Космический телескоп Джеймса Уэбба отправляется в космос

Подготовка к запуску крупнейшего космического телескопа идет полным ходом – космический телескоп Джеймса Уэбба, как ожидается, выйдет в космос на следующей неделе. Аппарат не будет вращаться вокруг Земли, а будет «припаркован» в так называемой точке освобождения, в 1,5 миллиона километров от нашей планеты.

В 2002 году было принято официальное решение назвать будущий космический телескоп James Webb Space Telescope (JWST). До этого использовался термин NGST, или космический телескоп следующего поколения. Новая обсерватория будет сосредоточена на космических исследованиях в области инфракрасного излучения и сможет изучать объекты, в 1000 раз более слабые, чем нынешние телескопы.

Фото: ESA, M. Pedoussaut, CC BY-SA 4.0

После более чем двадцатилетних разработок и конструкторских работ новый космический телескоп готов к запуску. Текущая дата вывода телескопа JWST в космос теперь назначена на 24 декабря. Предполагаемый срок эксплуатации объекта – пять лет, а запасов топлива на борту для необходимых корректировок пути должно хватить на десять лет. Если повезет, JWST может превысить установленный срок службы. Его функционирование не должно быть нарушено даже небольшим повреждением объектива из-за столкновения с космическим мусором.

Взгляд на истоки космоса

Телескоп будет работать в поле инфракрасного излучения с длиной волны 0,6-28 мкм (микрометров), что удобно, например, при наблюдении очень далеких объектов с большим красным смещением или тел с низкой температурой поверхности. Инфракрасное излучение может проникать сквозь облака космической пыли, непроницаемые для видимого света. JWST позволит лучше изучать далекие туманности, молекулярные облака на месте зарождающихся звезд, пылегазовые диски молодых многолетников с появляющимися планетами, ядра активных галактик и т. д.

Благодаря большому объективу телескопа мы получаем совершенно неожиданные, уникальные знания. Инструмент может концентрировать примерно в 7 раз больше света, чем космический телескоп Хаббла (HST). Повышение чувствительности позволит астрономам оглянуться назад во времена космоса, когда после Большого взрыва начали формироваться первые галактики. Телескоп будет полезен для всех областей астрономии и буквально произведет революцию, например, в изучении образования и эволюции звезд и планетных систем. Также будет уделено внимание поиску возможных проявлений жизни в космосе.

После запуска JWST будет направлен в район так называемой точки освобождения Лагранжа L2 на расстоянии примерно 1,5 миллиона километров от Земли (в направлении, противоположном Солнцу), то есть примерно в 4 раза дальше, чем Луна. Он будет кружить вокруг точки освобождения по трассе радиусом 800 000 км с временем обращения около 90 дней. При размещении телескопа в зоне L2 нет необходимости использовать в его конструкции трубку, что также снижает вес и цену устройства. Однако все его компоненты должны надежно функционировать в течение длительного времени, так как обслуживание или ремонт будут невозможны, как в случае с Хабблом.

Три месяца в напряжении

Текущая дата запуска телескопа JWST теперь назначена на 24 декабря. Однако нельзя исключать еще одну отсрочку запуска – несколько дней назад НАСА объявило о переносе запуска телескопа на два дня с первоначально запланированного 22 декабря. Причина – работа по устранению проблемной связи между телескопом и ракетой. Что будет в первые дни миссии?

Фото: https://medium.com/

Обсерватория отделяется от носителя примерно через полчаса после запуска, и сразу после этого раскрываются солнечные батареи. Через два часа после взлета основная антенна связи наклоняется и активируется. Через десять с половиной часов после запуска телескоп преодолеет расстояние Луны от Земли и выполнит первую коррекцию орбиты с помощью своих небольших ракетных двигателей. Через два с половиной дня после взлета последует вторая коррекция, а передняя и задняя части солнцезащитного козырька начнут раскладываться, освобождая оставшиеся подсистемы, защищенные от взлетной вибрации. На шестой день демонтируют несущую конструкцию с вторичным зеркалом.

В конце первого месяца пребывания в космосе произойдет третья коррекция траектории, которая обеспечит вывод прибора на запланированную орбиту вокруг точки освобождения L2. Оборудование ISIM будет нагреваться в профилактических целях для предотвращения возможной конденсации водяного пара. Через тридцать три дня после взлета в эксплуатацию будут введены аппараты FGS, NIRCam и NIRSpec. Затем начнется развертывание и регулировка сегментов главного зеркала, а через 60-90 дней после начала будет завершено точное выравнивание сегментов развертывания главного зеркала, чтобы оно могло функционировать как сплошная оптическая поверхность. Телескоп сможет сделать первые научные снимки.

Примерно на 85 день оптимизация камеры NIRCam закончится. Остальные научные инструменты будут откалиброваны еще в течение полутора месяцев. Через шесть месяцев в космосе JWST приступит к научной части миссии, и будут проводиться регулярные наблюдения.

Обсерватория с самым большим объективом

Общий вес JWST достигает 6500 кг. Для обеспечения наблюдений в области инфракрасного излучения телескоп будет работать при температуре около 33233 °C. Главное зеркало имеет диаметр 6,5 м (такая большая линза не помещается под аэродинамическую крышку ракеты, поэтому ее пришлось делать складной). Большая зона сбора концентрирует больше света, что позволяет глубже заглядывать в космос и наблюдать гораздо более тусклые объекты. Большое зеркало также позволяет делать снимки с исключительным разрешением.

Объектив состоит из 18 позолоченных шестиугольных сегментов диаметром 1,32 м, изготовленных из бериллия. Благодаря использованию этого элемента каждый будет весить всего 20 кг (или 40 кг, включая используемые приводы). Важно, чтобы сегменты не были прочно прикреплены к опорной конструкции: у них будет собственная система калибровки, которая позволит незначительно корректировать их положение по мере необходимости и, таким образом, изменять кривизну зеркала и устанавливать точную оптическую область.

Фото: NASA, CC0

Важной частью оптической системы является круглое вторичное зеркало диаметром 0,74 м, отражающее захваченное излучение в фокус оптической системы. Затем там будет установлено третье наклонное зеркало, которое будет направлять излучение на отдельные научные инструменты. Поверхность зеркала настолько качественная, что во время наземных испытаний телескопа при рабочей температуре 33233 °C специалисты заметили отклонения от идеальной площади всего в несколько миллионных долей миллиметра!

Поскольку космические исследования будут проводиться в области инфракрасного излучения, все инструменты должны быть максимально защищены от солнечных лучей. Это обеспечивается пятью слоями изолирующей фольги тоньше человеческого волоса, сделанной из так называемого каптона, со специальной обработкой поверхности из алюминия и кремния, которая поддерживает температуру зеркал около 33233 °C. Щиток раскроется вскоре после запуска, перед общей конфигурацией линзы.

Козырек размером с теннисный корт (около 22х12 метров) станет неотъемлемой частью JWST. Его задача – защитить телескоп не только от излучения Солнца, Земли и Луны, но и от тепла вспомогательного модуля. Это обеспечит температурный режим телескопа и поможет сохранить идеальную форму оптической поверхности зеркала. Внизу щита будет панель солнечных батарей, обеспечивающих необходимое электричество.

Основные части телескопа

Мы уже вкратце описали складное зеркало ОТЕ – главную часть обсерватории. Вспомогательный модуль SSM состоит из подсистем, используемых на других спутниках: системы питания, системы ориентации и стабилизации, телеметрии и т. д. Система ракетного двигателя будет обеспечивать коррекцию траектории при наведении на точку L2 и регулировку орбиты вокруг этой точки. Давление солнечного излучения на солнечный свет будет относительно большим из-за его размера; система ориентации и стабилизации должна иметь возможность сохранять выбранное положение устройства со значительной точностью в течение длительного времени, что также используется системой маховиков.

Модуль научных инструментов ISIM состоит из двух частей: первая – это модуль криогенной технологии, который расположен на телескопе ОТЕ. Он включает в себя научные инструменты и датчик точного наведения (FGS), который позволяет наводить телескоп на выбранную цель и отслеживать ее в течение длительного времени. Вторая часть расположена в «теплом» модуле SSM и состоит из электроники и управляющих компьютеров.

Фото: NASA, Northrop Grumman, CC BY 4.0

JWST будет оснащен тремя детекторами, которые будут «обрабатывать» свет, захваченный большим зеркалом. NIRCam, или камера ближнего инфракрасного диапазона, будет захватывать космические объекты в ближнем инфракрасном диапазоне. Все модули камер имеют коронографические маски, что позволяет снимать спектры очень слабых тел вблизи относительно ярких светящихся источников, таких как проекции планет возле звезд. NIRSpec (ближний инфракрасный спектрометр) является первым устройством такого рода в пространстве, чтобы одновременно захватить спектры более чем 100 объектов в поле зрения телескопа. Его разработку и производство обеспечило ESA. Третий детектор, МИРИ или прибор среднего инфракрасного диапазона, позволит наблюдать галактики и звезды, а также изучать химический состав межзвездной среды. Это устройство также было поставлено Европейским космическим агентством.