Чем важен космический телескоп «Джеймс Уэбб»: от первых обсерваторий до самого чёткого снимка ранней Вселенной

Как работают космические обсерватории, что они могут рассказать о тайнах космоса и каких открытий стоит ждать в ближайшем будущем.

Вторник 12 июля стал историческим днём для наблюдательной астрономии, ведь именно в этот день NASA опубликовало первые научные снимки космического телескопа имени Джеймса Уэбба, дав начало десятилетнему циклу его работы.

Рассказываем, зачем физикам понадобилось отправлять в космос телескопы, в чём отличие новой обсерватории от предшественников, и какие открытия ждут астрономы всего мира от уже ставшего знаменитостью телескопа «Уэбба».

Самый первый телескоп сконструировал Галилео Галилей в 1609 году. Изобретение великого итальянца представляло собой усовершенствованную голландскую подзорную трубу, в которой для фокусирования света используется система линз — объектив. Так как свет, проходя через линзы, преломляется — то есть, проявляется «рефракция», такие телескопы назвали «рефракторами».

У первых телескопов хватало недостатков. Например, для больших телескопов требовались массивные линзы, которые стоят очень дорого, да и масса такой конструкции становилась слишком большой. Более того, рефракторы подвержены значительной хроматической аберрации – явлению, при котором световые волны разных длин преломляются по-разному, из-за чего не попадают в одну и ту же точку (фокус).

Поэтому изображение выглядит вот так.

В 1668 году Исаак Ньютон спроектировал новый вид телескопов – рефлектор. В новом изобретении светособирающим элементом стало зеркало, а не комплекс линз. За прошедшие триста пятьдесят лет телескопы-рефлекторы эволюционировали, но принцип их работы остался неизменным.

В 1946 году астрофизику Лайману Спитцеру пришла в голову простая и в то же время гениальная идея: а что, если мы построим телескоп и отправим его в космос? Современникам Спитцера эта идея показалась безумной, ведь до первого полёта ракеты с полезным грузом на борту оставалось без малого 11 лет – ведь именно в 1957 году СССР запустил знаменитый «Простейший Спутник-1». Но учёные прекрасно понимали, что несмотря на невероятную дороговизну и сложность конструкции, у космических телескопов много весомых преимуществ перед наземными.

Что больше всего мешает наземным телескопам при наблюдении за звёздами? В первую очередь, атмосфера нашей планеты. Для невооружённого взгляда воздух на Земле прозрачен и практически незаметен. Но телескопы очень чувствительны к движению и мерцанию атмосферы.

Наверняка вам доводилось наблюдать, как в жару воздух над горячим асфальтом будто дрожит. Так происходит из-за турбулентной конвекции: горячий воздух возле раскалённого на солнце асфальта быстро поднимается вверх, а более холодный – опускается. И этот цикл повторяется постоянно. А поскольку воздух при разной плотности и температуре по-разному преломляет свет, то при хаотичном (турбулентном) перемешивании горячего и холодного воздуха возникает эффект того самого дрожания.

Точно так же ведёт себя воздух на больших масштабах. Так как телескопы смотрят на небо через всю толщу атмосферы, в которой неизбежно слои воздуха перемешиваются, то и изображения звёзд тоже искажаются и размываются. Более того, атмосфера Земли пропускает далеко не все длины световых волн, из-за чего с поверхности мы не можем увидеть весь свет от объекта.

Вторая причина, по которой наземные телескопы проигрывают космическим, – это световое загрязнение.

На Земле множество «лишних» источников естественного (Луна в ночном небе) и искусственного света. А это значит, что атмосфера планеты пусть и незначительно, но всё-таки слегка подсвечивается даже в самую тёмную ночь. Конечно, телескопы стараются размещать подальше от больших городов, но небесные тела, которые слабо излучают свет, всё равно очень трудно увидеть с поверхности.

Наконец, третья проблема наземных телескопов связана с тем, что они не могут увидеть всю небесную сферу в любое время. В зависимости от того, в каком полушарии планеты и на какой широте располагается телескоп, он может увидеть очень ограниченную область неба. Например, находясь в Северном полушарии, вы никогда не сможете увидеть Южный Крест.

И, наоборот, если телескоп установлен, скажем, в Чили, он не сможет наблюдать за Полярной звездой.

Но даже если требуемый для наблюдения объект находится в том же полушарии, он всё равно может находиться на другой стороне Земли, поэтому астрономам приходится ждать, когда планета повернётся так, чтобы телескоп смог начать наблюдения.

А телескоп, который работает в космосе, не подвержен ни искажению от атмосферы, ни световому загрязнению, а если обсерваторию разместить подальше от Земли, то для наблюдения открывается практически вся небесная сфера. В результате угловое разрешение космического телескопа – то есть, минимальный угол между двумя объектами, которые телескоп сможет различить как разные тела, – намного лучше, чем у наземных телескопов с аналогичным размером зеркала.

Впрочем, на Земле есть по-настоящему гигантские обсерватории, которые могут обходить влияние атмосферы с помощью дорогостоящей адаптивной оптики. В конце концов, для света в радиодиапазоне атмосфера нашей планеты практически безвредна, поэтому астрономы предпочитают строить радиотелескопы на Земле, нежели отправлять их в космос.

Однако инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение практически полностью блокируется атмосферой нашей планеты, поэтому в этом случае обойтись без космических аппаратов просто невозможно.

Внеземные обсерватории можно разделить на два типа: те, что сканируют всё небо, составляя астрономические карты, и те, которые наблюдают конкретные астрономические тела или небольшие участки неба. Телескопы, которые предназначены для «узкого» наблюдения, можно разделить ещё на три класса. Первый класс: «земные», изучающие Землю со стороны. Второй класс: телескопы, которые исследуют Солнечную систему. И, наконец, третий класс – обсерватории, которые изучают космические тела за пределами солнечных владений.

Впрочем, все космические телескопы объединяют две основные особенности. Во-первых, они чрезвычайно дорогие! Мало просто спроектировать телескоп. Его нужно множество раз испытать на Земле, погрузить на ракету, запустить в космос, отправить на нужную орбиту и удалённо настроить его на работу.

Во-вторых, такие телескопы очень трудно обслуживать. Если телескоп вращается на орбите вокруг Земли, то к нему крайне редко можно отправить космонавтов. А если же телескоп эксплуатируется далеко от планеты, то при выходе из строя его систем инженеры уже вряд ли смогут помочь. Так что космические телескопы – это очень рискованная научная авантюра. Но получаемые результаты стоят затраченных усилий!

Идея Лаймана Спитцера достаточно долго шла к реализации. Так, первым гамма-телескопом стал аппарат SAS 2 (Explorer 48), запущенный в 1972 году. А начал исследование рентгеновского диапазона телескоп SAS 1 (Uhuru) в декабре 1970 года, проработав без малого 3 года.

Но началось всё с серии «Орбитальных астрономических обсерваторий». Они так и назывались: «ОАО» и представляли собой серию из четырёх космических обсерваторий, запущенных в период с 1966 по 1972 год под управлением начальника отдела астрономии NASA Нэнси Грейс Роман.

В далёком 1958 году, когда профессора Артур Код, Роберт Блесс и Тед Хоук участвовали в экспериментах по изучению ультрафиолетового света на ракетах-зондах в Висконсинском университете штата Мэдисон, к ним обратилось руководство NASA с предложением отправить их зонды в космос.

Спустя несколько лет работы учёные спроектировали самую первую орбитальную станцию в истории. ОАО-А несла на своём борту приборы Висконсинского университета для наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне, а также рентгеновские приборы из Массачусетского технологического института. В 1966 году аппарат вышел в космос и сразу был переименован в ОАО-1.

Но, к сожалению, первая обсерватория не смогла собрать никаких научных данных из-за сбоя, вызвавшего скачок напряжения в электронных системах аппарата. ОАО-1 вышел из-под контроля, поскольку солнечные батареи больше нельзя было использовать для питания электрического и электронного оборудования на его борту.

Впрочем, учёные не опустили руки, потому что для миссии ОАО-А существовали резервные компоненты, поэтому NASA решило запустить следующий телескоп.

И 7 декабря 1968 года новый аппарат, получивший название ОАО-2 Stargazer («Звездочёт»), отправился в космос, дав начало космической эре наблюдательной астрономии.

Ракета Atlas-Centaur вывела его на почти круговую околоземную орбиту высотой 750 километров. «Звездочёт» весил более 1900 кг, и это был самый тяжелый спутник на орбите того времени. У него было два основных набора инструментов, обращённых в противоположные стороны: Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO) и Висконсинский экспериментальный пакет (WEP).

Эксперимент «OAO-2» за четыре года работы изучил свет 1100 звёзд в относительно высоком разрешении и получил ультрафиолетовые спектры в низком разрешении примерно для 330 звёзд.Среди прочего, аппарат открыл, что кометы окружены огромными ореолами водорода в несколько сотен тысяч километров в поперечнике.

ОАО-2 не умел делать столь красивые снимки, как «Хаббл». Тем не менее, учёные получили от него множество полезной информации. Например, по данным ОАО-2 построен график зависимости потока ультрафиолетового излучения от длины волны для двух горячих звёзд с приблизительно одинаковой температурой 30 000 Кельвинов.

Шкала слева относится к дзета (ζ) Змееносца, а шкала справа для мю (μ) созвездия Голубь. Очень разные формы этих двух спектров вызваны эффектами межзвездного поглощения из-за космической пыли. Обе звезды имеют одинаковый собственный спектр, но ζ Змееносца находится за пылевым облаком, а μ Голубя — нет. Пыль создаёт провал в спектре ζ Змееносца при 2200 Ангстрем. Ангстрем — это единица длины, на 10 порядков меньше метра. 1 Ангстрем примерно равен диаметру орбиты электрона в невозбуждённом атоме водорода.

После ошеломляющего успеха ОАО-2 учёные подготовили к отправке ОАО-В с зеркалом диаметром 0,9 м. К сожалению, запуск ОАО-В в 1970 году закончился тем, что обтекатель полезной нагрузки не отделился должным образом во время подъёма ракеты, и его избыточный вес не позволял ступени Centaur достичь орбитальной скорости. Так что аппарат стоимостью 98,5 миллионов долларов вместе со своей ракетой упали в атмосферу Земли и сгорели.

Позже катастрофу связали с дефектом в разрывном болте, который стоил каких-то 100 долларов.

Последний аппарат серии ОАО-С запущен в 1972 году и получил название ОАО-3, которое вскоре было изменено на имя Copernicus в честь польского астронома Николая Коперника. Это был совместный проект NASA и Совета по научным исследованиям Великобритании (в настоящее время известного как Совет по научным и инженерным исследованиям).

На аппарате было смонтировано зеркало диаметром 0,8 метра, с помощью которого обсерватория до февраля 1981 года вела наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне за горячими звёздами и межзвёздным газом в самых разных уголках Млечного Пути. Ещё на «Копернике» были установлены четыре рентгеновских детектора, с помощью которых астрономы обнаружили несколько долгопериодических пульсаров с временем вращения в несколько минут вместо более типичной секунды или меньше. Пульсарами называются нейтронные звёзды, испускающие в направлении Земли периодические импульсы рентгеновского или гамма-излучения.

Хотя большинство наблюдений, полученных спутником «Коперник», были проанализированы и интерпретированы астрономами Принстонского университета, NASA потребовало, чтобы все наблюдения были доступны для астрономов, формально не связанных с проектированием и строительством аппарата. Таким образом, NASA создало то, что сейчас называется «программами гостевых наблюдателей», когда другие астрономы могут предлагать программы для разных космических телескопов и получать доступ к результатам наблюдений.

Сегодня такая практика распространена на все действующие обсерватории, включая телескоп «Уэбба», у которого очередь на наблюдения расписана на годы вперёд от исследователей со всех уголков Земли.

Несмотря на то, что программа спутников OAO значительно продвинула область ультрафиолетовой астрономии, у них хватало значительных ограничений. Их детекторы представляли собой простые фотоумножители, которые могли регистрировать ультрафиолетовые фотоны только в одном элементе спектрального разрешения за раз.

Поскольку для получения всего спектра потребовалось 16 тысяч отдельных 14-секундных экспозиций, то наблюдение полного спектра звезды занимало три дня. Поэтому аппараты получили такие спектры только для нескольких наиболее ярких звёзд, а для других светил был получен только очень узкий спектральный диапазон.

Хотя две миссии OAO потерпели неудачу, успех двух других повысил осведомлённость астрономического сообщества о преимуществах наблюдений из космоса и привёл к созданию великого множества космических телескопов.

Космический телескоп Spitzer

«Спитцер» стал одним из так называемых Великих обсерваторий NASA, наряду с «Хабблом», «Чандра» и гамма-телескопом «Комптон», работавшим с 1991 по 2000 год. Все четыре телескопа запущены по одной программе космического агентства, примерно в одно время отправились в космос, но изучали определённые диапазоны электромагнитных волн.

В отличие от «Хаббла», о котором мы поговорим далее, «Спитцер» работал только в инфракрасном диапазоне от 3,6 до 160 микрометров. Он одним из первых открыл экзопланеты, для наблюдения которых, кстати, не был изначально предназначен. «Спитцер» измерил температуру «горячих юпитеров», убедившись, что далеко не все они действительно горячие.

На борту «Спитцера» находились три научных инструмента. Инфракрасная камера Infrared Array Camera наблюдала небесные тела на четырёх длинах волн одновременно. Инфракрасный спектрограф работал вместе с камерой для изучения спектров в диапазонах от 5 до 40 микрометров с низким разрешением и от 10 до 37 микрометров с высоким.

Наконец, тройной детектор Multiband Imaging Photometer for Spitzer проводил наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне.

Все инструменты телескопа охлаждались жидким гелием до практически абсолютного нуля, однако электронное оборудование работало при комнатной температуре.

Высокочувствительные приборы «Спитцера» позволили учёным заглянуть в скрытые от телескопов, работающих в видимом диапазоне, области космоса: регионы активного звездообразования, центры галактик и молодые планетарные системы.

Инфракрасные глаза «Спитцера» также позволили астрономам обнаружить в космосе холодные коричневые карлики – это и не планеты, и не звёзды. Для планет они слишком массивные и горячие, из-за чего в их недрах на некоторое время может запускаться термоядерный синтез. А для звёзд коричневые карлики, наоборот, слишком лёгкие, поэтому термоядерные реакции не могут поддерживаться долго и быстро затухают.

Помимо таких объектов «Спитцер» обнаружил гигантские молекулярные облака и органические молекулы в космосе, из которых, вероятно, могла бы образовываться жизнь на других планетах.

Первоначально телескоп должен был проработать 2,5 года, но запасов хладагента хватило на срок более 5,5 лет. Когда же в 2009 году жидкий гелий был полностью исчерпан, «Спитцер» перешёл в фазу «тёплой миссии». Обсерватория всё ещё отправляла изображения по двум длинам волн: на 3,6 и 4,5 микрометра. В августе 2016 года «тёплую миссию» завершили, и началась четырёхлетняя заключительная миссия Spitzer Beyond, которая закончилась 30 января 2020 года.

Рентгеновская обсерватория «Чандра»

Названная в честь индо-американского физика Субрахманьяна Чандрасекара обсерватория «Чандра» является самым мощным рентгеновским телескопом человечества. Целью телескопа стали все объекты, испускающие рентгеновское излучение: от квазаров до аккреционных дисков чёрных дыр. Вещество излучает свет в этом диапазоне только тогда, когда разогревается до миллионов градусов! Такие температуры возникают там, где царствуют сильные магнитные поля, экстремальная гравитация, сталкиваются нейтронные звёзды или взрываются сверхновые.

«Чандра» несколько раз объединялась с другими телескопами, в том числе с «Хабблом», чтобы получить составные изображения галактик.

Обсерватория обнаружила множество чёрных дыр по излучению их аккреционных дисков, наблюдала за движением звёзд вокруг Стрельца А* (сверхмассивной чёрной дыры в нашей Галактике), а также сделала первые рентгеновские снимки Марса.

Огромные облака горячего газа в скоплениях галактик могут достигать размеров в миллионы световых лет и содержать достаточно материи для образования миллиардов звёзд. Рентгеновские телескопы могут не только обнаруживать такие облака, но и изучать горячий газ взрывающихся сверхновых и гиперновых.

Вместе с космическим телескопом «Хаббл», рентгеновская обсерватория «Чандра» работает до сих пор вот уже почти 23 года! И совсем недавно, в 2020 году «Чандра» обнаружила потенциального кандидата в экзопланету M51-ULS-1b за пределами Млечного пути – в галактике Водоворот.

Обсерватория «Кеплер»

«Кеплер» – один из важнейших инструментов для поиска планет за пределами Солнечной системы. Миссия «Кеплер», запущенная в 2009 году, специально разработана для исследования ближайшей области Млечного Пути. В 2018 году обсерватория закончила работу, и нашла 3246 планет из 5054 обнаруженных за всё время наблюдений всеми телескопами вместе взятыми. Для сравнения: новый телескоп TESS, вышедший на орбиту в 2018 году, за всё время работы обнаружил пока что всего 227 экзопланет.

Миссия «Кеплер» нашла планеты с самыми разными размерами, орбитами и химическими составами.

Видов экзопланет существует гораздо больше, чем в Солнечной системе. Тут вам и каменные суперземли, масса которых превышает земную в 1,5–10 раз. И горячие юпитеры, которые вращаются настолько близко к родным звёздам, что практически касаются их поверхности. А ещё бывают мининептуны – промежуточный класс планет между землеподобными и газовыми гигантами.

Научные цели миссии «Кеплер» заключались в исследовании структуры и разнообразия планетарных систем. Аппарат занимался определением процента суперземель из общего числа экзопланет, определил их размеры и форму орбит, оценил количество планет в системах с несколькими звёздами, вычислил массу, плотность, размеры и отражательную способность (альбедо) планет-гигантов.

Помимо этого, немаловажной задачей «Кеплера» и TESS является поиск планет земной группы с жидкой водой на поверхности, которые находятся в зоне обитаемости своих звёзд. Сложность такого поиска заключается в том, что подавляющее большинство экзопланет мы можем обнаружить транзитным методом.

Суть его заключается в следующем: орбиты экзопланет вокруг разных звёзд наклонены на какой-либо градус по отношению к наблюдателю на Земле. Но в редких случаях экзопланеты проходят строго между нами и материнской звездой – то есть, путь планеты пересекает диск звезды. Из-за того, что экзопланета тусклая, то когда она проходит по диску светила, яркость звезды немного снижается. «Кеплер» определяет эти крохотные провалы яркости, благодаря чему можно вычислить и радиус орбиты экзопланеты, и скорость её движения.

По размеру орбиты и температуре звезды можно рассчитать примерную температуру планеты и ответить на вопрос, возможно ли вообще хотя бы теоретическое зарождение на ней жизни или нет.

К сожалению, далеко не всегда орбиты экзопланет ориентированы ребром к нам, поэтому транзитный метод не подходит для поиска экзопланет, которые не загораживают свет родительских звёзд от наблюдателей на Земле. А ещё таким образом мы можем находить только такие планеты, год на которых идёт очень быстро.

Например, аналог Юпитера, который делает полный оборот вокруг Солнца за 11,86 лет, «Кеплер» не способен достоверно обнаружить, потому что для полного подтверждения экзопланеты аппарат должен увидеть, как она минимум дважды пересекает диск светила. Ведь обсерватория находилась на орбите всего 9 с лишним лет.

Planck Observatory

Обсерватория имени Макса Планка работала всего четыре года, с 2009 по 2013-й, зато успела совершить множество крайне важных для науки открытий. «Планк» работал в микроволновом диапазоне и изучал реликтовое излучение.

Этот самый древний свет Вселенной образовался в момент, когда в ней в ходе «реионизации» образовались первые нейтральные атомы. И этот свет до сих пор вокруг нас по всей Вселенной – он называется «реликтовым излучением», которое за долгие годы ушло в микроволновый спектр.

За время работы «Планк» не только составил полную карту реликтового излучения, но и определил, что во Вселенной всего лишь 4,9 % барионной материи, из которой состоит всё видимое вещество: звёзды, планеты, галактики, а также мы с вами. Тёмной материи во Вселенной значительно больше – 26,8 %, а на тёмную энергию приходятся колоссальные 68,3 % от всей материи и энергии Вселенной!

А ещё «Планк» уверенно установил существование трёх типов нейтрино – электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также подтвердил некоторые предсказания космической инфляции – гипотетического экстремально быстрого расширения Вселенной в первые мгновения её существования.

Herschel Space Observatory

Аппарат имени сэра Уильяма Гершеля был запущен в космос 14 мая 2009 года, и до запуска телескопа «Уэбба» оставался самым мощным инфракрасным космическим телескопом.

Обсерватория проработала до 2013 года и наблюдала самые холодные космические объекты, которые излучали только в дальнем инфракрасном диапазоне вплоть до субмиллиметровых длин волн.

«Гершель» искал воду в кометах Солнечной системы и в далёких газопылевых облаках, наблюдал за образованием звёзд и их взаимодействием со своими протопланетными дисками, изучал формирование и развитие далёких галактик.

В 2013 году аппарат исчерпал большую часть топлива, и инженеры приняли тяжёлое решение — вывести обсерваторию на орбиту вокруг Солнца, на которой она останется навсегда.

Космический телескоп Fermi Gamma-ray

Fermi начал работу на низкой околоземной орбите в 2008 году. Аппарат разработан для изучения так называемых гамма-всплесков — самых колоссальных единовременных выбросов энергии во Вселенной. Продолжительность таких всплесков редко превышает диапазон от 10 миллисекунд до 2 секунд. Однако астрономы наблюдали и ультра-длинные гамма-всплески, которые горели до 6 часов!

Отличительной особенностью гамма-всплесков является длительное послесвечение в рентгеновском, ультрафиолетовом и видимом диапазоне электромагнитных волн. Долгое время учёные не могли точно определить природу гамма-всплесков, однако благодаря данным Fermi и его предшественника Swift удалось выявить вот такую закономерность.

Короткие гамма-всплески образуются при слиянии двух нейтронных звёзд, либо при падении нейтронной звезды на чёрную дыру. А длинные гамма-всплески испускаются во время взрывов сверхновых звёзд, когда коллапсирует (то есть, экстремально быстро сжимается) быстро вращающееся ядро умирающей звезды.

Первоначально обсерватория Fermi называлась «Гамма-лучевым космическим телескопом большой площади» (GLAST), однако уже после запуска её назвали в честь великого физика Энрико Ферми, известного за создание первого в мире ядерного реактора.

Основным инструментом обсерватории «Ферми» является «Телескоп большой площади» (LAT), который непрерывно обозревает всю небесную сферу в поисках галактических ядер, пульсаров и других источников высокоэнергетического излучения. Поле зрения LAT покрывает около 20 процентов неба и позволяет просканировать всё небо каждые три часа.

Естественно, на борту аппарата также установлен монитор гамма-всплесков (GBM), работающий вместе с LAT, как единое целое.

В настоящее время в научное объединение LAT входят более 400 учёных и аспирантов из более чем 90 университетов и лабораторий в 12 странах мира. В результате сотрудничества по данным «Ферми» опубликованы статьи о пульсарах, активных ядрах галактик, шаровых скоплениях, космических электронах и позитронах, гамма-всплесках, двойных звёздах, остатках сверхновых, диффузном гамма-излучении и непрямых поисках тёмной материи.

Swift Gamma Ray Burst Explorer

Как и обсерватория Fermi, аппарат Swift также сканирует небо в гамма-диапазоне, чтобы найти гамма-всплески. Swift способен, обнаружив всплеск, за минуту навестись на него, отслеживая затухание вспышки.

В 2008 году Swift зафиксировал самый далёкий гамма-всплеск, который произошёл, когда Вселенной было всего 520 миллионов лет. А в 2019 году аппарат наблюдал GRB 190114C — самый мощный гамма-всплеск в истории, высвободивший энергию около тераэлектронвольт. То есть, это была самая яркая вспышка света, которую человечество когда-либо наблюдало.

Запущённый в 2004 году аппарат должен был проработать всего два года, однако Swift работает и по сей день.

Спектр-Р и Спектр-РГ

«Спектр-Р» — российский аппарат, на борту которого установлен 10-метровый радиотелескоп, который работает в составе программы «РадиоАстрон» вместе с наземными радиотелескопами. Обсерватория была разработана научно-производственным объединением (НПО) имени Семёна Лавочкина.

«Спектр-Р» был запущен 18 июля 2011 года. Основной научной целью миссии стало изучение астрономических объектов с угловым разрешением до нескольких миллионных долей угловой секунды. Сам по себе космический аппарат не может достичь такого разрешения. Поэтому «Спектр-Р» работал в составе интерферометра со сверхдлинной базой совместно с наземными обсерваториями в Австралии, Чили, Китае, России, Украине, США и Южной Африке.

О том, как устроены такие интерферометры, мы рассказывали в материале о «Телескопе Горизонта Событий» (ЕНТ). В отличие от ЕНТ, «РадиоАстрон» занимался изучением не самих сверхмассивных чёрных дыр, а их джетов — вырывающихся из центра некоторых галактик (квазаров) длинных релятивистских струй вещества, разогнанного почти до световой скорости.

«РадиоАстрон» смог определить, что джеты не однородны, вещество в них закручивается в спираль. А ещё соотношение длины и ширины джета к сверхмассивной чёрной дыре, которая его испустила, показывало, что большую роль в формировании струи играет аккреционный диск падающей на дыру материи.

Другой целью проекта являлось изучение регионов активного звёздообразования, структуры галактик и межзвёздного пространства, а также распределения тёмной материи.

Космический аппарат «Спектр-Р» проработал в 2,5 раза дольше запланированного срока, но, к сожалению, в начале 2019 года обсерватория перестала отзываться на команды с Земли, хотя и передавала сведения о своём состоянии. Поэтому после безуспешных попыток восстановить работоспособность «Спектр-Р», астрономы приняли решение завершить миссию 30 мая 2019 года.

Впрочем, в том же году НПО имени Лавочкина запустила второй проект серии «Спектр», названный «Спектр-РГ» («Рентген-Гамма»). На борту новой обсерватории находятся два научных инструмента — немецкий рентгеновский телескоп eROSITA, спроектированный Институтом внеземной физики общества Макса Планка, и российский ART-XC, разработанный Институтом космических исследований РАН.

В отличие от предыдущей обсерватории, «Спектр-РГ» работал самостоятельно, поэтому не мог полагаться на преимущества интерферометрии со сверхдлинной базой. А это значит, что рассмотреть вблизи квазары аппарат не может, поэтому перед ним стояла другая задача: составить широкомасштабную карту Вселенной в рентгеновском диапазоне. До «Спектр-РГ» такую задачу выполнял немецкий спутник ROSAT в 1990-х, однако новая обсерватория примерно в 30 раз чувствительнее, а значит, что и карта неба должна стать значительно более детальной.

В настоящее время телескоп eROSITA переведён в безопасный режим, поэтому на аппарате «Спектр-РГ» работает только телескоп ART-XC, который занимается наблюдением за теми областями неба, которые планировалось рассматривать после окончания основной миссии.

XMM-Newton

В коротких длинах волн больших успехов добился до сих пор действующий аппарат XMM-Newton Европейского Космического агентства. Эта обсерватория имени Исаака Ньютона, отправленная на орбиту в 1999 году, изучает источники рентгеновского излучения во Вселенной.

На борту обсерватории установлены сразу три телескопа, с помощью которых XMM-Newton обнаруживает галактики, расположенные в миллиардах световых лет от Земли, изучает области активного звёздообразования, а также наблюдает магнетары — нейтронные звёзды с экстремально сильными магнитными полями. Кроме того, обсерватория нанесла на трёхмерную карту Вселенной около 12000 сверхмассивных чёрных дыр, расположенных в центрах галактик и галактических скоплений.

По данным обсерватории написано более 5600 научных статей.

Обсерватория Gaia

Gaia — запущенный в 2013 году космический телескоп, который работает в видимом диапазоне. Впрочем, «Гайя» или «Гея», названная в честь древнегреческой богини Земли, в отличие от «Хаббла», не присылает красивые фотографии отдельных объектов. Эта обсерватория занимается сканированием небесной сферы. Её миссия продлится, как минимум, до 2025 года.

Обсерватория предназначена для астрометрии: измерения положения, расстояний и движения звёзд Млечного Пути с беспрецедентной точностью. Миссия Gaia создаёт точную трёхмерную карту звёзд, их скоплений и туманностей в Млечном Пути, а также помогает определить происхождение и эволюцию Галактики.

Спектрофотометрические измерения дают учёным возможность определить физические свойства всех наблюдаемых звёзд, а именно: светимость, эффективную температуру, массу и химический состав. Короче говоря, обсерватория Gaia является переписчиком звёздного населения. Понимание развития небесных тел нашей Галактики позволит астрономам понять, как образовался и эволюционировал Млечный Путь, а вместе с ним и наша Солнечная система.

Помимо этого, миссия направлена на создание самого большого и точного трёхмерного космического каталога, который включает в себя около миллиарда астрономических объектов.

Чтобы изучить точное положение и движение звёзд, Gaia сканировала их примерно 70 раз в течение первой пятилетней миссии с 2014 по 2019 год. В настоящее время её миссия продлена до конца этого года, но учёные планируют продолжать работать с обсерваторией до 2025 года.

Gaia изучает объекты в широком диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового. Кроме того, Gaia обнаруживает экзопланеты размером с Юпитер или больше с помощью астрометрии, а также экстремально яркие квазары за пределами Млечного Пути.

Солнечный зонд Parker Solar Probe

Технически этот космический зонд неправильно называть «телескопом», однако не упомянуть его было бы неправильно. Зонд запущен в 2018 году с целью наблюдения за солнечной короной. А ещё зонд стал первым космическим аппаратом в истории, который настолько близко приблизился к Солнцу, что на пять часов погрузился в корону звезды — верхний слой её атмосферы!

Системы аппарата защищены от сильной жары и радиации солнечным экраном. Падающее солнечное излучение в перигелии примерно в 475 раз больше, чем на околоземной орбите, поэтому для защиты зонду потребовался защитный экран толщиной 11,4 см из армированного углеродного композита, который выдержит температуру около 1370 градусов по Цельсию.

На защитный экран нанесён тонкий слой оксида алюминия, а все системы зонда и его научные приборы спрятаны в центральной части щита, в котором прямое излучение звезды полностью блокируется. Если бы этого экрана у «Паркера» не было, то на расстоянии 24 миллиона километров до поверхности Солнца он сгорел бы за десять секунд.

Из-за того, что радиосигнал от Земли до зонда идёт примерно восемь минут, «Паркеру» приходится самостоятельно ориентироваться в пространстве, чтобы не попасть под прямые солнечные лучи. Для этого у «Паркера» есть четыре световых датчика за пределами защитного экрана. Их сигнал заставит зонд повернуться с помощью своих реактивных двигателей, чтобы сохранить научные инструменты в тени.

А ещё у «Паркера» двойная система солнечных батарей. Первая использовалась до момента, когда зонд подлетел к Солнцу в четыре раза ближе, чем Земля, а вторичная батарея маленького размера питает аппарат, пока он находится совсем рядом со звездой.

Итак, «Паркер» изучит структуру и динамику корональной плазмы и магнитного поля Солнца, потоки энергии, которые приводят в движение солнечный ветер. А ещё зонд решит проблему нагрева солнечной короны, которая по неизученным до конца причинам раскаляется до миллионов градусов, хотя сама поверхность звезды нагрета до 5000 градусов.

Космический телескоп имени Эдвина Хаббла — настоящая легенда астрономии. Он работает без малого 32 года и проработает, как минимум, до 2030-го! За это время легендарная обсерватория передала на Землю миллионы изображений, которые предоставляют астрономам ценнейшую информацию о космических телах.

«Хаббл» настолько глубоко заглядывает в космос, что наблюдает объекты, чей свет шёл до Земли миллиарды лет. Это означает, что астрономы видят их такими, какими они были в далёком прошлом. В каком-то смысле космический телескоп «Хаббл» представляет собой машину времени, с помощью которой мы можем увидеть, как выглядела Вселенная всего лишь через пятьсот-восемьсот миллионов лет после Большого взрыва.

Космический телескоп «Хаббл» вышел на орбиту 24 апреля 1990 года на борту космического корабля «Дискавери». Но если бы в 1986 году не случилось страшной катастрофы с шаттлом «Челленджер», обсерватория начала бы свою работу на несколько лет раньше.

Впрочем, головной болью для инженеров стал не отложенный запуск, а кошмарная ошибка в калибровке зеркала, из-за которой оно не смогло правильно сфокусироваться. Оказалось, что главное зеркало было отшлифовано на неправильный размер. Миссия стоимостью 1,5 миллиарда долларов оказалась под угрозой срыва ещё до своего начала.

Хотя дефект шлифовки зеркала оказался по размерам меньше человеческого волоса в 50 раз, из-за него фотографии «Хаббла» страдали сферической аберрацией и оказывались чрезвычайно размытыми. Уж явно не того эффекта ожидали учёные после нескольких лет разработки телескопа.

Поэтому инженеры придумали для «Хаббла» сменную «контактную» линзу под названием COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement) для устранения дефекта. COSTAR состоял из нескольких небольших зеркал, которые перехватывали луч от неисправного зеркала, искажали его на величину дефекта и передавали исправленный луч научным приборам в фокус зеркала.

Впрочем, исправили телескоп не в одночасье. Инженеры потратили 11 месяцев на разработку устройства, а первая пилотируемая миссия с семью астронавтами на борту космического корабля «Индевор» вылетела только в декабре 1993 года.

Ровно неделю экипаж монтировал COSTAR, а инженеры NASA тестировали телескоп на предмет улучшения изображения. И усилия того стоили! Впрочем, в настоящее время ни одного оригинального инструмента на «Хаббле» не осталось — все усовершенствованные девайсы отправлялись на орбиту уже с встроенной корректирующей оптикой для дефекта зеркала, поэтому COSTAR больше не нужен. Однако, когда вы в очередной раз посмотрите на красивые фото «Хаббла», не забывайте, что вообще-то телескоп по умолчанию видит их абсолютно размытыми.

Телескоп «Хаббл» — это телескоп-рефлектор системы Лорана Кассегрена. Такие телескопы имеют два зеркала: главное и вторичное. Вогнутое главное зеркало с диаметром 2,4 м отбрасывает лучи света на вторичное выпуклое зеркало.

Вторичное зеркало диаметром 0,3 м отражает свет в фокусную точку позади главного зеркала. В фокусе находятся маленькие, полупрозрачные зеркала, которые распределяют падающий свет на различные научные инструменты.

Зеркала телескопа выполнены из стекла и покрыты тончайшими слоями чистого алюминия и фторида магния, которые отражают видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет.

В настоящее время на телескопе установлено несколько основных инструментов. Широкоугольная камера WFPC2 является основной камерой обсерватории, которая видит свет в видимом и ультрафиолетовом диапазонах и строит изображения в естественных цветах.

Чтобы видеть инфракрасный свет, у телескопа «Хаббл» есть сразу несколько инструментов. Один из них — спектрометр NICMOS. Другой — спектрограф STIS, который разлагает поступающий в него свет на отдельные цвета (только не в видимом, а в инфракрасном диапазоне). Раньше именно STIS по спектру космического тела определял его температуру, плотность и направление движения. Однако в 2004 году этот инструмент отключился и больше не работает.

В ходе ремонтной миссии февраля 2002 года астронавты установили на телескоп «Усовершенствованную исследовательскую камеру» ACS, которая удвоила поле зрения телескопа. ACS наблюдала свет в видимом диапазоне и помогала составить карту распределения тёмной материи, нашла массивные экзопланеты и изучала эволюцию скоплений галактик. Инженеры рассчитали, что камера прослужит пять лет, и ровно в январе 2007 года из-за перебоя в электроснабжении две камеры из трёх были отключены.

Ещё одним инструментом на борту телескопа являются датчики точного наведения (FGS), которые наводят телескоп и точно измеряют положение и диаметры звёзд, а также различают двойные звёзды. Всего у «Хаббла» три таких датчика. Когда какой-либо датчик находит направление на требуемую звезду, он фиксируется на ней и передаёт информацию в систему рулевого управления телескопа, которая удерживает обсерваторию на месте.

Формирующиеся планетарные системы

Многие наблюдаемые туманности представляют собой плотные области межзвёздного газа, освещённого излучением молодых звёзд. В ближайших к нашей Солнечной системе туманностях «Хаббл» обнаружил множество протопланетных систем, в центрах которых можно увидеть отдельные молодые солнца. Ещё не до конца сформировавшиеся, новорождённые светила испускают протяжённые струи плазмы за счёт действия мощных магнитных полей.

Открытие новых протопланетных систем особенно важно потому, что человечество очень хочет отыскать если не саму жизнь на других планетах, то хотя бы подходящие для её зарождения условия. К тому же, наблюдая за звёздными колыбелями, люди лучше понимают, как формировалась наша собственная Солнечная система.

Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик

Непосредственно саму тень чёрной дыры «Хаббл» не может увидеть, зато его высокое угловое разрешение позволяет астрономам измерить орбитальные скорости звёзд и газа вблизи галактических центров.

Скорости звёзд возле сверхмассивных чёрных дыр теоретически должны достигать тысяч километров в секунду, и данные «Хаббла» подтвердили такие невероятные скорости. Разогнать звёзды могут только супер-массивные чёрные дыры, которые весят в миллион, а то и миллиарды раз больше, чем Солнце.

А ещё «Хаббл» снял несколько галактических центров, в которых сверхмассивные чёрные дыры активно пожирают вещество. Такие центры галактик называются «квазарами» — одними из самых ярких объектов во Вселенной. Когда чёрная дыра поглощает много вещества, магнитные поля аккреционного диска вокруг неё выбрасывают часть вещества в виде гигантских джетов.

Ключевые данные, полученные телескопом «Хаббла», показывают зависимость между массой сверхмассивной чёрной дыры и свойствами самой галактики. Так что эта информация может дать ключ к пониманию того, как и почему образовались и галактики, и эти гигантские чёрные дыры.

Ускоренное расширение Вселенной – тёмная энергия

Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что гравитация, притягивающая любые массивные тела друг к другу, должна замедлять расширение Вселенной. И до конца XX века ни у кого из учёных не было сомнений в том, что хотя наш мир расширяется, этот процесс постепенно замедляется.

Однако в 1998 году космический телескоп «Хаббл» практически перевернул с ног на голову наше представление о космологии. Оказалось, что Вселенная не просто расширяется, но и ускоряется! Чем дальше от нас находятся галактики, тем быстрее они от нас убегают. Как будто некоторая сила противостоит гравитации, расталкивая массивные тела друг от друга.

Чтобы согласовать полученные данные с общей теорией относительности, учёные пришли к выводу, что эта «тёмная энергия» должна обладать отрицательным давлением, которое и создаёт отталкивающий эффект.

На сегодняшний день нет хоть сколько-нибудь полного объяснения, что такое тёмная энергия. Существует три гипотезы объяснения её природы. Первая гласит, что тёмная энергия — это та же гравитация, только требующая модификации теоретических выкладок на масштабах всей видимой Вселенной.

Вторая гипотеза предполагает, что это некоторое динамически изменяющееся поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени. В пользу этой гипотезы говорят наблюдаемые данные: наша Вселенная расширялась с ускорением не с самого своего рождения, потому что тёмная энергия обогнала по силе гравитацию примерно 5 миллиардов лет назад.

Наконец, третья гипотеза говорит, что тёмная энергия — это энергия самого вакуума. Утверждение, что вакуум – это «пустое пространство», на самом деле, ошибочное. Согласно квантовой механике, в каждой точке пространства есть какие-либо квантовые поля, у которых есть ненулевое наименьшее энергетическое состояние. Причём, эти состояния испытывают постоянные колебания — флуктуации.

Причина таких флуктуаций в принципе неопределённости, характерном для микромира. Из-за того, что энергия колеблется, то в вакууме постоянно рождаются и тут же умирают пары частиц. Поскольку одна частица обычная, а другая — античастица, то они тут же друг об друга уничтожаются. А так как такие частицы ни с кем, кроме самих себя, не успевают взаимодействовать, то их называют «виртуальными».

Короче говоря, в вакууме постоянно бурлит суп из таких виртуальных частиц, а значит, его энергия никогда не равна нулю. Причём минимальная энергия вакуума однородна в пространстве и постоянна во времени. И на больших масштабах гипотетически эта энергия может быть той самой тёмной энергией.

Впрочем, задача проверки этой гипотезы не лежит на плечах «Хаббла». Однако открытие ускорения расширения Вселенной помогло учёным понять, что следующий телескоп должен работать в другом оптическом диапазоне — инфракрасном.

Чем ещё знаменит телескоп «Хаббл»

Легендарная обсерватория совершила ещё множество прекрасных научных открытий и наблюдений. Например, в 1994 году она сняла столкновение кометы Шумейкеров — Леви с Юпитером в 1994 году.

А ещё «Хаббл» сфотографировал поверхности карликовых планет Плутона и Эриды, запечатлел полярные сияния на Сатурне, Юпитере и его спутнике Ганимеде. Потом он обнаружил аналоги гамма-всплесков в видимом диапазоне. Подтвердил гипотезу об изотропности Вселенной — то есть, наш мир (по крайней мере, его видимая часть) на больших масштабах одинакова, а свойства Вселенной в одних её уголках ничем не отличаются от других.

И, наконец, телескоп «Хаббл» сфотографировал самые дальние объекты Вселенной. Эти фотографии получили название «Hubble Ultra Deep Field» и «Hubble Extreme Deep Field».

Без атмосферы, без вращения Земли учёным достаточно просто направить «Хаббл» на интересную точку в небе, применить любой фильтр по длинам волн и провести продолжительное наблюдение для длинной выдержки.

Таким образом, астрономы и заглянули настолько глубоко во Вселенную. Эти фотографии являются сборной композицией данных в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне, в которых обнаружены около 5500 галактик. Причём, эта область покрывала всего лишь одну часть неба из 32 миллионов!

А самая далёкая галактика, когда-либо открытая «Хабблом», GN-z11, находится на пределе его возможностей. На изображении ультра-глубокого поля можно рассмотреть галактику UDFj-39546284, которая существовала уже через 380 миллионов лет после Большого взрыва!

Этот объект наблюдался во всех диапазонах, которые может увидеть «Хаббл», но ему удалось различить только ультрафиолетовый свет, который из-за эффекта Доплера при расширении Вселенной стал инфракрасным.

Учёным очень повезло, что свет от этой галактики прошёл через гравитационную линзу, увеличившую её яркость так, что «Хаббл» обнаружил UDFj на самом пороге чувствительности. К счастью, на пути между галактикой и нами практически ничто не рассеяло её свет, однако никакой другой объект на таких гигантских расстояниях нами пока что не наблюдался. И телескоп «Хаббл» уже точно не сможет заглянуть в прошлое ещё дальше.

Хотя с помощью «Хаббла» получено бесчисленное множество невероятных изображений и открытий, у него есть несколько серьёзных ограничений.

Телескоп не может наблюдать объекты рядом с Солнцем, потому что ярчайший свет звезды и высокая температура поджарят его инструменты. По этой причине обсерватория всегда направлена в противоположную от Солнца сторону. Помимо Меркурия и Венеры, телескоп не может наблюдать звёзды и галактики, которые на небесной сфере расположены рядом с нашим светилом.

К тому же телескоп вращается в непосредственной близости от Земли. А астрономам иногда требуется наблюдать объекты, которые нашей планетой заслоняются. Но поскольку «Хабблу» нужно время, чтобы облететь Землю, физики могут не успеть пронаблюдать за каким-либо скоротечным событием.

Наконец, обсерватория постоянно проходит через часть радиационных поясов Ван Аллена, в которых заряженные частицы солнечного ветра захватываются магнитным полем Земли. Из-за того, что эти частицы являются причиной высокого радиационного фона, мешающего работе детекторов, телескоп не может вести наблюдения в моменты пролёта через пояса.

Орбита «Хаббла» не единственная проблема для полноценной работы телескопа. Например, он ограничен размером своего зеркала, устаревшими инструментами, температурой эксплуатации и диапазоном волн. Но самое главное, чего не хватает уникальному телескопу, — это время.

Итак, разрешение любого телескопа определяется количеством длин волн света, которые могут пройти через его главное зеркало. Зеркало «Хаббла» диаметром 2,4 метра позволяет получить ограниченное дифракцией разрешение в 0,05 угловых секунды.

На самом деле, это замечательное разрешение, потому что только в последние годы самые мощные наземные телескопы со сложными системами адаптивной оптики смогли составить конкуренцию «Хабблу».

Тем не менее, нет предела совершенству. Чтобы улучшить разрешение «Хаббла», можно или использовать более короткие длины волн, чтобы через зеркало того же размера прошло больше света, либо построить более крупную обсерваторию.

Оптика «Хаббла» предназначена для наблюдения в ультрафиолетовом свете, видимом свете и ближнем инфракрасном свете в диапазоне длин волн примерно от 100 нанометров до 2,8 микрон. Но «Хабблу» меняли оптические приборы в 2009 году, когда NASA отправило к нему последнюю миссию по сервисному обслуживанию.

Умение собирать много света очень полезно для получения «глубоких» изображений, которые мы с вами уже посмотрели. «Хаббл» справлялся с этой задачей на ура!

Однако для получения этих фотографий учёным пришлось понести огромные затраты. Hubble Ultra Deep Field занял целых 250 дней работы телескопа и потребовал сбора почти 7500 отдельных изображений в единое целое. А ведь физики смогли увидеть настолько крохотную область неба, которая меньше полной Луны.

Короче говоря, «Хаббл» был разработан для изучения неба «вглубь», а не вширь. Его поле зрения чрезвычайно узкое, из-за чего масштабное и всестороннее исследование далёкой Вселенной с помощью этого телескопа не представляется возможным.

Наконец, существуют ограничения по длинам электромагнитных волн. Звёзды излучают в широчайшем спектре света от ультрафиолетового через видимый диапазон к инфракрасному. «Хаббл» разрабатывался ещё до открытия ускоренного расширения Вселенной, поэтому считалось, что этого диапазона хватит для наблюдения даже за очень далёкими объектами.

Но после 1998 года мы поняли, что далёкие галактики разбегаются ускоренно, а из-за эффекта Доплера свет от них, когда доходит до Земли, успевает сместиться глубоко в инфракрасную часть спектра. Из-за этого «Хаббл» физически не сможет заглянуть глубже, чем на момент, когда после Большого взрыва прошло 400 миллионов лет.

Джеймс Эдвин Уэбб родился 7 октября 1906 года в Северной Каролине. Высшее образование он получил в Университете Северной Каролины. Отслужив пилотом морпехов с 1930 по 1932 год, в 1934 году он начал изучать право в Университете Джорджа Вашингтона, а в 1936 году был принят в коллегию адвокатов округа Колумбия.

В течение следующих восьми лет Уэбб занимал различные государственные должности в Северной Каролине, а также корпоративные должности в компании Sperry Gyroscope в Нью-Йорке. В 1944 году он снова поступил в морскую пехоту на Вторую мировую войну.

После войны Уэбб вернулся в Вашингтон, где к нему обратился тогдашний президент Гарри Трумэн, предложив должность заместителя госсекретаря. А всего несколько лет спустя Белый дом связался с Уэббом, чтобы тот встретился с вице-президентом Линдоном Джонсоном. На встрече Джонсон предложил Джеймсу Уэббу возглавить недавно созданное Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Однако Уэбб не считал себя способным возглавить новое агентство.

Однако новый президент Джон Ф. Кеннеди не согласился, утверждая, что эта позиция требует больше политики, чем науки. Так или иначе, Джеймс взял управление NASA в свои руки.

Впрочем, новый руководитель NASA не зацикливался исключительно на соперничестве с СССР. Для него космическая программа была чем-то большим, чем политическая гонка. Он считал, что NASA должно найти баланс между пилотируемыми космическими полётами и наукой, потому что, по его словам, «такое сочетание послужит катализатором для укрепления национальных университетов и аэрокосмической промышленности».

Под руководством Уэбба NASA построило космодром на мысе Канаверал (ранее мыс Кеннеди) во Флориде. При Джеймсе также был открыт знаменитый Космический центр в техасском Хьюстоне.

Во время работы Уэбба агентство инвестировало в разработку автоматических космических кораблей и отправило научные зонды на Марс и Венеру. К моменту его выхода на пенсию NASA запустило более 75 космических научных миссий для изучения звёзд, Солнца, Млечного Пути, Луны и ближайшего космического пространства.

Наивысшим достижением Джеймса Уэбба на посту руководителя NASA стала организация программы «Аполлон» — высадка людей на Луну. Хотя началась программа с трагедии: 27 января 1967 года астронавты Вирджил «Гас» Гриссом, Эдвард Уайт и Роджер Чаффи погибли во время испытания капсулы «Аполлон-1».

По указанию Уэбба NASA провело собственное расследование катастрофы. И когда Уэбб представил результаты различным комитетам Конгресса, он взял большую часть вины на себя.

В его официальной биографии написано: «Хотя он лично пострадал от катастрофы, имидж космического агентства и общественная поддержка в значительной степени не пострадали».

Всего через несколько месяцев после его ухода на пенсию в октябре 1968 года «Аполлон-11» высадил первых людей на поверхность Луны. Джеймс Уэбб не был учёным, как Эдвин Хаббл или Лайман Спитцер, однако он очень много дал науке и космической инженерии. Поэтому неудивительно, что рано или поздно его имя присвоили бы какому-либо космическому аппарату.

В сентябре 1989, за год до отправки «Хаббла», Институт исследований космоса с помощью космического телескопа (STScI) совместно с NASA организовали семинар по космическим телескопам следующего поколения, в котором приняли участие более 130 астрономов и инженеров.

Заседание постановило, что NASA следует изучить возможность создания 10-метрового телескопа ближнего инфракрасного диапазона с пассивным охлаждением на высокой околоземной орбите или 16-метрового телескопа на Луне для изучения галактик с большим красным смещением.

В 1996 году комитет из 18 человек, возглавляемый астрономом Аланом Дресслером, официально рекомендовал NASA разработать космический телескоп, который мог бы наблюдать за небом в инфракрасном диапазоне. Планировалось, что у новой обсерватории должно быть зеркало диаметром более четырех метров, и она будет работать на орбите далеко за пределами земной орбиты.

После этого три команды учёных и инженеров из частного и государственного секторов встретились, чтобы определить, сможет ли NASA реализовать видение комитета. В итоге они пришли к выводу, что предложенный телескоп будет работать.

В 1997 году NASA согласилось профинансировать дополнительные исследования для уточнения технических и финансовых требований к созданию телескопа. К 2002 году агентство выбрало команды для создания инструментов и группу астрономов, которые будут руководить строительством.

В том же 2002 году телескопу, носившему название «космического телескопа следующего поколения», официально дали имя Джеймса Уэбба за его вклад в руководство разработкой программы «Аполлон».

Строительство «Уэбба» началось в далёком 2004 году. В 2005 году космодром Европейского космического агентства Centre Spatial Guyanais (CSG) во Французской Гвиане был выбран в качестве стартовой площадки, а ракетой-носитель назначена европейская ракета Ariane 5.

К 2011 году все 18 сегментов зеркала были закончены и прошли испытания на соответствие требуемым спецификациям. В период с 2012 по 2013 год отдельные детали «Уэбба», собранные в разных местах, начали привозить в Центр космических полётов имени Годдарда в штате Мэриленд. В 2013 году началось строительство солнцезащитных слоёв.

С 2013 по 2016 год научные инструменты «Уэбба» подвергались многочисленным вибрационным и температурным испытаниям. С конца 2015 до начала 2016 года все 18 отдельных сегментов зеркала телескопа были установлены на задней панели телескопа. В итоге общий диаметр получившегося зеркала стал равен 6,6 метра.

В 2017 году инженеры соединили воедино и протестировали зеркала и научные инструменты, а затем отправили телескоп в Космический центр NASA в Хьюстоне. Дополнительные экологические испытания собранного телескопа провели в гигантской термовакуумной камере. Для такого долгостроя было чудом, что испытания не прервал ураган Харви, прошедший в конце августа 2017 года.

Окончательные этапы сборки и испытаний состоялись в 2018 и 2019 году. Начавшаяся в 2020 году пандемия вновь сдвинула сроки отправки телескопа на орбиту. Тем не менее 25 декабря 2021 года телескоп успешно отправился в космос. Полугодовое путешествие на свою орбиту «Уэбб» с блеском выполнил, а 12 июля 2022 года представил первые научные снимки.

Первоначально планировалось, что «Уэбб» будет стоить полмиллиарда долларов и будет готов к запуску в 2007 году. Однако история показала, что эти оценки оказались чрезмерно оптимистичными, учитывая чрезвычайно сложную и инновационную конструкцию космического аппарата.

В общем, телескоп «Уэбб» обошёлся в колоссальные 10 миллиардов долларов, став одним из самых дорогих научных инструментов в истории.

Телескоп «Уэбба» часто называют заменой «Хаббла», хотя это не совсем так, поскольку обе обсерватории работают в разных диапазонах световых волн. Как мы уже знаем, «Хаббл» полагается больше на видимый диапазон от 380 до 740 нанометров, а «Уэбб» будет наблюдать Вселенную в ближнем и среднем инфракрасном — с длинами волн от 600 до 28 000 нм. Он не сможет видеть зелёный или синий свет, но затронет оранжевый и красный, а также широкий диапазон более длинных волн.

К тому же, зеркало «Уэбба» намного больше, а значит, он сможет собирать больше света и смотреть гораздо дальше, чем «Хаббл».

«Уэбб» своим видом напоминает ромбовидный плот с толстой изогнутой мачтой и парусом. «Плотом» является солнцезащитный экран из мембранных слоёв толщиной с человеческий волос, выполненный из каптона – высокоэффективного пластика, покрытого отражающим металлом.

«Киль» телескопа — это место, в которое складывается солнцезащитный экран перед полётом. Ведь в разложенном состоянии телескоп не поместился бы ни в какую ракету. В центре «киля» находится центр управления телескопом, в котором осуществляется работа всех функций «Уэбба», включая электропитание, ориентацию в пространстве, связь, приём команд и отправку данных, а также температурный контроль.

Над солнцезащитным экраном находится «парус» — гигантское зеркало «Уэбба».

Зеркало «Уэбба» не является цельным: оно состоит из 18 шестиугольных бериллиевых секций, которые раскрылись уже после запуска телескопа в космос и синхронизировались так, чтобы действовать как одно огромное зеркало. Хотя NASA рассматривало возможность изготовления сегментов из стекла, как у «Хаббла», инженеры всё-таки выбрали бериллий: очень прочный и лёгкий металл, обычно используемый в высокоскоростных самолётах и космических аппаратах.

Чтобы получать чёткие изображения, его необходимо формовать и полировать с чрезвычайно высокой точностью. По оценкам NASA, погрешность полировки составляет менее 0,025 микрометров. После того, как сегментам зеркала придали желаемую форму, их покрыли тонким слоем золота, которое увеличивает отражательную способность зеркала в инфракрасном диапазоне.

Оно имеет гораздо более лёгкую конструкцию, а шестиугольная форма секций позволяет убрать зазоры между ними. Если бы эти сегменты были круглыми, то между ними были большие промежутки.

Зеркало «Хаббла» намного меньше, а его соответствующая площадь сбора составляет 4,5 квадратных метра, что примерно в 6,25 раза меньше площади зеркала «Уэбба»! А поскольку светосила зависит только от площади зеркала, а не от формы, то с учётом шестиугольной формы сегментов и отверстия в центре эффективная площадь зеркала «Уэбба» составляет 25 квадратных метров по сравнению с 4 квадратными метрами у «Хаббла».

Это улучшает производительность более чем в шесть раз.

К тому же у нового телескопа в 15 раз больше поле зрения, чем у камеры NICMOS на «Хаббле», и значительно лучше пространственное разрешение, чем у инфракрасного космического телескопа «Спитцер».

Телескоп «Хаббл» вращается очень близко к Земле, а «Уэбб» разместился на расстоянии 1,5 миллиона километров от нашей планеты в так называемой второй точке Лагранжа L2, поэтому он является неремонтопригодным, ведь к нему пока что невозможно отправить пилотируемую миссию.

Ключевой особенностью точек Лагранжа (а их пять штук) является то, что любой лёгкий объект в них находится в неподвижности относительно системы «Земля — Солнце». Точнее, сами точки Лагранжа постоянно вращаются вокруг Солнца, но делают это с той же скоростью, что и Земля. Таким образом, гравитационные силы звезды и планеты в точке L2 уравновешиваются центробежной силой, поэтому телескоп, который находится в точке Лагранжа L2, не сможет уйти с этой орбиты.

Поэтому для того, чтобы доставить телескоп до L2, потребовалась мощная ракета-носитель. Через 26 минут после запуска Ariane 5 вывела телескоп за пределы земной атмосферы и отправила его в месячный полёт к пункту назначения.

Почему телескоп нужно размещать так далеко от Земли? Всё дело в диапазоне, в котором он будет работать. Любой тёплый объект, в том числе телескоп и все его узлы, излучает в инфракрасном спектре. А это значит, что если датчики «Уэбба» будут нагреваться сами или работать рядом со столь ярко излучающем телом, как Земля, то телескоп просто не сможет рассмотреть далёкие, тусклые объекты.

По той же причине размещать на планете инфракрасные телескопы практически бессмысленно, потому что тепло Земли их ослепляет.

Расположенный в точке Лагранжа L2, «Уэбб» будет постоянно находиться под ярким солнечным светом, что очень плохо сказывается на работе оптических приборов.

То есть, его нужно экранировать от излучения Земли и Солнца, а также охладить телескоп так сильно, чтобы собственное тепло не ослепляло его приборы. Для этого инженеры разработали огромный пятислойный солнцезащитный экран в форме воздушного змея размером примерно с теннисный корт. Его освещённая сторона будет разогреваться до температуры около 100 градусов по Цельсию, зато находящийся в его тени телескоп охладится до минус 237 градусов!

Благодаря щиту, для трёх инструментов «Уэбба» задача охлаждения решается просто: достаточно отвести телескоп как можно дальше от нашей планеты и закрыть защитным экраном от Солнца. А вот датчик MIRI требует дополнительного охлаждения хладагентом, запасов которого хватит примерно на 10 лет. Именно поэтому планируемое время работы телескопа ограничено этим сроком.

Датчик MIRI — это инструмент среднего инфракрасного диапазона, который представляет собой комбинацию камеры и спектрографа. Инструмент ведёт наблюдения в более длинных волнах средней инфракрасной части электромагнитного спектра от 5 до 28 микрон, что делает его незаменимым инструментом для изучения вообще чего угодно: от астероидов во внешней Солнечной системе до новорождённых галактик. Именно снимки MIRI помогут превратить «Уэбба» в легенду уровня «Хаббла».

Нельзя забывать и о других инструментах. Основные изображения формирует камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), которая воспринимает сигналы в диапазоне от 0,6 до 5,0 микрон. NIRCam оснащена коронографом, который позволит астрономам блокировать свет звезды и посмотреть на то, что вращается вокруг неё, что отлично подходит для обнаружения экзопланет на орбите.

Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) — главный инструмент для изучения химического состава наблюдаемых объектов. Он работает в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam и, как и другие спектрографы, он анализирует физические характеристики звёзд и галактик. Для этого спектрограф разделит их свет на спектр, структура которого меняется в зависимости от температуры, массы и химического состава небесного тела.

Поскольку некоторые из этих объектов находятся очень далеко, и исходящий от них свет будет чрезвычайно слабым, телескопу «Уэбба», несмотря на его гигантское зеркало, придётся собирать свет от них в течение сотен часов. Чтобы сделать такие наблюдения более эффективными, NIRSPec сможет наблюдать за сотней таких далёких галактик одновременно.

Для этого у спектрографа есть сетка из 62 000 отдельных заслонок, каждая из которых способна открываться и закрываться, блокируя свет более ярких звезд. Благодаря этому массиву микрозатворов NIRSpec станет первым космическим спектрографом, который сможет одновременно наблюдать столь много различных объектов.

Последний инструмент «Уэбба» — это двойной датчик точного наведения, который одновременно представляет собой бесщелевой спектрограф и формирователь изображения в ближнем инфракрасном диапазоне. Называется он FGS/NIRISS и предназначается для обнаружения света первых звёзд, поиска экзопланет и анализа их химического состава. А ещё именно этот датчик поможет направить телескоп в нужную сторону.

От телескопа «Уэбба» астрономы ждут многого. Возможно, даже слишком. И за десять лет планируемой работы он наверняка не сможет выполнить все заявки научного сообщества.

Тем не менее, есть несколько категорий космических тел и объектов, которые «Уэбб» просто обязан увидеть. Итак, новый телескоп работает в ближнем и среднем инфракрасных диапазонах. Почему именно эти длины световых волн для астрономов особенно важны?

Во-первых, в космосе очень много пыли, которая поглощает свет в видимом диапазоне. А в инфракрасных лучах света пыль становится прозрачной.

Во-вторых, мы знаем о существовании эффекта Доплера, который заключается в следующем. Когда какой-либо объект отдаляется от нас, свет от него смещается в инфракрасную часть спектра, а когда приближается — в ультрафиолетовую.

А так как Вселенная расширяется, да ещё и с ускорением, то неудивительно, что чем дальше галактика, которую мы наблюдаем, тем она «краснее». Так как телескоп «Уэбба» предназначен для изучения самых далёких космических тел, то инфракрасный диапазон — это лучший способ их увидеть.

Кстати говоря, благодаря эффекту Доплера мы можем определить возраст наблюдаемого нами объекта. В этом астрономам помогает спектроскопия. Здесь, на Земле, учёные давно изучили спектр почти каждого химического элемента, кроме самых нестабильных трансурановых элементов вроде «дармштадтия» или «резерфордия».

Спектром называется распределение всех частот электромагнитного излучения (света). Но каждый химический элемент поглощает уникальную часть излучения, отражая всё остальное. Таким образом, для каждого вещества характерны свои «линии поглощения». Обратный параметр называется «линиями излучения», что хорошо видно по этому рисунку.

Вот по таким линиям поглощения нетрудно определить состав какой-нибудь звезды или атмосферы планеты, просто сравнивая наблюдаемый спектр с уже изученным. Из-за эффекта Доплера линии поглощения смещаются в сторону инфракрасного диапазона. Оценивая, насколько сильно сместились линии, можно узнать, как далеко находится наш объект.

Эпоха ранней Вселенной и первых звёзд

В первые 380 тысяч лет с момента Большого взрыва Вселенная была абсолютно непрозрачной для света. Да, несмотря на колоссальную температуру вещества, во Вселенной царил непроглядный мрак, поэтому ни один из телескопов, который изучает свет, не способен заглянуть в прошлое дальше, чем на эти самые 380 тысяч лет.

«Уэбб», к сожалению, не сможет увидеть непосредственно реликтовое излучение, но он пронаблюдает, как из новообразованных атомов водорода и гелия вспыхивают первые звёзды и рождаются галактики. Ведь нам до сих пор точно неизвестно, как именно выглядел первый свет во Вселенной.

В астрономии термин «первый свет» относится к самым первым звёздам, только-только вспыхнувшим в новорождённой Вселенной. По оценкам астрономов, эти звёзды должны были образоваться примерно через 400 миллионов лет после Большого взрыва и полностью состояли из первичного водорода и гелия.

Элементы тяжелее гелия астрономы для удобства называют «металлами». Но до сих пор мы могли наблюдать только «металлические» звёзды — то есть, светила, в спектре которых находили другие элементы, помимо водорода с гелием.

Так что телескоп «Уэбба» должен помочь астрономам в этих поисках. А как мы уже выяснили, из-за красного смещения ультрафиолетовый и видимый свет самых далёких звёзд за время пути к Земле переместился примерно в 20 раз по длине волны в инфракрасный диапазон, а значит, телескоп «Уэбба» должен хорошо их увидеть.

Эти первые звёзды должны помочь понять структуру Вселенной. Ведь в теории там, где они образовались, должны концентрироваться структуры тёмной материи, которая не взаимодействует с обычной материей никак, кроме гравитации. Скорее всего, из-за большой концентрации вещества в ещё маленькой Вселенной первые звёзды должны быть по истине колоссальными – их масса могла бы превышать солнечную в 300 и более раз!

А период их жизни мог бы составлять всего несколько миллионов лет. Гибель таких звёзд должна сопровождаться коллапсом либо через так называемые «парно-нестабильные», либо посредством образования гигантских чёрных дыр. Возможно, что слияние таких чёрных дыр друг с другом могло привести к образованию сверхмассивных чёрных дыр, которые, в свою очередь, стали эпицентрами протогалактик.

Телескоп «Хаббла» уже может заглянуть в прошлое на 13 миллиардов лет, но он видит вполне сформировавшиеся галактики, которые к моменту наблюдения могли образовать несколько поколений звёзд.

А ведь галактики не всегда выглядели как Млечный Путь или Андромеда.

Большие спиральные структуры, которые мы наблюдаем неподалёку от нас, формировались в течение нескольких миллиардов лет. На то, чтобы галактика приняла такую сложную форму, вероятно, повлияли внешне процессы – в том числе столкновения с галактиками поменьше. Считается, что более простые по форме гигантские эллиптические галактики также образуются в процессе слияния небольших галактик.

Астрономы полагают, что почти все массивные галактики претерпели по крайней мере одно крупное слияние за первые 6 миллиардов лет жизни Вселенной.

Но как образовались первые галактики? По расчётам они должны быть всего в сотни тысяч или миллионов раз массивнее Солнца и быть в диаметре от 30 до 100 световых лет. Для сравнения диаметр современного Млечного пути составляет 100 тысяч световых лет.

Телескопу «Уэбба» потребуется выяснить механизмы звездообразования в первых галактиках. Обсерватория узнает, формировались ли галактики сами по себе с помощью гигантских пылевых облаков или же они набирали свою массу за счёт столкновений с другими.

Химическая эволюция Вселенной

Из выше сказанного мы знаем, что первые звёзды достаточно быстро выгорели, синтезировав в своих недрах элементы, тяжелее гелия. Учёные достаточно уверены в том, что ранняя Вселенная имела другой, более примитивный химический состав, чем сейчас.

А ведь жизнь на нашей планете во многом обязана углероду или кислороду, которых не было до гибели первых звёзд. Но как именно погибали эти звёзды и каким образом новое вещество распространялось по Вселенной, астрономы пока не знают.

Спектроскопы на борту космического телескопа «Уэбба» помогут исследовать химический состав ранних галактик и обнаружить, каким образом первые звёзды порождали все остальные элементы таблицы Менделеева.

Звёздные колыбели

Мы знаем, что звёзды формируются из газопылевых межзвёздных облаков. А это значит, что только-только вспыхнувшая протозвезда скрыта за толстым слоем пыли, из которой впоследствии образуются планеты, астероиды и кометы.

Как мы уже знаем, пыль легко поглощает видимое излучение. Это легко проверить простым мысленным экспериментом. Представьте, что вы засунули ладонь в непрозрачный мешок. Естественно, вы не увидите свою руку через его ткань. Но если раздобудете инфракрасную камеру, то легко увидите через холодный мешок вашу ладонь, которая излучает тепло — инфракрасный свет.

То же самое происходит при наблюдении за формирующимися звёздами: в инфракрасном диапазоне пыль практически полностью прозрачна, а вот яркие звёзды становятся отлично видны.

Возможности телескопа «Уэбба» в области визуализации и спектроскопии позволят не только изучать формирующиеся звёзды, но и увидеть значительно более тусклые протопланетные диски, в которых можно будет рассмотреть не только зарождающиеся планеты, но и изучить скопления органических веществ.

Хотя космический телескоп «Уэбба» и космический телескоп «Хаббла» часто сравнивают, их изображения будут сильно различаться за счёт более высокого разрешения новой обсерватории. Например, аппарат «Спитцер» мог видеть области звездообразования в виде небольших пятен. А телескоп «Уэбба» сможет различить отдельные звёзды даже в системах, в которых вокруг общего центра масс вращается несколько светил.

Также мы до сих пор могли видеть отдельные звёзды только в Млечном пути, в то время как в других галактиках мы практически не способны различить отдельные светила. Телескопу «Уэбба» под силу решить эту задачу.

Экзопланеты

В 1995 году учёные обнаружили первые две экзопланеты — то есть планеты, вращающиеся вокруг другой звезды. В настоящий момент подтверждены 5054 планеты у 3789 светил. А ещё более 8 тысяч объектов являются кандидатами в экзопланеты самых разных видов – в том числе таких, каких нет в нашей Солнечной системе: от суперземель до горячих юпитеров.

Несмотря на то, что у астрономов есть на вооружении обсерватория TESS, которая спроектирована специально для поиска экзопланет, телескоп «Уэбба» поможет в поиске новых космических тел и изучении их атмосфер.

Камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCAM), установленная на JWST, оснащена коронографами — устройствами, которые блокируют свет звезды, чтобы её яркое излучение не закрывало тусклые диски планет. Высокое разрешение телескопа «Уэбба» поможет различить состав атмосфер таких экзопланет и выявить, нет ли на них условий, похожих на земные.

Один из методов, который JWST будет использовать для изучения экзопланет, – это «транзит». Когда планета проходит между телескопом и звездой, она затемняет свет родного светила. По этому падению яркости звезды астрономы могут сделать вывод о том, насколько близко планета движется к светилу и какого она размера. С помощью измерения колебания звезды, вызванного гравитацией планеты, астрономы могут определить массу планеты и узнать спектр её атмосферы.

Внешняя солнечная система

Телескоп «Уэбба» может не только наблюдать отдалённые регионы Вселенной, но и изучить нашу Солнечную систему.

Пояс Койпера — это область Солнечной системы за пределами орбиты Нептуна, в которой вращаются многие карликовые планеты и астероиды, а также формируются кометы. Здесь очень темно и холодно, поскольку объекты пояса Койпера практически не отражают свет.

Данные разных длин волн и их источников помогут астрономам составить более полную картину объектов Солнечной системы, благодаря высокой чувствительности телескопа «Уэбба».

JWST позволит изучить следы органики в атмосфере Марса, что будет использоваться для проведения исследований, подтверждающих выводы марсоходов и посадочных модулей. А во внешней Солнечной системе «Уэбб» изучит сезонную погоду планет-гигантов.

Наблюдательная астрономия развивается очень быстро — уже в ближайшие несколько лет к запуску готовятся международная Лунная обсерватория, преемник солнечного зонда Паркера — Aditya L1, а также рентгеновская обсерватория XPoSat, которая будет изучать поляризацию космических рентгеновских лучей.

Японское космическое агентство готовит свою рентгеновскую обсерваторию XRISM, которая будет изучать особенности формирования Вселенной, джеты активных ядер галактик и структуру тёмной материи. Европейское космическое агентство работает над PLATO – космическим телескопом для изучения экзопланет у оранжевых и жёлтых карликов, к которым относится наше Солнце.

В 2028 году планируется запустить космический телескоп ARIEL, который будет изучать уже открытые Кеплером или PLATO экзопланеты, чтобы узнать их характеристики, химический состав и температуру.

Наконец, к 2035 году должен выйти на орбиту телескоп Athena. Его целью станет изучение в рентгеновском диапазоне структуры горячего газа Вселенной, а также поиск и определение физических свойств сверхмассивных чёрных дыр.

Ещё одна обсерватория, которая будет работать в диапазоне, аналогичном «Хабблу» и «Уэббу», — это Euclid («Евклид»), названная в честь древнегреческого математика Евклида Александрийского. Этот телескоп, который станет преемником обсерватории имени Макса Планка, и будет работать почти в тех же диапазонах, что и «Хаббл» — в видимом и ближнем инфракрасном.

Однако цели у «Евклида» другие и куда более глобальные. Этой обсерватории Европейского космического агентства предстоит изучить тёмную материю и тёмную энергию за счёт точного измерения ускорения Вселенной. Для этого «Евклид» будет измерять формы галактик и выявлять взаимосвязь между расстоянием от нашей планеты и их красным смещением.

Ведь если тёмная энергия ускоряет расширение Вселенной, то точное измерение этого ускорения позволит учёным приблизиться к природе этой странной энергии.

Хотя телескоп «Уэбба» только-только начал свою работу, ему уже готовятся несколько преемников. Одним из них станет телескоп имени Нэнси Грейс Роман (NGRST), планируемый к запуску в мае 2027 года. У этой обсерватории будет 2,4-метровое зеркало, как у «Хаббла», однако на борту NGRST разместятся два особенных научных инструмента.

Первый называется WFI и представляет собой широкоугольную многодиапазонную камеру видимого и ближнего инфракрасного диапазона с колоссальным разрешением 300,8 мегапикселя. Второй прибор представляет собой коронографическую (CGI) камеру с малым полем зрения со спектрометром, который подавляет звёздный свет.

Камеры NGRST смогут обеспечить панорамное поле зрения, которое в 200 раз превышает Хаббловское. Это значит, что «Нэнси» поможет составить первые широкоугольные карты Вселенной в огромном разрешении.

Таким образом, NGRST будет исследовать экзопланеты, используя эффект гравитационного микролинзирования. Телескоп изучит «космические ясли» — регионы интенсивного звёздообразования, в которых учёные надеются увидеть, как зажигаются протозвёзды, формируются планеты и, возможно, даже небольшие астероиды.

Также обсерватория продолжит изучение истории расширения Вселенной, ведь по сегодняшним представлениям Вселенная начала ускоренно расширяться совсем недавно — около 3–5 миллиардов лет назад. Заодно на плечи «Нэнси» лягут задачи измерения эффектов тёмной энергии и кривизны пространства-времени там, где вспыхивают сверхновые.

Другой преемник «Уэбба» — космическая обсерватория ближнего инфракрасного диапазона SPHEREx. Эта обсерватория выполнит обзор всей небесной сферы и изучит спектры более 450 миллионов галактик в ближнем инфракрасном диапазоне. Определив их красное смещение, телескоп поможет нанести эти галактики на трёхмерную карту.

Польза такой карты заключается в том, что с помощью неё удастся лучше изучить космическую инфляцию — гипотетическое экстремально быстрое расширение Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва.

SPHEREx вооружится спектрофотометром, который будет работать в инфракрасном диапазоне от 0,75 до 5,0 микрометров. Поскольку в этом научном инструменте не будет движущихся деталей, его надёжности хватит для долгого сканирования всего неба в течение 25 месяцев работы. Ключевой особенностью инструмента станет специальный фильтр, аналогичный тому, что установлен на аппарате «Новые горизонты», который в 2015 году изучал Плутон.

Также SPHEREx исследует ранний свет эпохи реионизации, когда молодая Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения. Эти сведения помогут узнать, как формировались первые галактики. А заодно телескоп изучит, как на экзопланеты попадает вода, ведь это вещество наравне с углекислым газом, метилом или угарным газом имеет отчётливый спектральный след в инфракрасном диапазоне.

В космосе эти соединения зачастую собираются в массивные межзвёздные молекулярные облака. Такие облака в миллионы раз тяжелее Солнца, но они слишком разреженные — расстояние между двумя молекулами может достигать нескольких метров! Именно эти облака могут становиться звёздными колыбелями, в которых практически единовременно вспыхивают сотни и тысячи звёзд.

Помимо этого, SPHEREx сможет рассмотреть тусклые карликовые галактики, который составляют так называемый межгалактический инфракрасный фон. Кроме этого, телескоп изучит звёздные гало вокруг галактик — разреженные облака звёзд, выброшенных из материнской галактики, но так и не сумевших покинуть её притяжение.

Работая совместно с «Евклидом» и «Нэнси Грейс Роман», SPHEREx получит точную информацию о красном смещении галактик и гравитационном линзировании от них же, что поможет измерить распределение тёмной материи, окружающей ближайшие галактики.

«Уэбб» тщательно изучает небольшие участки неба и отдельные небесные тела, а SPHEREx должен будет быстро, но не столь углублённо рассматривать обширные области неба. Именно из-за столь радикально отличающихся способов исследования космоса стоит ждать отправки в космос нового телескопа, который будет работать параллельно с «Уэббом».

Наблюдательная астрономия не собирается останавливаться на исследовании только электромагнитных волн. В 2015 году на Земле получили первые данные гравитационные обсерватории LIGO в США и VIRGO в Европе. А к 2037 году планируется отправить первый космический гравитационный телескоп LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

Громкие успехи новых космических телескопов и колоссальные по научной важности открытия дарят людям надежду, что астрономию ждёт исключительно светлое будущее. А это значит, что мы ещё на несколько шагов приблизимся к пониманию нашего места во Вселенной.

#лонг #космос #джеймсуэбб #хаббл #истории