В новостях мы часто пишем о достижениях телескопа Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST) — грандиозного международного проекта в области астрономии. Его главная особенность — способность «видеть» во внушительном инфракрасном диапазоне, что открывает дорогу к исследованиям первых звёзд и галактик, образовавшихся всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, а также к более детальному анализу пылевых туманностей и экзопланетных систем. Сотни, а то и тысячи научных групп выстраиваются в очереди и ждут месяцами, а то и годами, чтобы провести на нём свои исследования и внести вклад в науку. Но как устроен весь этот процесс? Да и, вероятнее всего, не каждый из нас знает, что это за конструкция, как она работает и где находится. Поэтому давайте обо всем по порядку.
Как всё начиналось: путь от концепции до запуска
Предпосылки и ранние замыслы
Успех «Хаббла» в 1990-е годы стимулировал астрономов к постановке ещё более амбициозных целей. Стало ясно, что хотя «Хаббл» великолепно снимает объекты во видимом свете и ультрафиолете, его возможности в инфракрасном диапазоне ограничены. Но именно инфракрасные (ИК) наблюдения позволяют «заглядывать» сквозь пылевые облака в местах активного звездообразования, а также фиксировать свет далеких галактик, сдвинутый в красную область из-за космологического расширения Вселенной. К концу 1980-х — началу 1990-х NASA стало присматриваться к идее «следующего поколения» космического телескопа (Next Generation Space Telescope, NGST). Роль активного партнёра в будущем проекте взяли на себя Европейское космическое агентство (ESA) и Канадское космическое агентство (CSA).
Основой для проекта стал влиятельный доклад «HST & Beyond» («Хаббл и за его пределами»), опубликованный в 1996 году рабочей группой под руководством Алана Дресслера. Этот документ указывал на необходимость создания большого инфракрасного телескопа для исследования «тёмных веков» Вселенной — периода между Большим взрывом и формированием первых галактик. В 1997 году NASA определило основные технические требования: диаметр зеркала не менее 4 метров и рабочая температура ниже 50 Кельвинов.
Официально проект получил зелёный свет в начале 2000-х, когда стало очевидно: человечеству нужен крупный инфракрасный телескоп за пределами земной атмосферы, чтобы фиксировать сверхтусклые источники. Идею переименовали: NGST стал телескопом Джеймса Уэбба в честь второго руководителя NASA, возглавлявшего агентство во времена ключевых инициатив эпохи «Аполлон». 12 сентября 2002 года состоялась церемония официального переименования. Тогда предполагалось, что миссия будет запущена уже в 2010 году и будет стоить около 2,5 миллиардов долларов.
Сложные технические решения и переносы сроков
Замысел был поистине грандиозным: главное зеркало около 6,5 м в диаметре (больше, чем у «Хаббла» в два с лишним раза), работа при сверхнизкой температуре около 40 K, а также огромный пятислойный экран для защиты от солнечного тепла. Всё это требовало новых технологий: сегментированного зеркала из бериллия, покрытого тончайшим слоем золота, особых шарнирных конструкций, позволяющих разместить большие элементы в ракетном обтекателе, и сложных систем охлаждения приборов. Бюджет постоянно рос, а запуск откладывался. Тем не менее команда инженеров и учёных упорно работала над тем, чтобы каждая деталь смогла функционировать в космосе без возможности ремонта.
В 2010-2011 годах проект находился под угрозой закрытия. Конгресс США потребовал независимого аудита , который выявил, что основная причина перерасхода — не технические сложности, а недооценка масштаба работ с самого начала. Специальная комиссия выдвинула ультиматум: либо NASA предоставит реалистичный план завершения работ, либо финансирование будет прекращено. В защиту проекта выступили ведущие учёные, включая нобелевских лауреатов, подчеркивающие его революционное значение для науки.
Ко второй половине 2010-х проект обошёлся примерно в 10 миллиардов долларов. Многие упрекали NASA и ESA в избыточной амбициозности и перерасходе средств, но специалисты указывали, что столь мощный инфракрасный телескоп станет «прорывным» для понимания эволюции Вселенной. Старт, наконец, состоялся 25 декабря 2021 года на ракете Ariane 5 с космодрома Куру. За этой отправкой следил весь мир, ведь конструкцию предстояло аккуратно раскрыть в космосе, и любая ошибка могла погубить проект.
Запуск и последующее развёртывание прошли безупречно, даже лучше, чем планировалось. Ракета-носитель отработала настолько точно, что удалось сэкономить запас топлива, за счет чего увеличилось предполагаемое время работы. К 24 января 2022 года аппарат достиг своей рабочей позиции — точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля. 12 июля 2022 года NASA представило первые полноценные цветные снимки, подтвердившие, что многолетние ожидания и миллиарды долларов не были потрачены напрасно.
Почему нужен инфракрасный телескоп
На земле наблюдения в инфракрасном спектре крайне затруднены: атмосфера поглощает большинство ИК-волн, а собственное тепловое излучение нашей планеты создает помехи. Воздушная оболочка Земли функционирует как природный фильтр — водяной пар, CO2 и другие газы блокируют значительную часть этого диапазона, оставляя лишь небольшие «атмосферные окна». Даже обсерватории, установленные на высокогорных плато (4-5 км над уровнем моря), способны улавливать лишь фрагменты инфракрасного излучения.
«Хаббл», хотя и расположен за пределами атмосферы на низкой околоземной орбите, преимущественно оснащен аппаратурой для работы в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Его возможности в ближней инфракрасной области (до 2,5 микрон) ограничены, поскольку его оптика не оптимизирована для этих задач, а температурный режим не позволяет избавиться от теплового «шума». Между тем огромное количество космических объектов активно излучает именно в инфракрасной части спектра:
- Древнейшие галактики с экстремальным красным смещением (z > 10). Расширение Вселенной приводит к тому, что излучение, изначально принадлежавшее ультрафиолетовой и видимой части спектра, растягивается в инфракрасную область. При z=10 происходит одиннадцатикратное увеличение длины волны — так, зеленый свет (0,5 микрона) наблюдается уже на длине 5,5 микрона, в средней инфракрасной области.
- Звездные колыбели, скрытые под пылевыми покровами. Микроскопические частицы космической пыли (0,1-1 микрон) эффективно рассеивают и блокируют видимый свет, но становятся практически прозрачными для более длинных инфракрасных лучей. Это качество позволяет исследовать сокрытые глубины знаменитой туманности Ориона и ядро Млечного Пути — регионы, где в настоящий момент формируются новые светила.
- Объекты с низкой температурой поверхности: коричневые карлики, газовые гиганты, массивные облака молекулярного газа. Согласно закону Вина, тела с температурой 70-1000 K излучают преимущественно в инфракрасном диапазоне. Без этой части спектра невозможно эффективно обнаруживать и изучать крупные экзопланеты, субзвездные объекты и протопланетные образования.
Важнейшим преимуществом ИК-наблюдений является возможность определять химический состав удаленных объектов. Многие соединения проявляют характерные спектральные особенности именно в инфракрасной области: H2O обладает специфическими линиями поглощения на длинах волн 2,7 и 6,3 микрона, метан проявляется в диапазонах 3,3 и 7,7 микрона, а углекислый газ — около 4,3 и 15 микронов. Когда свет далекой звезды проходит через атмосферу экзопланеты, молекулы оставляют в спектре своеобразные «автографы», по которым ученые могут судить о составе внесолнечных миров.
Выведение мощной инфракрасной обсерватории за пределы земной атмосферы открывает для астрономической науки принципиально новые возможности. Это не просто альтернативный взгляд на привычные небесные тела, но и шанс обнаружить феномены, недоступные для наблюдения в других частях электромагнитного спектра, что позволяет составить полную картину космических процессов во всем их многообразии.
Как устроен JWST
На сайте NASA можно посмотреть видео и повертеть точную 3D модель. А сейчас давайте еще немного поговорим про характеристики.Главное зеркало и материалы
Зеркало JWST состоит из 18 гексагональных сегментов, изготовленных из бериллия. Этот металл выбрали за лёгкость и стабильность при криогенных температурах. Каждый сегмент покрыт золотом толщиной всего в сотни нанометров, поскольку золото максимально эффективно отражает инфракрасные лучи. В полёте зеркало было сложено, чтобы поместиться в обтекатель ракеты, а уже после выхода в космос сегменты «раскрылись» и прошли тонкую юстировку по лазерам и звёздным ориентирам. Специальные микроактуаторы изменяют положение сегментов с точностью до нанометров, формируя идеальную оптическую поверхность.
Защита от солнца и охлаждение
Инфракрасные детекторы очень чувствительны к любому теплу, включая собственное тепло аппарата. Чтобы свести его к минимуму, JWST имеет пятислойный солнечный экран (размер которого сравним с теннисным кортом). Каждый слой выполнен из тончайшего металлизированного материала (каптон), отражающего солнечное излучение и рассеивающего тепловую энергию. За этими слоями в «тени» телескопа температура опускается до 40 K, а для среднего ИК-диапазона (прибор MIRI) используется дополнительная машина-хладагент, понижающая температуру до ~7 K.
Сложная система раскрытия
Во время запуска JWST находился в состоянии «компактного свёртка». Сначала он развернул солнцезащитные мембраны, затем боковые крылья зеркала, после чего были выполнены точные операции по натяжению каждого слоя экрана и калибровке оптики. Этапы включали десятки движущихся частей (шарниры, тросы, штанги, актуаторы), которые все должны были сработать в правильной последовательности. Любая заминка или заедание механизма могло привести к неудаче, но, к счастью, миссия выполнила эти задачи без серьёзных инцидентов.
Основные научные инструменты
На борту JWST установлены четыре ключевых прибора, каждый из которых вносит свой вклад в астрономические исследования:
- NIRCam (Near Infrared Camera)
Это широкоугольная инфракрасная камера для ближних волн (примерно от 0,6 до 5 мкм). Она создаёт изображения с высоким разрешением: ищет далёкие галактики, регистрирует молодые звёзды в туманностях и способна снимать протопланетные диски. В NIRCam встроены датчики, отвечающие за точную «юстировку» главного зеркала: по звёздным точкам выявляют малейшие искажения и подстраивают сегменты зеркала. - NIRSpec (Near Infrared Spectrograph)
Спектрограф, работающий примерно в том же ближнем ИК-диапазоне (0,6–5 мкм). Он может разлагать свет сразу от сотен галактик или звёзд, используя микрозатворы (microshutter arrays), позволяющие «открывать» отдельные щели для каждого объекта. Это даёт возможность изучать химический состав, температуру и динамику множества источников за один сеанс. - MIRI (Mid-Infrared Instrument)
Прибор для среднего инфракрасного диапазона (5–28 мкм). Он особенно важен для работы с пылевыми туманностями, коричневыми карликами и холодными компонентами планетных систем. Из-за более «длинных» волн MIRI должен быть охлаждён до ~7 K с помощью дополнительной криогенной системы. Его датчики и оптика дают представление о пылевых структурах, которые обычно скрыты в видимом свете. - FGS/NIRISS (Fine Guidance Sensor / Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph)
Модуль точного наведения (FGS) помогает телескопу удерживать цель с поразительной стабильностью, что особенно важно при долгих экспозициях. Часть NIRISS может работать как спектрограф без щели (slitless), что удобно для исследования транзитных экзопланет (когда планета проходит на фоне звезды). С помощью этого метода удаётся выявлять присутствие воды, углекислого газа или даже сложных молекул в атмосферах дальних миров.
Расположение в точке Лагранжа L2
JWST совершает обращение вокруг точки Лагранжа L2 в системе Солнце–Земля, находясь примерно в 1,5 млн км «за» нашей планетой (если смотреть от Солнца). Точки Лагранжа представляют собой уникальные области в космическом пространстве, где гравитационное притяжение двух массивных тел (в данном случае Солнца и Земли) уравновешивает центробежную силу для вращения третьего, значительно менее массивного объекта. Существует пять таких точек в системе двух тел, и каждая обладает своими особенностями.
L2 выбрана для размещения обсерватории неслучайно — это идеальное место по нескольким причинам. Прежде всего, в этой позиции Земля, телескоп и Солнце всегда находятся на одной линии, что позволяет солнцезащитному экрану постоянно блокировать тепловое излучение как от нашего светила, так и от Земли с Луной. Благодаря этому удается поддерживать стабильную сверхнизкую температуру приборов, необходимую для чувствительных инфракрасных наблюдений.
Вместо классической круговой орбиты вокруг Земли аппарат описывает сложную траекторию вокруг точки L2, формируя так называемую гало-орбиту. Её диаметр составляет около 800 000 км, а период обращения — примерно полгода. Такая конфигурация имеет ключевое преимущество: космический аппарат не входит в тень Земли, что обеспечивает его солнечным панелям бесперебойное питание. Кроме того, это положение гарантирует отсутствие на снимках паразитного света от нашей планеты и её спутника.
Помимо прочих плюшек, орбита вокруг L2 требует минимальных энергозатрат для поддержания. Гравитационные силы Солнца и Земли, а также центробежная сила, возникающая при вращении системы, практически уравновешивают друг друга. В результате космическому аппарату необходимо лишь изредка выполнять небольшие корректирующие манёвры - обычно раз в 3 недели. Благодаря этому расход топлива весьма экономичен — примерно 2-4 м/с в год.
Наблюдения с такой позиции дают возможность обозревать до 40% небесной сферы в любой момент времени без помех от яркого света Земли, Луны или Солнца. За полгода, совершив полный оборот вокруг L2, телескоп способен охватить практически все небо.
Как распределяют наблюдательное время
Поскольку JWST — коллаборация NASA, ESA и CSA, доступ к телескопу регулируется особыми правилами. Время распределяется пропорционально вкладу каждого агентства: NASA получает 80%, ESA — 15%, а CSA — 5%. Учёные из разных стран подают заявки, описывая, что и зачем хотят исследовать: от поиска далёких сверхновых до измерения состава экзопланет. В предложениях необходимо обосновать научную ценность, указать координаты объектов и рассчитать время экспозиции.
Экспертные комитеты проводят двухэтапную оценку заявок: сначала проверяется техническая выполнимость, затем — научная значимость. Конкуренция чрезвычайно высока, и лишь 10-20% предложений получают одобрение. Одобренные заявки преобразуются во «временные слоты» — периоды, когда телескоп нацелен на конкретную точку неба. Операторы оптимизируют расписание для максимально эффективного использования ресурсов обсерватории.
После наблюдений данные передаются на Землю и становятся доступными авторам заявки. У исследователей есть эксклюзивный период (обычно 12 месяцев) для анализа и публикации результатов. Затем информация переходит в открытый архив, доступный всему научному сообществу. Такое разделение стимулирует исследовательскую активность и позволяет избежать конфликтов за ресурсы.
Что изучает JWST и что мы уже узнали
Далёкие галактики в ранней Вселенной
Как уже было сказано выше, одна из главных целей — найти и описать объекты, образовавшиеся уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Чем дальше галактика, тем сильнее её спектр смещён в красную область, и тем более ценны инфракрасные возможности JWST. Учёные уже обнаружили галактики на чрезвычайно больших красных смещениях (z > 10-12), которые кажутся более массивными и богатыми звёздами, чем ожидалось по предыдущим моделям. Особенно интригует обнаружение кандидата JADES-GS-z13-0, галактики с предполагаемым красным смещением z ≈ 13, что соответствует возрасту Вселенной всего около 300 миллионов лет. Эти находки подталкивают к пересмотру теорий раннего звездообразования и заставляют задуматься о механизмах быстрого формирования массивных галактических структур.
Атмосферы экзопланет
Загадочный мир планет за пределами Солнечной системы стал ближе к пониманию. Инструменты NIRSpec и NIRISS «ловят» пропущенный через атмосферу планеты свет звезды и выявляют молекулярные линии воды, CO2, метана. Исследование атмосферы газового гиганта WASP-96b принесло первое четкое обнаружение водяного пара на экзопланете, а наблюдения за системой TRAPPIST-1 позволяют оценить потенциальную обитаемость некоторых из семи планет земного типа. Некоторые системы демонстрируют удивительно сложные профили химических веществ, включая неожиданные концентрации тяжелых элементов. Эти открытия могут привести к более целенаправленному поиску биосигнатур на потенциально обитаемых мирах.
Звёздные ясли
В местах, где рождаются звёзды (например, в туманностях Киля, Ориона и других), пылевые оболочки могут скрывать процесс звездообразования от «Хаббла». Инфракрасные детекторы JWST заглядывают внутрь этих тёмных облаков , наблюдая формирующиеся протозвёзды, их диски, выбросы вещества. Особенно впечатляющим стало изображение молодой звезды НН 211 с биполярными струями, выбрасывающими материал со скоростью сотни километров в секунду. Наблюдения показывают неожиданные структуры в протопланетных дисках — концентрические кольца и спиральные рукава, которые могут указывать на формирование планет. Эти данные дают необычайно детальную картину того, как происходит аккреция газа и как вокруг звезды может зарождаться планетная система.
Процессы в Солнечной системе
Хотя главные усилия направлены на дальние объекты, JWST изучает и близкие тела: кометы, Транснептуновые объекты, ледяные спутники. Наблюдения Юпитера выявили ранее невидимые потоки в его атмосфере и новые детали в структуре колец. Снимки Нептуна показали его кольца с беспрецедентной четкостью, а спектроскопия Титана, крупнейшего спутника Сатурна, позволила идентифицировать сложные органические соединения в его плотной атмосфере. Средне-инфракрасный диапазон позволяет лучше понимать распределение льдов и органических молекул, что может рассказать нам о ранней эволюции Солнца и планет.
С каждым месяцем список открытий растёт: значительная часть данных доступна в открытых архивах, поэтому научные группы по всему миру проводят собственные исследования и публикуют статьи, где порой высказывают смелые предположения о «быстром» звездообразовании или доселе неизвестных типах галактической структуры. Телескоп уже внес вклад в более чем 1000 научных публикаций, и темп открытий продолжает нарастать.
