Битва космических титанов: "Джеймс Уэбб" против "Хаббла"

В начале июля 2022 года приступил к работе космический телескоп "Джеймс Уэбб" — крупнейший и мощнейший в истории. Чем новое детище астрономов отличается от всемирно известного телескопа "Хаббл", и каково соотношение сил этих двух механических покорителей Космоса?

Приглашаем читателя на продолжение состязания двух астрономических гигантов, но сразу предупреждаем: в этом соревновании победит исключительно дружба. Ведь "Джеймс Уэбб" официально считается не соперником, а преемником "Хаббла".

Благодаря складным зеркалу и теплозащитному экрану, несмотря на немаленькие габариты, телескоп "Джеймс Уэбб" прекрасно уместился в ракете "Ариан-5", запустившей его в Космос

Вперёд, в прошлое!… И не только

Космические телескопы — своеобразные машины времени. Ведь они улавливают излучение, которое шло до нас от удалённых звёзд и галактик многие миллиарды лет. И картинка, транслируемая телескопами, показывает нам эти звёзды и галактики не такими, как они выглядят сейчас — а такими, какие они были в тот момент, когда "пойманное" нами излучение покинуло их. Дух захватывает от осознания: эти удивительные миры уже давно могли погибнуть — но они всё ещё живы на фотографиях, запечатлевших свет, который излучали их звёзды много миллиардов лет назад!

Учитывая, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 13,77 млрд лет (по расчётам учёных), а "Уэбб" улавливает излучение от миров, расположенных более чем в 13,5 млрд световых лет от нашей планеты (то есть, показывает нам удалённые галактики такими, какие они были 13,5 млрд лет назад) — есть шанс, что с помощью нового телескопа мы увидим и исследуем первые галактики и звёзды — такие, какими они были немногим позже рождения Вселенной!

Всего на "Джеймсе Уэббе" установлены 4 научных прибора:

1. NIRCam — камера для видимого и ближнего инфракрасного диапазона,
2. MIRI — прибор для работы со средним ИК-диапазоном (включает камеру и спектрограф),
3. NIRSpec — спектрограф для видимого и ближнего ИК-диапазона,
4. а также система FGS/NIRISS (в которую входят датчик точного наведения телескопа, камера и спектрограф).

Они в семь раз чувствительнее, чем инструменты "Хаббла".

Кроме изучения далёких галактик, на "Уэбба" возлагается важная миссия по исследованию экзопланет — а конкретно, их масс и диаметров. Это поможет вычислить их плотность и, как следствие, определить их тип. Маленькое астрономическое ноу-хау: если у планеты низкая плотность, значит, это газовый гигант, если плотность высокая — значит, планета каменистая, как наша Земля или, например, Марс.

Также "Уэбб" узнает больше об атмосферах экзопланет — например, о содержании в них вероятных признаков жизни: воды, метана, углекислого газа. Но не только, планируется, например, изучение зависимости содержания металлов в газовых гигантах от их массы.

 

Маршрут наглядно: схематичное изображение траектории вращения "Джеймса Уэбба" по орбите

Также "Уэбб" намеревается обратить взор на космические молекулярные облака, зарождающиеся звёзды и планеты (которые пока излучают лишь тепло), скопления галактик, очень далёкие вспышки сверхновых. С уэббовской помощью учёные собираются проверить законы гравитации и теории о тёмной материи, изучить галактическую эволюцию. Благодаря своей чувствительности "Джеймс Уэбб" позволит исследователям увидеть другой край Млечного пути и его центр!

Предусмотрено наблюдение и за "ближним светом": в поле зрения "Джеймса Уэбба" попадут все тела Солнечной системы, которые располагаются дальше от Солнца, чем наша планета — кометы, карликовые планеты, астероиды, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и спутники газовых гигантов. Список первых целей, для которых будет использоваться новый телескоп, уже содержит 286 заявок!

В целом разрешение "Джеймса Уэбба" на 270% выше, а его светосила на 730% больше, чем у "Хаббла". Если понагляднее, то галактика размером 3x3 пикселя у "Хаббла" на снимках "Джеймса Уэбба" уже будет занимать 8x8 пикселей. Удивительная чувствительность "Уэбба" позволяет ему заснять деталь размером с цент США на расстоянии 40 км!
Планируется, что снимки "Джеймса Уэбба" NASA будет публиковать еженедельно в открытом доступе для всех желающих. Не пропускаем космические фотошедевры!

Экстремальная заморозка

Инфракрасное излучение исходит не только от космических объектов: им "сияют" любые нагретые предметы. А посему, чтобы космический телескоп успешно собирал исходящее от галактик и звёзд инфракрасное излучение, его оборудование необходимо охлаждать — чтобы снимки Космоса не "засвечивались" тепловым излучением собственных приборов телескопа.

На "Хаббле" роль охладителя для инфракрасной камеры исполняет жидкий азот. Он был доставлен к космическому телескопу в твёрдом виде в специальном сосуде и, постепенно тая, охлаждал приборы телескопа до температуры -212°C. Причём, из-за нарушения теплоизоляции азот закончился не за ожидаемые пять лет, а уже через два года — поэтому астронавтам пришлось чинить систему охлаждения заново.

В отличие от "Хаббла", "Уэбб" будет работать с более трудноуловимыми инфракрасными волнами, поэтому требования к заморозке у нового телескопа намного жёстче: его инфракрасная камера MIRI работает при температуре -266°C. Это всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-273°C) — температуры, при которой прекращается движение всех частиц. Для такой рекордной заморозки телескопу пришлось запасти 250 кг жидкого гелия.

Пятислойный теплозащитный экран защищает приборы "Джеймса Уэбба" от вредоносного воздействия теплового излучения

Кроме гелиевой заморозки, "Джеймса Уэбба" защищает уже упоминавшийся огромный теплозащитный экран. Он состоит из 5 отдельных слоёв тончайшей светоотражающей плёнки, растянутой на раздвижных мачтах. Такая структура удобна тем, что вакуум между отдельными слоями усиливает теплоизоляцию. Плёнка изготовлена из каптона (термоустойчивого материала, из которого изготавливают внешние слои скафандров), сверху покрыта слоем алюминия толщиной 100 нм. Первые два "листа", которые принимают на себя "основной удар" солнечного излучения, дополнительно покрыты 50-нанометровым слоем легированного кремния. Теплоизоляционные слои просто космически тонкие: первый имеет толщину 0,05 мм, остальные четыре — 0,025 мм. При этом, структура щита, как и зеркало телескопа, рассчитана на атаки микрометеороидов.

Как ожидается, внешняя сторона щита (где расположены уэббовские антенна, борткомпьютер, гироскопы и солнечная панель) под лучами Солнца будет разогреваться до 85°C. В то же время, на обратной стороне щита, где находятся основные чувствительные к температуре научные приборы, температура будет доходить до -233°C.

Земля, прощай!

В сто раз чувствительнее: так видят один и тот же участок неба знаменитый телескоп "Хаббл" (слева) и его преемник "Джеймс Уэбб" (справа). Кажется, комментарии здесь излишни!

Так как "Хаббл" исследует в основном излучения, доступные телескопам с Земли, он работает на низкой околоземной орбите примерно в 570 км от своих создателей. А вот "Джеймсу Уэббу" пришлось забраться подальше в космические дебри, чтобы иметь возможность как следует изучать инфракрасные космические излучения без помех в виде теплового излучения Земли.

"Холодное местечко" для "Джеймса Уэбба" было найдено на расстоянии 1,5 млн км от Земли около одной из двух точек Лагранжа — особенных точек в космическом пространстве, расположенных на прямой линии, соединяющей Солнце и Землю. "Магия" этих точек заключается в том, что если в одной из них разместить космический аппарат, то благодаря совместному притяжению звезды и планеты прибор будет совершать за один год ровно один оборот и вокруг Солнца, и вокруг Земли. "Джеймс Уэбб" устроился не в самой этой точке: он вращается вокруг неё по причудливой траектории, называемой гало-орбитой. Положение телескопа при этом неустойчиво, поэтому его придётся время от времени корректировать: для этого на борту "Джеймса Уэбба" предусмотрен запас топлива. Однако бонус такой "боевой позиции" заключается в том, что в ней работе инфракрасного телескопа не препятствует излучение Земли, Солнца и Луны.

Сколько лет жить осталось?

Планируемая длительность миссии "Хаббла" составляла 15 лет. Однако космический телескоп можно считать заслуженным героем труда: на данный момент он "перевыполнил план" более, чем вдвое — ведь запуск космической обсерватории произошёл ещё в 1990 году! Срок службы "Хаббла" ранее зависел от морального устаревания оборудования, но этот вопрос достаточно просто решался: к космическому телескопу отправлялись пилотируемые миссии на шаттлах для обновления и починки его приборов. Правда, теперь, такие поставки прекратились из-за списания шаттлов. Однако, гораздо более болезненной темой являются хаббловские гироскопы — специальные маховики, поддерживающие равновесие телескопа в космическом пространстве. Астронавты несколько раз их меняли, и, если они в очередной раз, сломаются, телескоп будет обречён. Ведь в настоящее время пилотируемые миссии к "Хабблу" прекратились — в связи со списанием отправлявшихся к нему шаттлов.

Что касается "Джеймса Уэбба", то его планируемая "продолжительность жизни" составляет минимум 5 лет, целевая — 10 лет. А вот фактическая зависит от ресурсов телескопа — в первую очередь, запасов его топлива. Ракета "Ариан-5" настолько точно вывела "Уэбба" на расчётную траекторию, что значительное количество его топливной жидкости удалось благополучно сэкономить на коррекции положения.

Поэтому специалисты предполагают, что имеющегося на новом телескопе топлива с нежданно образовавшимся "запасом" может хватить и на 20 лет! Правда, охлаждающий гелий за это время уже кончится, поэтому в какой-то момент "Уэббу" придётся отказаться от наблюдений в среднем ИК-диапазоне. Но инструменты для видимого и ближнего инфракрасного диапазона даже в этом случае могут продолжать работать!

Во всей уэббовской "бочке мёда" есть и небольшая "ложка дёгтя": из-за того, что "Джеймс Уэбб" базируется от нас втрое дальше, чем Луна, в отличие от "Хаббла", астронавты не смогут его ремонтировать и чинить. Но и к этой проблеме создатели телескопа подошли с умом: например, чтобы снизить нагрузку на гироскопы "Джеймса Уэбба" и, как следствие, замедлить их износ, на новом телескопе установили небольшой солнечный парус. Телескоп сможет использовать давление на парус солнечных лучей, чтобы замедлять вращение своих гироскопов.

"Цигель-цигель…"

Чтобы сравнить "скорострельность" двух телескопов, возьмём снимок "глубокого поля" Вселенной — массивного звёздного скопления SMACS 0723. Именно эта фотография стала дебютной для "Джеймса Уэбба". На создание полноценной картинки, восхитившей всех учёных и астролюбителей, новый телескоп затратил целый день — 12,5 часов. В то же время "Хаббл" на съёмку этого же уголка Космоса затратил значительно больше: 23 дня!

Мы в космическом эфире!…

Первые шаги: спустя 9 дней после официального начала миссии "Джеймс Уэбб" порадовал учёных сенсационным открытием — снимком одной из самых древних галактик, известных землянам!

"Джеймс Уэбб" способен передавать на Землю как минимум 57,2 гигабайт научных данных ежедневно, при максимальной скорости передачи данных 28 мегабит в секунду. "Хаббл" в этом плане чуть помедленнее: он ежедневно передаёт на Землю от 10 до 15 гигабайт данных.

"Солнцееды" высокого полёта

Как уже упоминалось ранее, у "Джеймса Уэбба" есть система двигателей для коррекции траектории. Питается новейший телескоп от 2000-Ваттной солнечной батареи.

"Хаббл" также подпитывается от солнечных батарей, но — готовьтесь удивляться — у этого телескопа двигателей нет совсем! Положение космического аппарата регулирует только вращение гироскопов, а высоту хаббловского полёта приходилось регулировать специально во время отправлявшихся к нему пилотируемых миссий.

Дорогое удовольствие

Первые проекты космического телескопа "Хаббл" появились в 1974 г., однако запуск состоялся только спустя 16 лет. В ценах 2021 г. стоимость проекта "Хаббл" составила 16 млрд долларов, что превысило первоначально запланированную сумму в 3,5 раза.

Требования растут, на пути к цели встают всё новые сложности — поэтому превышение планового бюджета для крупных космических проектов — обычное дело. Ничего удивительного нет и в том, что с "Джеймсом Уэббом" произошло в точности то же самое.

Первые идеи разработки телескопа нового поколения появились в 1985 г., но тогда дело не зашло дальше фантастических задумок создания телескопа совместно с СССР. Серьёзная же работа над "Джеймсом Уэббом" началась в 1996 г., запуск состоялся в конце 2021 г., и итоговая стоимость проекта — 11 млрд долларов — в 13 раз превысила первоначальную!

Космический "коворкинг"

Какие же космические агентства принимали участие в создании телескопов?

"Хаббл" — совместный проект NASA и Европейского космического агентства (ESA). К созданию "Джеймса Уэбба", кроме этих же двух космических агентств, подключилось также Канадское космическое агентство (CSA).

На заре новой эпохи

Теперь, когда мы так тщательно сопоставили двух "космических гигантов" в самых разных сферах и обстоятельствах, становится ясно, что эти проекты не конкурируют — скорее наоборот, они органично дополняют друг друга!

"Хаббл" начал визуальное путешествие человека к далёким космическим мирам, "Джеймс Уэбб" продолжает его миссию — и, возможно, покажет людям что-то новое и невероятное, что они никогда не видели и не представляли. Так, уже на первых своих снимках "Джеймс Уэбб", будучи в 100 раз чувствительнее своего предшественника, показал нам мириады удивительных объектов там, где "Хаббл" видел лишь бездонную космическую черноту.

При этом учёные надеются, что эти два космических телескопа хоть некоторое время смогут поработать совместно, ведь вместе "Хаббл" и "Джеймс Уэбб" — это просто фантастический тандем, который подарит исследователям Космоса потрясающие, неведомые прежде возможности!

Как говорится, "пост сдал — пост принял…"

Или, может, всё-таки "Приветствую, напарник!"?