уэббом». Его задумали еще в 1985 году, и тогда даже была смелая идея предложить строить космический телескоп нового поколения совместно с СССР. Впрочем, дальше картинки в одном из документов NASA этот замысел не пошел.

Всерьез о проекте стали говорить только в 1990-х, и тогда он представлялся как 8-метровый телескоп, работающий за орбитой Марса, чтобы снизить влияние света рассеиваемого межпланетной пылью. При этом стоимость проекта оценивалась в 500 млн долларов. Дальше год от года стоимость проекта росла, амбициозность снижалась, а сроки отодвигались.

Когда в 2007 году вместо планируемого запуска удалось лишь приступить к изготовлению телескопа, оценка стоимости выросла в 10 раз. Когда в 2011 году затраты увеличились до 8,7 млрд, а запуск сдвинулся на 2018 год, конгресс едва не свернул проект, съедавший значительную часть научного бюджета NASA.

И все же космический телескоп удалось отстоять. Его итоговая стоимость в 13 раз превысила первоначальную, и сегодня в космосе работает самый дорогой на момент введения в строй научный инструмент, побивший рекорд, установленный в 2008 году Большим адронным коллайдером (10 млрд долларов в ценах 2021 года).

Но так ли это много? Если сравнить стоимость «Джеймса Уэбба» с американским ВВП за 26 лет работы над проектом, это составит около двух тысячных процента (0,002%) американской экономики. Чтобы было понятнее, это как 1 рубль из зарплаты в 50 тысяч рублей.

Или вот другое сравнение. Средний житель Земли читает около 15 книг в год, за 26 лет это составит примерно сто тысяч страниц. Если хотя бы на двух из этих страниц были снимки дальнего космоса или говорилось о его исследованиях, то это уже оправдало затраты на запуск космического телескопа. Вы, дочитав статью до конца, уже вчетверо перевыполнили эту норму.

Фото: NASA; D. DUCROS / ESA, NASA; ESA / HUBBLE AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM; NASA; ESA; G. ILLINGWORTH, D. MAGEE, AND P. OESCH, UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SANTA CRUZ; R. BOUWENS, LEIDEN UNIVERSITY; AND THE HUDF09 TEAM; NASA, ESA / HUBBLE AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 2, март 2022

Подписываясь на рассылку вы принимаете условия пользовательского соглашения