Какие надежды возлагают ученые на телескоп имени Джеймса Уэбба?

Идея создать крупную орбитальную станцию пришла в голову ученым давно – такой аппарат предложили создать американские специалисты в докладе HST and Beyond еще в 1986 году. Проект поддержали 17 стран: львиную долю усилий взяло на себя НАСА, кроме того существенно вложились Европейское и Канадское космические агентства (ЕКА, ККА).

«Джеймс Уэбб»: ключевые вехи истории

Главным «видящим» инструментом телескопа служит уникальное зеркало. Уникальное потому, что не цельное. К такому конструктивному решению пришли, когда поняли – зеркало в свою полную величину просто не поместится в ракете-носителе. В итоге его сконструировали из 18-ти шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия. Казалось бы, не столь уж и большое зеркало размером 6 метров, а собрать данных (света) оно сможет в 5,6 раза больше, чем не менее знаменитый «Хаббл». Кстати, эти два телескопа отличаются не только размерами, но и видом регистрируемых волн. «Хаббл» работает только в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах, «Уэббу» доступен более низкий диапазон частот: от длинноволнового видимого света до среднего инфракрасного. А это значит, что с помощью нового аппарата ученые смогут исследовать самые дальние тела во Вселенной, а также объекты с большим красным смещением (таким светом обладают первые галактики и звезды во Вселенной).

Космос среда крайне неблагоприятная, поэтому у телескопа есть пятислойная тепловая защита, позволяющая регулировать температуру зеркала и приборов. Работает «Уэбб» на значительном расстоянии от Земли – в 1,5 млн километров, его гало-орбита расположена в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля. По мнению разработчиков, это позволит избежать помех от излучения других объектов, а также снизит нагревание аппарата.

В августе 2019 года телескоп «Джеймс Уэбб» наконец собрали, и начался этап наземных испытаний. Проверку на устойчивость к шуму и вибрациям от ракеты-носителя «Ариан-5» электронная аппаратура станции не прошла, поэтому ее пришлось заменить. Два года понадобилось команде проекта на завершение всех испытаний, и в НАСА сообщили о готовности к запуску. «Уэбб» отправился в космос 25 декабря 2021 года, а спустя месяц добрался до точки назначения — гало-орбиты в точке Лагранжа L. В первую очередь исследователи протестировали инфракрасную камеру NIRCam, в феврале 2022 года запечатлев на нее изолированную звезду HD 84406.

Как неоднократно показала история, в космосе все идти абсолютно гладко и по плану не может, что и подтвердил «Джеймс Уэбб»: в период с 23 по 25 мая в одно из главных зеркал телескопа попал небольшой метеорит, нанеся повреждения. Предугадать появление этого объекта не мог никто, т.к. он не принадлежал к какому-либо известному метеорному потоку. Полученный урон оказался больше, чем было заложено при разработке на Земле. Специалисты отметили, что появились «незначительные, но ощутимые искажения в поступающих данных». К счастью, нештатные повреждения не помешали телескопу выполнять все возложенные на него задачи, отправляя даже более качественные кадры, чем должны были быть на том этапе подготовительных работ.

Первые запечатленные объекты

Первое полноценное изображение с «Уэбба» поклонников космических пейзажей не разочаровало – 12 июля общественности представили снимок скопления галактик SMACS 0723. На переднем плане ярко сияют несколько объектов — такими они были 4,6 миллиарда лет назад. Позади них более тусклые галактики, на фотографии их возраст достигает 13 миллиардов лет. Этот снимок представляет собой наложение нескольких кадров с различными длинами волн. Такие комбинированные изображения необходимы для понимания, как формировались первые звезды и галактики. «Взору» камеры NIRCam доступны самые отдаленные, а, следовательно, самые старые во Вселенной, объекты. Этот же снимок был представлен в инфракрасном спектре.

Опробовали инфракрасную камеру NIRCam и на наших ближайших соседях – Юпитере в компании его спутников Европы, Фивы и Метиды. Таким образом команда проекта выяснила, может ли телескоп снимать быстро вращающиеся объекты, а также те, которые отражают большое количество света. Эти возможности пригодятся при изучении околоземных астероидов и межзвездных комет.

Еще один интереснейший объект, запечатленный «Джеймсом Уэббом», – Квинтет Стефана. Так астрофизики называют группу из пяти сливающихся галактик в созвездии Пегаса. Это космическое явление удалено от нас на 290 миллионов световых лет. Теперь известно, что в центре Квинтета находится сверхмассивная черная дыра, а рядом рождаются новые звезды. Эти объекты интересны науке, т.к. позволят более глубоко изучить развитие галактик и скорость роста сверхмассивных черных дыр.

Также команда проекта «Джеймс Уэбб» представила изображения самой яркой и большой туманности в созвездии Киля. Пыль и газ в составе объекта до этого мешали разглядеть процесс звездообразования, который идет здесь очень активно. Но благодаря инфракрасному спектру камер телескопа стало возможным преодолеть плотную преграду из пыли. Туманность удалена от Земли не так уж сильно – на 7600 световых лет. На снимках можно разглядеть сотни новых звезд, а также испускаемые ими струи.

Следующим объектом интереса стала туманность «Восемь взрывов», она же Южное кольцо, удаленная от нас на 2000 световых лет. Эта планетарная туманность результат жизнедеятельности двух умирающих звезд, вращающихся вокруг друг друга. Они сбросили с себя внешние газовые оболочки, и звездным ветром их разметало почти на половину светового года, именно таков диаметр Южного кольца. Голубой центр в кадре — заряженный электричеством газ, а оранжевые структуры по краям — молекулярный водород (газ, состоящий двух атомов водорода). Второе изображение более детально – на нем уже видны обе умирающие звезды, что дает максимально подробное (из доступных на сегодняшний день) представление об этом процессе.

Но, пожалуй, главная сенсация за авторством «Уэбба» касается гигантской экзопланеты WASP-96b, в атмосфере которой телескоп «разглядел» воду. Объект относится к планетарной системе звезды WASP-96 в созвездии Феникса, удаленной от Земли более чем на 1000 световых лет. WASP-96b – очень горячий газовый гигант, в верхних слоях атмосферы которого с помощью спектральных измерений удалось зафиксировать наличие паров воды. Также там впервые заметили облака и скопления тумана.

«Джеймс Уэбб»: основные цели проекта

Главные надежды возлагают на «Джеймса Уэбба» в связи с изучением раннего периода возникновения Вселенной — сразу после Большого взрыва, который случился 13,8 миллиарда лет назад. Свет от тех древних и очень удаленных объектов идет до нас очень медленно, поэтому у нас есть шанс увидеть их такими, какими они были миллиарды лет назад.

Первые звезды стали населять Вселенную уже спустя 100 миллионов лет после Большого взрыва, их называют звездами населения III, по предположениям ученых, они должны были иметь гигантские размеры — в несколько сотен или даже тысяч Солнц. Еще одна гипотеза касается их состава: астрофизики уверены, что первые объекты Вселенной состояли только из водорода и гелия. Умирая, эти звезды выбрасывали в космос более тяжелые химические элементы, образовавшиеся в ходе термоядерного синтеза. Таким образом химический состав Вселенной стал более разнообразным, а заодно были созданы условия для формирования современных светил. Ученые не знают, смогут ли они обнаружить звезды-реликты, но новые технические возможности, появившиеся благодаря «Уэббу», позволяют это сделать.

«Мы собираемся заглянуть в самое раннее время, чтобы увидеть первые галактики в истории Вселенной», – сказал астроном из Научного института космического телескопа Дэн Коу.

В ведении последнего оказались два интереснейших проекта. Команда во главе с Коу будет изучать одну из самых отдаленных (из известных на сегодняшний день) галактик MACS0647-JD и самую далекую звезду Earendel, обнаруженную совсем недавно – в марте 2022 года.

Неудивительно, что воспользоваться выдающимися техническими возможностями «Джеймса Уэбба» хотят многие научные группы по всему миру. Поэтому НАСА объявило конкурс на лучший проект исследования Вселенной. В опубликованном в 2017 году списке целей «Джеймса Уэбба» было более 2100 наблюдений, из которых позднее было отобрано 286 первичных целей по семи направлениям астрономии. Ученые из НАСА получили орбитальную станцию почти в единоличное пользование – им отвели около 80% времени эксплуатации телескопа, в ЕКА — 20%, в Канадском космическом агентстве – около 5%.

Разброс исследований, интересующих астрономов, очень широк. Кто-то попытается обнаружить свет первых звезд и галактик, изучить их происхождение и развитие, а также приблизиться к истокам появления жизни. Кого-то интересуют причины и место начала реионизации – так в астрофизике называют одну из эпох становления Вселенной, когда, по неизвестным пока причинам, произошла вторичная ионизация водорода. Тема поиска похожих на Землю планет также не перестает волновать умы ученых. Близка к этой и тема изучения протопланетных дисков – астрономы проведут спектрограмму 17 дисков, которая позволит выявить их химический состав и внутреннее строение системы, что необходимо для понимания наличия воды в потенциально обитаемой зоне. Но вглядываться ученые будут не только вдаль – планируется детально изучить спутники Юпитера и Сатурна, Европу и Энцелад соответственно. Объекты интересны тем, что на них найдена вода.

В свое время наделала шума система звезды Trappist-1, вокруг которой вращаются семь каменистых планет размером с Землю. Их-то и хочет изучить доктор Оливия Лим из Монреальского университета. Исследовательница полагает, что три из семи планет удалены от светила на оптимальное расстояние, поэтому там могла зародиться жизнь. На этих планетах, вероятнее всего, присутствует жидкая вода, а возможно — озон и углекислый газ. Объект также интересен своей относительной близостью к Земле – нас разделяют всего 39 световых лет.

Беспрецедентные спектрографические возможности телескопа дают ученым широчайшее поле для исследования Вселенной. Один лишь анализ светового спектра позволяет сразу определить температуру, массу и даже химический состав астрономического объекта. Уже сейчас очевидно, что «Джеймсу Уэббу» предстоит немало интереснейших открытий, которые перевернут наше понимание космоса и его объектов так же, как когда-то сделал легендарный «Хаббл».