Чому телескоп важливий

Чому телескоп James Webb такий важливий для науки

James Webb Space Telescope (JWST) має кілька переваг, з якими не зрівняються інші існуючі або плановані найближчим часом наземні або космічні телескопи. Сам JWST став справжнім довгобудом і неодноразово опинявся під загрозою закриття. Проект стартував у 1996 році, і до моменту запуску коштував майже $10 млрд. Такі терміни та вартість визначаються найвищою складністю апарату, та вимогами до точності конструкції, якості спостережень та десятирічним терміном активної роботи. Відмінною рисою телескопа є його головне розкладне дзеркало, складене з 18 шестикутних сегментів. У телескопа розкладається як дзеркало, а й тепловий щит, і з оптичними елементами JWST стає справжнім космічним трансформером.

Новий телескоп найчастіше порівнюють із космічним телескопом Hubble, який вже понад тридцять років служить світовій науці. Діаметр головного дзеркала Hubble 2,4 м, а JWST 6,5 метра. На Землі є телескопи більшого розміру, наприклад, Великий Канарський має діаметр 10,4 м, але через атмосферу він може зрівнятися тільки з Hubble, та й то не в усьому.

Спробую перерахувати переваги JWST, які визначають його флагманське значення для всієї світової астрономії на найближче десятиліття.

Розташування

Розміщення телескопа у космосі дає кілька переваг. Насамперед так позбавляються спотворювального впливу земної атмосфери. У той самий час зараз освоєно кілька методів підвищення якості спостережень земних телескопів. Деякі 8-метрові земні телескопи за низкою можливостей вже перевищують той же Hubble, але відсутність атмосфери – не єдина перевага космосу. Космічні телескопи мають можливість тривалого накопичення світла під час спостережень. У фотографічній справі це називається витримка, тобто. час відкритого затвора, за який проектується світло на світлочутливий елемент. А можливості цифрової обробки знімків дозволяють підсумовувати кілька кадрів одного місця. Водночас це дозволяє вести тривале накопичення фотонів. Наприклад, рекордна зйомка Hubble eXtreme Deep Field дозволила створити знімок із сумарною витримкою 2 мільйони секунд або 23 дні.

Такий огляд дозволив поглянути в ранні часи Всесвіту до 13200000000 років тому, тобто. найдавніша зі знятих галактик має вік близько 600 млн років від Великого вибуху.
Телескоп Hubble розташований на низькій навколоземній орбіті, і це не найзручніше місце для такого апарату. Земля і Сонце заважають спостереженням, і час «з'їдає» нижній радіаційний пояс. Проте така орбіта дала можливість проводити обслуговування телескопа, що значно продовжило час його роботи.

Телескоп JWST розташовується зручніше для спостережень, але недоступний для шатлів обслуговування - у точці Лагранжа L2 в системі Земля-Сонце.Це область космосу з якої Земля і Сонце завжди знаходяться приблизно в одній області неба. Це означає, що спостереження вибраних цілей не доведеться переривати кожні 45 хвилин, як у випадку з Hubble. JWST завжди буде зорієнтований «спиною» до Сонця, а отже, все інше небо буде доступним для спостережень. Річний рух навколо Сонця дозволяє спостерігати будь-яку точку Всесвіту.

Такі умови роблять цю точку популярною для космічних телескопів і там вже є телескопи Gaia і «Спектр-РГ», до цього працювали Herschel і Plank. Але не варто побоюватися, що телескопи там битимуться бортами один про одного. Насправді саме в точці L2 жоден з цих апаратів не перебуває, т.к. вона нестійка, а літають вони широкою гало-орбітою навколо неї. При цьому в діаметрі гало-орбіта може досягати півтора мільйона кілометрів, тобто. ймовірність зіткнення таких телескопів набагато менше ніж небезпека зустрічі космічного сміття на низькій навколоземній орбіті.

Розмір

Діаметр JWST приблизно в два з половиною рази більше Hubble, а це один із важливих параметрів, що визначають здатність телескопа, тобто. можливість розрізняти найменші деталі на знімках. Втім, роздільна здатність телескопа також залежить від довжини хвилі світла, на якій ведеться спостереження, і тут інфрачервоний телескоп програє тому, що спостерігає в більш короткохвильовому видимому діапазоні.Довжина хвилі світла видимого нашими очима діапазону в середньому становить 0,5 мкм, а основні прилади JWST реєструють від 0,6 до 5 мкм, а це означає, що роздільна здатність знімків JWST буде починатися з подвійної переваги над Hubble (завдяки більшому діаметру головного дзеркала) , і йти в п'ять разів менший дозвіл (через більшу довжину хвилі світла).

Зате великий діаметр телескопа означає ще й більшу площу головного дзеркала, що збирає світло. Тут JWST у п'ять разів перевершує Hubble, що також підвищує якість спостережень.

Температура

Забезпечення теплового режиму у космосі – складне інженерне завдання, яке залежить від умов роботи космічного апарату. Наприклад, теплоізоляція телескопа Hubble піклується передусім про збереження стабільної температури телескопа, незалежно від розташування на сонячній або тіньовій стороні навколоземної орбіти. Проте, температура самого Hubble та його світлочутливих детекторів близька до кімнатної. На відміну від нього, у JWST робоча температура на 223 градуси нижче за нуль Цельсія. Це дозволяє спостерігати набагато більше об'єктів космосу, які випромінюють або відбивають світло в інфрачервоному діапазоні.

П'ятишаровий теплоізолюючий щит JWST занурює оптичні системи телескопа в штучну тінь, внаслідок чого вони охолоджуються до наднизьких температур шляхом природного випромінювання. На додаток до них один з приладів телескопа має активну систему охолодження, яка знижує температуру детектора ще на 44 градуси до -267 Цельсія або 6 кельвінів. Все це необхідно, щоб бачити не тільки "далі" і "глибше", але і "холодніше" або "темніше".

Діапазон спостережуваного світла

Астрономічні спостереження зараз ведуться практично у всіх діапазонах електромагнітного випромінювання, але є дві основні причини, які зробили пріоритетним саме інфрачервоний для JWST. Це міжзоряне поглинання та космологічне червоне усунення. Перший ефект викликаний пилом у міжзоряному просторі, а другий – розширенням Всесвіту після Великого вибуху.

Космос — досить курне місце, хоча нашими очима цього не видно, але одна з причин, чому наше небо не сяє мільярдами зірок — саме міжзоряний пил. Астрономи мають навіть термін «зона уникнення» — це частина неба, де хмари міжзоряного пилу в площині нашої галактики настільки щільні, що не дозволяють вести спостереження віддалених об'єктів. Саме міжзоряний пил тривалий час не дозволяв підтвердити присутність надмасивної чорної дірки в центрі нашої галактики, і саме за допомогою інфрачервоного спостереження це вдалося підтвердити. Причина такої переваги інфрачервоного світла проста - пил поглинає світло на довжині хвилі, яка коротша за розмір порошинки. Розмір міжзоряних порошин від 0,1 мкм до 100 мкм, а кількість їх зростає пропорційно зменшенню їх розміру. Тобто на довжині хвилі видимого діапазону світла близько 0,5 мкм світло в міжзоряному просторі поглинатиметься набагато ефективніше, ніж у більш довгохвильовому інфрачервоному діапазоні. Це добре видно при спостереженні найбільш запилених ділянок космосу.

Можна, звичайно, піти в ще більш довгохвильовий діапазон субміліметровий і міліметровий, тоді пил стане ще меншою перешкодою. Цим шляхом йдуть російські вчені, які створюють телескоп «Міліметрон», але тоді наростає проблема зниження роздільної здатності телескопа, про що йшлося вище.Таким чином, інфрачервоний діапазон для JWST – це компроміс між можливістю хоч трохи зазирнути у міжзоряні хмари, і при цьому зберегти високу різкість знімків.

Космологічне червоне усунення - ще одна проблема звичайних телескопів, яка не дозволяє тому ж Hubble побачити найдавніші галактики. Наш Всесвіт розлітається в різні боки, що призводить до «розтягування» довжини хвилі світла від джерел, що віддаляються. Це значить чим давнішим буде космологічний об'єкт, тим червонішим він виглядатиме. Якогось моменту його світло остаточно піде з видимого діапазону світла в інфрачервону частину спектра, і навіть могутній Hubble його не побачить. Тобто завдання JWST входить спостереження за процесом формування найдавніших галактик. Наприклад, сьогодні вчені не розуміють як сформувалися надмасивні чорні діри в центрах галактик. Як з'являються звичайні чорні дірки вже розібралися, а ось із надмасивними поки що загадка. Начебто можна цього досягти шляхом злиття безлічі звичайних чорних дірок, але звідки їх взяти в необхідній кількості на ранньому етапі життя Всесвіту поки що незрозуміло.

Крім оптичних особливостей James Webb Space Telescope має і досить серйозний набір спектрометричних приладів, тому якісь його відкриття не завжди будуть супроводжуватися красивими фотографіями. Тут можуть бути знайдені і органічні речовини у водяних фонтанах Енцеладу та Європи, та визначено склад атмосфер щодо близьких екзопланет. Можливо, саме завдяки JWST у якоїсь із сусідніх зірок буде знайдена землеподібна планета, придатна до переселення, на випадок, якщо Земля опиниться під загрозою знищення якоюсь кометою з хмари Оорта…

Підтримайте мою роботу в популяризації космонавтики, оформіть платну передплату на Patreon або вітчизняний аналог «Спонср» і я зможу більше приділяти часу розповідам про вивчення та освоєння космосу.

Чому телескоп James Webb такий важливий для науки

Космічний телескоп імені Джеймса Вебба успішно стартував 25 грудня 2021 року і зараз рухається на місце своєї майбутньої роботи на відстані 1,5 млн км від Землі. Усі астрономи радіють успішному запуску і передчувають видатні результати досліджень, які мають значно розширити, а можливо, і змінити наші знання про Всесвіт. Чому саме він такий важливий для науки, і яких досягнень можна очікувати від цього результату багаторічної праці «Вебб-розробників»?

James Webb Space Telescope (JWST) має кілька переваг, з якими не зрівняються інші існуючі або плановані найближчим часом наземні або космічні телескопи. Сам JWST став справжнім довгобудом і неодноразово опинявся під загрозою закриття. Проект стартував 1996 року, і на момент запуску коштував майже $10 млрд. Такі терміни та вартість визначаються найвищою складністю апарату, та вимогами до точності конструкції, якості спостережень та десятирічним терміном активної роботи. Відмінною рисою телескопа є його головне розкладне дзеркало, складене з 18 шестикутних сегментів. У телескопа розкладається як дзеркало, а й тепловий щит, і з оптичними елементами JWST стає справжнім космічним трансформером.

Новий телескоп найчастіше порівнюють із космічним телескопом Hubble, який вже понад тридцять років служить світовій науці. Діаметр головного дзеркала Hubble 2,4 м, а JWST 6,5 метра.На Землі є телескопи більшого розміру, наприклад Великий Канарський має діаметр 10,4 м, але через атмосферу він може зрівнятися тільки з Hubble, та й то не в усьому.

▍ Розташування

Телескоп JWST розташовується зручніше для спостережень, але недоступний для шатлів обслуговування - у точці Лагранжа L2 в системі Земля-Сонце. Це область космосу, з якої і Земля, і Сонце завжди знаходяться приблизно в одній області неба. Це означає, що спостереження вибраних цілей не доведеться переривати кожні 45 хвилин, як у випадку з Hubble. JWST завжди буде зорієнтований «спиною» до Сонця, а отже, все інше небо буде доступним для спостережень. Річний рух навколо Сонця дозволяє спостерігати будь-яку точку Всесвіту.

Такі умови роблять цю точку популярною для космічних телескопів і там вже є телескопи Gaia і «Спектр-РГ», до цього працювали Herschel і Plank. Але не варто побоюватися, що телескопи там битимуться бортами один про одного. Насправді саме в точці L2 жоден з цих апаратів не перебуває, т.к. вона нестійка, а літають вони широкою гало-орбітою навколо неї. При цьому в діаметрі гало-орбіта може досягати півтора мільйона кілометрів, тобто. ймовірність зіткнення таких телескопів набагато менше, ніж небезпека зустрічі космічного сміття на низькій навколоземній орбіті.

▍ Розмір

Діаметр JWST приблизно в два з половиною рази більше Hubble, а це один із важливих параметрів, що визначають здатність телескопа, тобто. можливість розрізняти найменші деталі на знімках. Втім, роздільна здатність телескопа також залежить від довжини хвилі світла, на якій ведеться спостереження, і тут інфрачервоний телескоп програє тому, який спостерігає в більш короткохвильовому видимому діапазоні.Довжина хвилі світла, видимого нашими очима діапазону, в середньому становить 0,5 мкм, а основні прилади JWST реєструють від 0,6 до 5 мкм, а це означає, що роздільна здатність знімків JWST буде починатися з подвійної переваги над Hubble (завдяки більшому діаметру головного) дзеркала), і йти в п'ять разів менше дозвіл (через більшу довжину хвилі світла).

▍ Температура

▍ Діапазон світла, що спостерігається

Астрономічні спостереження зараз ведуться практично у всіх діапазонах електромагнітного випромінювання, але є дві основні причини, які зробили пріоритетним саме інфрачервоний для JWST. Це міжзоряне поглинання та космологічне червоне усунення. Перший ефект викликаний пилом у міжзоряному просторі, а другий - розширенням Всесвіту після Великого вибуху.

Космос — досить курне місце. Хоча нашими очима цього не видно, але одна з причин, чому наше небо не сяє мільярдами зірок, — саме міжзоряний пил. Астрономи мають навіть термін «зона уникнення» — це частина неба, де хмари міжзоряного пилу в площині нашої галактики настільки щільні, що не дозволяють вести спостереження віддалених об'єктів. Саме міжзоряний пил довгий час не дозволяв підтвердити присутність надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики і саме за допомогою інфрачервоного спостереження це вдалося підтвердити. Причина такої переваги інфрачервоного світла проста - пил поглинає світло на довжині хвилі, яка коротша за розмір порошинки. Розмір міжзоряних порошин від 0,1 мкм до 100 мкм, а кількість їх зростає пропорційно зменшенню їх розміру. Тобто на довжині хвилі видимого діапазону світла близько 0,5 мкм світло в міжзоряному просторі поглинатиметься набагато ефективніше, ніж у більш довгохвильовому інфрачервоному діапазоні. Це добре видно при спостереженні найбільш запилених ділянок космосу.

Можна, звичайно, піти в ще більш довгохвильовий діапазон субміліметровий і міліметровий, тоді пил стане ще меншою перешкодою. Цим шляхом йдуть російські вчені, які створюють телескоп «Міліметрон», але тоді наростає проблема зниження роздільної здатності телескопа, про що йшлося вище.Таким чином, інфрачервоний діапазон для JWST це компроміс між можливістю хоч трохи зазирнути в міжзоряні хмари і зберегти високу різкість знімків.

Космологічне червоне усунення - ще одна проблема звичайних телескопів, яка не дозволяє тому ж Hubble побачити найдавніші галактики. Наш Всесвіт розлітається в різні боки, що призводить до «розтягування» довжини хвилі світла від джерел, що віддаляються. Це означає, що давнішим буде космологічний об'єкт, тим червонішим він виглядатиме. Якогось моменту його світло остаточно піде з видимого діапазону світла в інфрачервону частину спектра, і навіть могутній Hubble його не побачить. Тобто завдання JWST входить спостереження за процесом формування найдавніших галактик. Наприклад, сьогодні вчені не розуміють, як сформувалися надмасивні чорні дірки в центрах галактик. Як з'являються звичайні чорні дірки — ми вже розібралися, а ось із надмасивними поки що загадка. Начебто можна цього досягти шляхом злиття безлічі звичайних чорних дірок, але звідки їх взяти в необхідній кількості на ранньому етапі життя Всесвіту? Поки що незрозуміло.

Крім, власне, оптичних особливостей, James Webb Space Telescope має і досить серйозний набір спектрометричних приладів, тому якісь його відкриття не завжди супроводжуватимуться гарними фотографіями. Тут можуть бути знайдені і органічні речовини у водяних фонтанах Енцеладу та Європи, та визначено склад атмосфер щодо близьких екзопланет. Можливо, саме завдяки JWST у якоїсь із сусідніх зірок буде знайдена землеподібна планета, придатна до переселення, на випадок, якщо Земля опиниться під загрозою знищення якоюсь кометою з хмари Оорта…