03-10-2023
| Космический телескоп имени Джеймса Уэбба | |
| Организация: | |
|---|---|
| Главные подрядчики: | |
| Волновой диапазон: |
0,6—28 мкм (части видимого и инфракрасного) |
| Местонахождение: |
точка Лагранжа L2 системы Солнце — Земля (1,5 млн км от Земли в противоположную Солнцу сторону) |
| Дата запуска: |
запланирован на 2018 |
| Место запуска: | |
| Средство вывода на орбиту: | |
| Продолжительность: |
5—10 лет |
| Дата схода с орбиты: |
около 2023 |
| Масса: |
6,2 тонны |
| Диаметр: |
около 6,5 м |
| Площадь собирающей поверхности: |
около 25 м² |
| Фокусное расстояние: |
131,4 м |
| Научные инструменты | |
|
прибор среднего инфракрасного диапазона |
|
камера ближнего инфракрасного диапазона |
|
спектрограф ближнего инфракрасного диапазона |
|
датчик точного наведения с устройством формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевым спектрографом |
| Сайт: |
www.jwst.nasa.gov |
Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (англ. James Webb Space Telescope, JWST) — орбитальная инфракрасная обсерватория, которая предположительно заменит космический телескоп «Хаббл».
Первоначально назван «Космический телескоп нового поколения» (англ. Next-generation space telescope — NGST). В 2002 году переименован в честь второго руководителя НАСА Джеймса Уэбба (1902—1992), возглавлявшего агентство в 1961—1968 годах.
«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре (диаметр зеркала «Хаббла» — 2,4 метра) и солнечным щитом размером с теннисный корт. Будет размещён в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля.
Проект представляет собой международное сотрудничество 17 стран, во главе которых стоит NASA, со значительным вкладом Европейского и Канадского космических агентств.
Текущие планы предусматривают, что телескоп будет запущен с помощью ракеты «Ариан-5» в 2018 году.
Первичными задачами JWST являются: обнаружение света первых звёзд и галактик, сформированных после Большого взрыва, изучение формирования и развития галактик, звёзд, планетных систем и происхождения жизни. Также «Уэбб» сможет рассказать о том, когда и где началась реионизация Вселенной и что её вызвало[1].
Телескоп позволит обнаруживать относительно холодные экзопланеты с температурой поверхности до 300 К (что практически равно температуре поверхности Земли), находящиеся дальше 12 а. е. от своих звёзд, и удалённые от Земли на расстояние до 15 световых лет. В зону подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд. Благодаря JWST ожидается настоящий прорыв в экзопланетологии — возможностей телескопа будет достаточно не только для того, чтобы обнаруживать сами экзопланеты, но даже спутники и спектральные линии этих планет (что будет являться недостижимым показателем ни для одного наземного и орбитального телескопа вплоть до начала 2020-х годов, когда в строй будет введен Европейский чрезвычайно большой телескоп с диаметром зеркала в 39,3 м)[2].
Срок работы телескопа составит не менее пяти лет.
Изначально запуск намечался на 2007 год, в дальнейшем переносился на 2014[3] и на 2015 год[4].
В июне 2011 года стало известно, что стоимость телескопа превысила изначальные расчёты по меньшей мере в четыре раза. Планировалось, что телескоп обойдётся в $1,6 млрд и будет запущен в 2011 году, однако по новым оценкам стоимость может составить $6,8 млрд, при этом запуск состоится не ранее 2018 года[5][6].
В новом бюджете НАСА, предложенном в июле 2011 года конгрессом, предполагалось прекращение финансирования строительства телескопа[7] из-за плохого управления и превышения бюджета программы[8][9], но в сентябре того же года бюджет был пересмотрен, и проект сохранил финансирование[10]. Окончательное решение о продолжении финансирования было принято сенатом 1 ноября 2011 года.
В 2013 году на постройку телескопа было выделено $626,7 млн.
Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далёких галактик. Простое изготовление зеркала подобного зеркалу телескопа «Хаббл», но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади.
НАСА приступили к исследованию новых способов создания зеркала для телескопа. Для этого была создана программа Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD), по сути являющаяся 4-летним сотрудничеством между НАСА, Национальным управлением военно-космической разведки США и Военно-воздушными силами США. На основе исследований ASMD были построены и испытаны два тестовых зеркала. Одно из них было сделано из бериллия компанией Ball Aerospace & Technologies, другое — построено фирмой Kodak (ныне — ITT) из специального стекла.
Группа экспертов протестировала оба зеркала, чтобы определить, насколько хорошо они выполняют свою задачу, сколько стоят и насколько легко (или трудно) было бы построить полноразмерное, 6,5-метровое зеркало. Эксперты рекомендовали зеркало из бериллия для телескопа Джеймса Уэбба по нескольким причинам, одна из которых — бериллий сохраняет свою форму при криогенных температурах. На основе рекомендаций экспертов компания Northrop Grumman выбрала зеркало из бериллия, и Центр космических полётов Годдарда утвердил это решение.
Также было решено сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе Ариан-5. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов зеркала составляет 1,32 метра от грани до грани, а масса сегмента — 20 кг.
Шестиугольная форма сегментов была выбрана не случайно. Она обладает высоким коэффициентом заполнения и имеет симметрию шестого порядка. Высокий коэффициент заполнения означает, что сегменты подходят друг к другу без зазоров. Симметрия же хороша тем, что нужно только 3 разные оптические настройки для 18 сегментов, 6 сегментов на каждую. Наконец, желательно, чтобы зеркало имело форму близкую к круговой для максимально компактного фокусирования света на детекторах. Овальное зеркало, например, даст вытянутое изображение, а квадратное пошлёт много света из центральной области.
Для зеркала «Уэбба» используется особый тип бериллия. Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.
Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.
Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.
По завершению обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6—29 мкм[12], и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах.
JWST будет иметь следующие научные инструменты для проведения исследования космоса:
Камера ближнего инфракрасного диапазона является основным блоком формирования изображения «Уэбба» и будет состоять из массива ртутно-кадмиево-теллуровых детекторов[13][14]. Рабочий диапазон прибора составляет от 0,6 до 5 мкм. Его разработка поручена Аризонскому университету и Lockheed Martin Advanced Technology Center.
В задачи прибора входят:
Прибор оснащён коронографом, который позволяет делать снимки слабых объектов близ ярких источников. С помощью коронографа астрономы надеются определить характеристики экзопланет, обращающихся вокруг ближайших звёзд.
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона будет анализировать спектр источников, что позволит получать информацию как о физических свойствах исследуемых объектов, например, температуру и массу, так и о их химическом составе. NIRSpec способен делать спектроскопию среднего разрешения в диапазоне длин волн 1—5 мкм и низкого разрешения с длиной волны 0,6—5 мкм[16].
Многие объекты, которые «Уэбб» будет изучать, излучают настолько мало света, что телескопу для анализа спектра необходимо собирать свет от них в течение сотен часов. Чтобы изучить тысячи галактик за 5 лет работы телескопа, спектрограф был разработан с возможностью наблюдения за 100 объектами на площади неба 3×3 угловых минуты[16] одновременно. Для этого учёные и инженеры Годдарда разработали новую технологию микрозатворов для управления светом, входящим в спектрограф.
Суть технологии, позволяющей получать 100 одновременных спектров, заключается в микроэлектромеханической системе, именуемой «массив микрозатворов» (англ. microshutter array). У ячеек микрозатворов спектрографа NIRSpec есть крышки, которые открываются и закрываются под действием магнитного поля. Каждая ячейка размером 100 на 200 мкм[17] индивидуально управляется и может быть открытой или закрытой, предоставляя или, наоборот, блокируя часть неба для спектрографа соответственно.
Именно эта регулируемость позволяет прибору делать спектроскопию такого количества объектов одновременно. Поскольку объекты, которые будет исследовать NIRSpec, находятся далеко и тусклы, инструмент нуждается в подавлении излучения от более близких ярких источников. Микрозатворы работают подобно тому, как люди смотрят искоса, чтобы сосредоточиться на объекте, блокируя нежелательный источник света.
Прибор уже разработан и в данный момент проходит испытания в Европе.
Прибор для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения состоит из камеры и спектрографа, которые «видят» свет в среднем диапазоне инфракрасного излучения 5—28 мкм.
MIRI состоит из трёх массивов мышьяко-кремниевых детекторов. Чувствительные детекторы этого прибора позволят увидеть красное смещение далёких галактик, формирование новых звёзд и слабо видимые кометы, а также объекты в поясе Койпера. Модуль камеры предоставляет возможность съёмки объектов в широком диапазоне частот с большим полем зрения, а модуль спектрографа обеспечивает спектроскопию среднего разрешения с меньшим полем зрения, что позволит получать подробные физические данные об удалённых объектах.
Номинальная рабочая температура для MIRI — 7 К. Такая температура не может быть достигнута использованием только пассивной системы охлаждения. Вместо этого, охлаждение производится в два этапа: установка предварительного охлаждения на основе пульсационной трубы охлаждает прибор до 18 К, затем теплообменник с адиабатическим дросселированием (эффект Джоуля — Томсона) понижает температуру до 7 К.
MIRI разрабатывает группа под названием MIRI Consortium, состоящая из ученых и инженеров из стран Европы, команды сотрудников Лаборатории реактивного движения в Калифорнии и учёных из ряда институтов США.
Датчик точного наведения (FGS) и устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS) будут упакованы вместе в «Уэббе», но по сути это два разных устройства[19][20]. Оба устройства разрабатываются Канадским космическим агентством, и они уже получили прозвище «канадские глаза» по аналогии с «канадской рукой». Этот инструмент уже прошел интегрирование со структурой ISIM в феврале 2013 года.
Датчик точного наведения (FGS) позволит «Уэббу» производить точное наведение, чтобы он мог получать изображения высокого качества.
Камера FGS может формировать изображение из двух смежных участков неба размером 2,4×2,4 угловых минуты каждый, а также считывать информацию 16 раз в секунду с небольших групп пикселей размером 8×8, чего достаточно для нахождения соответствующей опорной звезды с 95%-й вероятностью в любой точке неба, включая высокие широты.
Основные функции FGS включают в себя:
Во время вывода на орбиту телескопа FGS также будет сообщать об отклонениях при развёртывани главного зеркала.
Устройство формирования изображения в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф (NIRISS) работают в диапазоне 0,8—5,0 мкм и является специализированным инструментом с тремя основными режимами, каждый из которых работает с отдельным диапазоном.
NIRISS будет использоваться для выполнения следующих научных задач:
| Европейское космическое агентство | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||||||||||||||||||||||
Джеймс Уэбб (телескоп).
