РАЗВЁРТЫВАНИЕ
ПОЛЕВОЙ СПРАВОЧНИК ПО «ДЖЕЙМСУ УЭББУ»
Десять глав о телескопе, слишком большом, чтобы запустить его в собранном виде, — сложенном подобно оригами в обтекателе ракеты, развёрнутом за две недели в полутора миллионах километров от любой ремонтной бригады и теперь переписывающем представления о том, насколько рано Вселенная стала интересной. Пролистайте вниз, чтобы начать миссию.
НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →Стоянка в полутора миллионах километров от Земли
«Хаббл» обращается вокруг Земли в нескольких сотнях километров над ней и примерно каждые полтора часа уходит в земную тень [1]. «Уэбб» вокруг Земли не обращается вовсе. Он движется вокруг Солнца в 1,5 миллиона км за Землёй и примерно раз в полгода облетает вторую точку Лагранжа системы Солнце — Земля, L2, по гало-орбите размером примерно с орбиту Луны [1]. L2 — точка равновесия, а не ловушка: предоставленный сам себе, аппарат уходит прочь, поэтому «Уэбб» время от времени включает двигатели, чтобы удержаться на орбите [1][2]. Почему такое равновесие вообще существует, рассказано в справочнике «Точки Лагранжа».
Оттуда Солнце, Земля и Луна всегда находятся с одной стороны неба, поэтому один солнцезащитный экран заслоняет все три сразу и держит телескоп в постоянной тени, без смены дня и ночи, которая нагревала бы и охлаждала его [1]. Это важно для прибора, который должен оставаться холоднее почти всего, что построил человек. Из той же точки антеннам Сети дальней космической связи в Австралии, Испании и Калифорнии удобно поддерживать связь, пока Земля вращается [1].
Перепад в 318 °C на пяти тонких слоях
Солнцезащитный экран размером 21,2 на 14,2 метра — примерно с теннисный корт — состоит из пяти слоёв плёнки «Каптон», разнесённых так, чтобы тепло уходило излучением через промежутки между ними [3]. Слой, обращённый к Солнцу, толщиной 50 микрон, остальные четыре — по 25 микрон, тоньше человеческого волоса [4].
По тепловым моделям NASA внешний слой нагревается до 383 К (110 °C), а самая холодная часть пятого слоя остывает до 36 К (−237 °C); на карточках выше — типичные значения NASA для горячей и холодной сторон, 85 °C и −233 °C, и их разность [3]. За экраном телескоп работает при температуре около 40 К: в полёте сегменты главного зеркала остыли до 35–55 К, теплее всего — ближайшие к экрану [2].
Восемнадцать шестиугольников — одно зеркало
Главное зеркало диаметром 6,5 метра было слишком велико, чтобы запустить его целиком, поэтому оно собрано из 18 шестиугольных бериллиевых сегментов массой около 20 кг каждый, покрытых золотом толщиной 100 нанометров — примерно 48 граммов золота на всё зеркало [3]. Для запуска сегменты складываются, а в космосе их выставили так, что они работают как одно зеркало. В полёте ошибка волнового фронта — около 60–80 нанометров: этого хватает, чтобы изображение было дифракционно ограниченным начиная уже с 1,1 микрона, лучше требования в 2 микрона [2]. Как 18 сегментов сфазировали в одно зеркало, рассказано в справочнике ПАРАБОЛА, глава 5.
Обсерватория, а не просто телескоп
Четыре прибора, зеркало, солнцезащитный экран и служебный модуль — и ни для одной детали нет возможности ремонтной миссии. Выберите компонент.
Две недели развёртывания — без репетиции в космосе
Перед запуском в проекте насчитали 344 единичные точки отказа — узлы без резерва, отказ любого из которых мог погубить миссию, — и большинство из них пришлось на развёртывания первых двух недель [5]. Отрепетировать это в реальных условиях было невозможно: всё должно было сработать с первого раза, в полутора миллионах километров от любой ремонтной миссии. Пройдите по этапам.
Пять снимков, шесть месяцев подготовки
Сквозь пыль — и сквозь время
Инфракрасный свет проходит сквозь пылевые облака, блокирующие видимый свет, позволяя «Уэббу» видеть рождающиеся звёзды внутри туманностей, которые иначе выглядели бы как сплошные тёмные стены.
Он же решает задачу, характерную для самого края наблюдаемой Вселенной. Пока свет идёт через расширяющееся пространство, длина его волны растягивается в 1 + z раз, где z — красное смещение. Ультрафиолет первых галактик приходит к нам инфракрасным — дальше самой «красной» полосы камеры «Хаббла» в 1,7 микрона [18], но глубоко внутри диапазона «Уэбба» от 0,6 до 28,5 микрона [3].
У инфракрасного диапазона есть цена: в нём светится всё тёплое. По закону Вина пик свечения тела приходится на 2898 микрон, делённые на его температуру в кельвинах [15]. Телескоп комнатной температуры ярче всего светился бы около 10 микрон — прямо посреди диапазона, который он пытается наблюдать. Поэтому сегменты зеркала «Уэбба» держат при 35–55 К, а детекторы MIRI — при 6,4 К [2]. Попробуйте оба эффекта ниже.
Длина волны пика λ = b / T, где b = 2897,77 мкм·К [15]; эффективная температура Солнца 5772 К [16]. Линии водорода лайман-альфа (121,57 нм) и H-альфа (656,47 нм) рассчитаны по постоянной Ридберга для вакуума [17] и умножены на 1 + z. Возраст Вселенной при каждом z — по плоской модели ΛCDM с параметрами Planck 2018 (H₀ = 67,36, Ωm = 0,3153), дающей 13,80 миллиарда лет сегодня [20]. Диапазоны: камера WFC3 «Хаббла» 0,2–1,7 мкм [18], спектрограф NIRSpec «Уэбба» 0,6–5,3 мкм [19], вся обсерватория 0,6–28,5 мкм [3]. Кривая свечения нормирована на собственный пик: она показывает форму, а не яркость.
Ранняя Вселенная повзрослела быстрее, чем ожидали
Два взгляда, два вида света, одна цель
Астрономы регулярно направляют оба телескопа на один и тот же объект, объединяя вид «Хаббла» в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах с инфракрасным взглядом «Уэбба», чтобы получить куда более полную картину, чем мог бы дать любой из них по отдельности.
Большое зеркало даёт две вещи. Оно собирает больше света и различает более мелкие детали: наименьший угол, который разделяет телескоп, — его дифракционный предел — примерно 1,22 λ / D. Но предел растёт с длиной волны, поэтому 6,5-метровое зеркало «Уэбба» в инфракрасном свете не обязательно чётче 2,4-метрового зеркала «Хаббла» в видимом. Подвигайте длину волны и сравните.
Предел Рэлея θ = 1,22 λ / D для круглого зеркала, где D = 6,5 м у «Уэбба» [3] и 2,4 м у «Хаббла» [30]; сегментированное шестиугольное зеркало «Уэбба» даёт немного иную картину, поэтому его значение — ориентир. «Уэбб» дифракционно ограничен начиная с 1,1 мкм; на более коротких волнах его изображения чуть мягче, чем по формуле [2]. Светлый круг — предел Рэлея; тёмное ядро — ширина на половине яркости (≈ 0,42 от него). Собирающие площади: «Уэбб» — 25,4 м², измерено в полёте уже за вычетом затенений [2]; «Хаббл» — 4,5 м², полный круг диаметром 2,4 м; если вычесть центральное затенение «Хаббла», отношение станет немного больше.
Построен на десятилетия, а не на годы
Единственный расходуемый ресурс «Уэбба» — топливо для удержания орбиты и разгрузки маховиков. По требованиям его должно было хватить минимум на 10,5 года; после точного запуска и экономных коррекций команда ввода в строй пришла к выводу, что остатка хватит более чем на 20 лет [2]. Его преемники уже летают или проектируются.
Источники, на которые ссылается этот справочник
Номера в квадратных скобках в тексте выше соответствуют источникам ниже.