Пока на орбите экипаж шаттла Atlantis собирается приступить к ремонту и модернизации космического телескопа Hubble, отметившего недавно свое 19-летие, на Земле специалисты американского (NASA), европейского (ESA) и канадского (CSA) космических агентств уже работают над его преемником - орбитальной обсерваторией James Webb (James Webb Space Telescope, или просто JWST).

По своим техническим характеристикам это будет телескоп нового поколения, с помощью которого астрофизики всего мира смогут исследовать историю зарождения и развития нашей Вселенной. Собственно, поначалу обсерватория так и называлась - "Космический телескоп следующего поколения" (Next Generation Space Telescope, или NGST), - и лишь в сентябре 2002 года получила свое нынешнее имя в честь бывшего шефа NASA Джеймса Уэбба, возглавлявшего агентство в 1961-1968 годах.

К числу основных научных задач будущего телескопа относятся поиск самых первых светящихся объектов, сформировавшихся после Большого взрыва, изучение закономерностей образования и эволюции галактик, звезд и планетных систем, а также исследование происхождения жизни.

Инновационное оборудование нового поколения

На борту будущей орбитальной обсерватории будут установлены 4 научных инструмента: камера ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Camera, или NIRCam), спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (Near-Infrared Spectrograph, или NIRSpec), прибор для наблюдений в среднем инфракрасном диапазоне (Mid-Infrared Instrument, или MIRI) и датчик точного наведения с настраиваемыми фильтрами (Fine Guidance Sensor / Tuneable Filter Imager, или FGS / TFI).

Стоит ли говорить о том, что в процессе создания этого оборудования был разработан целый ряд инновационных технологий! Сюда относятся складное сегментное зеркало диаметром 6,5 метров (для сравнения: телескоп Hubble оснащен зеркалом диаметром "всего" 2,4 метра), также складной солнечный экран размером с теннисный корт, сверхлегкая оптика на основе бериллия, высокочувствительные детекторы для регистрации чрезвычайно слабых сигналов, специальные микрозатворы для спектрографа, обеспечивающие программируемый выбор объектов наблюдения, и система охлаждения детекторов среднего инфракрасного диапазона до семи градусов Кельвина.

Вклад Европейского космического агентства

Разработку двух из четырех инструментов телескопа James Webb, в том числе, пожалуй, и самого главного - спектрографа ближнего инфракрасного диапазона, - осуществляет Европейское космическое агентство. Спектрограф собирается в Оттобрунне - небольшом пригороде Мюнхена. В сборочном цехе воздух чище, чем в самой стерильной больничной операционной: не более пяти частиц пыли на литр. В обычных помещениях количество частиц пыли в воздухе измеряется сотнями тысяч на литр.

"На столь ответственной оптике пыли не должно быть вовсе, ведь каждая пылинка - источник погрешностей, она рассеивает свет и снижает чувствительность прибора", - поясняет руководитель проекта Ральф Маурер (Ralf Maurer). Сам спектрограф - сложное устройство диаметром около полутора метров и высотой 70 сантиметров, предназначенное для исследования инфракрасных спектров галактик и отдельных звезд на стадии их формирования, - является первым представителем совершенно нового класса приборов. Он способен внутри своего поля зрения одновременно регистрировать спектры сразу ста объектов.

Это особенно воодушевляет исследователей, ведь до сих пор им приходилось изучать источники излучения последовательно, один за другим. Если работающая в этом же диапазоне камера - ее разработкой занимается университет штата Аризона - позволит получать красивые изображения далеких звезд и галактик, то спектрограф придаст этим картинкам самое важное: научное содержание. Он позволит определить химический состав объекта, скорость его перемещения и температуру на его поверхности.

"Чувствительность прибора просто поражает воображение: он был бы способен с Земли зарегистрировать огонек сигареты на Луне", - говорит Ральф Маурер. Для обеспечения столь высокой чувствительности к тепловому излучению спектрограф должен быть охлажден до -250 градусов Цельсия, а это предъявляет особые требования к материалам: металлы и пластмассы таких температур либо вообще не выдерживают и разрушаются, либо сильно деформируются. Поэтому инженеры сделали ставку на керамику. По словам Маурера, спектрограф на 80 процентов состоит из керамики: ее использовали и в качестве конструкционного материала, и как материал для зеркала.

Назад, в эпоху Темной Вселенной

Еще одна важная особенность спектрографа - уже упомянутые микрозатворы. Это миниатюрные электромеханические устройство, позволяющее открывать и закрывать щель шириной 100-200 микрометров, что соответствует толщине трех - шести человеческих волос. Перед инфракрасным детектором спектрографа будут расположены четыре кремниевые матрицы с более чем 62 тысячами таких микрозатворов. Их задача - перекрыть избыток света от более близких и ярких объектов и дать тем самым возможность наблюдать более удаленные источники более слабого излучения.

Если Hubble позволяет изучать объекты, удаленные от нас на 12,7 миллиардов световых лет, то есть способен заглянуть в прошлое, когда возраст Вселенной составлял всего лишь около миллиарда лет, то его преемник позволит приблизиться к Большому взрыву на 300 миллионов лет. "И это предел, - поясняет Ральф Маурер, - причем предел не только для нашего спектрографа, но и для любого электромагнитного прибора. Потому что лишь спустя 300 миллионов лет после Большого взрыва Вселенная охладилась настолько, что стала прозрачной для излучения. А предшествующий этому период принято именовать Темной эпохой, и туда никаким взглядом не проникнешь".

Запуск телескопа James Webb запланирован на 2014 год. Управлять полетом будет Центр космических полетов Годдарда (Goddard Space Flight Center) в Гринбелте, штат Мэриленд, а планировать наблюдения, распределять между заинтересованными исследователями аппаратное время и обобщать полученные данные - Научный институт Космического телескопа (Space Telescope Science Institute, или STScI) при университете Джонса Хопкинса в Балитиморе, то же учреждение, что регулирует сегодня доступ к телескопу Hubble.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева