NASA планирует опубликовать первые изображения, сделанные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), 12 июля 2022 года. Они ознаменуют начало следующей эры в астрономии, поскольку Уэбб – крупнейший из когда-то построенных космических телескопов – начнет собирать научные данные, которые помогут ответить на вопрос о древнейших моментах существования Вселенной и позволить астрономам изучать экзопланеты подробнее, чем когда-либо прежде. Но потребовалось почти восемь месяцев путешествия, настройки, тестирования и калибровки, чтобы убедиться, что этот ценный телескоп готов к работе в прайм-тайм.
Самый мощный космический телескоп, когда-либо выведенный на орбиту, позволит заглянуть глубже в космос, а значит и дальше во времени, чем любая предыдущая технология, что позволит астрономам увидеть условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва.
С чего все начинается для телескопа NASA?
В нашей галактике Млечный Путь телескоп будет исследовать миры за пределами Солнечной системы – внесолнечные планеты или экзопланеты – и изучать их атмосферы в поисках контрольных признаков жизни, таких как органические молекулы и вода.
После успешного запуска телескопа Джеймса Уэбба 25 декабря 2021 команда начала долгий процесс его перемещения в окончательное орбитальное положение, раскладывание телескопа и, когда все остыло, калибровки камер и сенсоров на борту. Запуск прошел гладко. Одной из первых вещей, замеченных учеными из NASA, было то, что на борту телескопа осталось больше топлива, чем предназначалось для будущих корректировок его орбиты. Это позволит Уэббу работать гораздо дольше, чем первоначальная 10-летняя цель миссии.
Первым заданием во время месячного путешествия Уэбба к конечному местоположению на орбите было развернуть телескоп. Это прошло без всяких заминок, начиная с развертывания солнцезащитного козырька, помогающего охлаждать телескоп. Затем последовало выравнивание зеркал и включение сенсоров. Камеры на Веббе охлаждались, как и предсказывали инженеры, и первым инструментом, включенным командой, была камера ближнего инфракрасного диапазона, или NIRCam. NIRCam предназначена для изучения слабого инфракрасного света, излучаемого старейшими звездами или галактиками во Вселенной. Но что дальше?
Тоже интересно: Почему космические аппараты оснащены процессорами 20 века
Ранняя Вселенная в инфракрасном диапазоне
Поскольку свету необходимо конечное время для перемещения в пространстве, когда астрономы рассматривают объекты, они фактически смотрят в прошлое. Свету от Солнца требуется около семи минут, чтобы достичь Земли, поэтому, когда мы смотрим на Солнце, мы видим его таким, каким оно было семь минут назад.
Мы видим дальние объекты такими, какими они были столетия или тысячелетия назад, а самые дальние объекты и галактики мы наблюдаем еще до образования Земли, и к тому времени, когда мы их увидим, они могут быть коренным образом измениться или даже уничтожиться.
JWST настолько мощный, что сможет наблюдать Вселенную в том виде, в котором она существовала около 13,6 млрд лет назад, то есть через 200 млн лет после периода начальной быстрой инфляции, которую мы называем Большим взрывом. Это самое древнее прошлое, в которое когда-либо заглядывало человечество. Что делает JWST таким эффективным инструментом для визуализации ранней Вселенной, это то, что он производит свои наблюдения в инфракрасной области электромагнитного спектра.
Когда свет идет к нам от этих далеких источников, ускоряющееся расширение Вселенной растягивает этот свет. Это означает, что хотя свет, исходящий из этих ранних звезд и галактик, похож на свет от близлежащих звезд и галактик, расположенных ближе, его длина волны сдвинута в инфракрасную область электромагнитного спектра.
Самые далекие и древние галактики
Один из способов, которым обсерватория определяет ранние галактики, – это наблюдение за шестью самыми дальними и яркими квазарами. Квазары находятся в центре активных галактических ядер (АЯГ) и питаются сверхмассивными черными дырами. Они зачастую ярче, чем излучение всех звезд в галактике, в которой они находятся, вместе взятых.
Квазары, выбранные командой JWST, являются одними из самых ярких, а это означает, что питающие их черные дыры являются одновременно и самыми мощными, и потребляют – или, точнее, накапливают – газ и пыль с максимальной скоростью. Они генерируют огромное количество энергии, которая нагревает окружающий газ и выталкивает его наружу, создавая мощные потоки, прорывающиеся сквозь галактики в межзвездное пространство.
Помимо использования квазаров, которые оказывают заметное влияние на окружающие галактики, для изучения их эволюции, исследователи JWST также будут использовать квазары для исследования периода истории Вселенной, называемого Эрой реионизации. Это был момент, когда Вселенная стала самой прозрачной и позволяла свету свободно путешествовать. Это произошло потому, что нейтральный газ в межгалактической среде стал заряженным или ионизированным.
JWST будет исследовать это, используя яркие квазары как источники фонового света, для изучения газа между нами и квазаром. Наблюдая, какой свет поглощается межзвездным газом, исследователи смогут определить, является ли промежуточный газ нейтральным или ионизированным.
100 галактик одновременно
Одним из инструментов, используемых JWST для наблюдения за Вселенной, является спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec). Этот инструмент не будет делать визуально потрясающие изображения галактик, которые он наблюдает, подобные широкоугольным изображениям тысяч галактик, сделанных космическим телескопом Габбла (ниже на фото). Он предоставит важную спектрографическую информацию об этих галактиках, позволяя увидеть многие из них одновременно.
Спектры этих галактик содержат массу информации, в частности, о химическом составе. Изучая эти составы, исследователи увидят, как быстро галактики могут превращать свой газовый состав в звезды и, таким образом, лучше понять эволюцию Вселенной.
Чтобы сделать это с нужной точностью, необходимо блокировать большое количество света, что обычно означает изучение одного объекта за раз. Некоторые из объектов, которые JWST намерен изучить, настолько удалены, что их свет невероятно тускл, а это значит, что их необходимо наблюдать в течение сотен часов, чтобы собрать достаточно данных для построения спектральной картины.
К счастью, NIRSpec оснащен четвертью миллиона отдельных окон с микрозатворами размером с человеческий волос, расположенными в виде вафельной решетки. Это означает, что, регулируя рисунок этих жалюзи, JWST сможет наблюдать большое количество объектов за один просмотр для одновременного наблюдения, и это программируется для любого поля объектов на небе. По оценкам NASA, это позволит NIRSpec одновременно собирать спектры от 100 объектов наблюдения, чего раньше не мог сделать ни один спектроскоп.
Читайте также:
- 100 лет квантовой физике: От теорий 1920 года к компьютерам
- 5 будущих космических миссий, о которых стоит задуматься
Экзопланеты размером с Юпитер
С середины 1990-х годов и открытия планеты, вращающейся вокруг звезды, подобной Солнцу, наш каталог экзопланет расширился и теперь содержит более 4 тыс. подтвержденных миров. Большинство из этих миров, включая экзопланету 51 Pegasi b, открытую швейцарской командой Мишеля Майора и Дидье Кело в 1995 году, являются горячими юпитерами. Эти экзопланеты вращаются вокруг своих звезд в непосредственной близости, обычно завершая оборот через несколько часов, что позволяет легко обнаружить их с помощью методов наблюдения за экзопланетами.
Эти миры часто приливно привязаны к своей звезде, а это означает, что одна сторона, вечно дневная, очень горячая. Впечатляющим примером такого мира является WASP-121b, которую недавно наблюдала спектроскопическая камера на борту Габбла. Она немного больше Юпитера в нашей Солнечной системе. Железо и алюминий испаряются на дневной стороне этой планеты, и эти пары выносятся на ночную сторону сверхзвуковыми ветрами. Когда эти элементы остывают, они выпадают в виде металлического дождя с возможностью того, что часть алюминия может соединиться с другими элементами и выпасть в виде жидких рубиновых и сапфировых дождей.
Близость этих планет-гигантов к родительской звезде может привести к тому, что приливные силы придадут им форму мяча для регби. Что и вышло с экзопланетой WASP-103b. Часть роли JWST с его позиции в миллионе км от Земли будет состоять в изучении окружающей среды и атмосфер этих агрессивных планет.
Суперземли
Еще одна категория экзопланет, для наблюдения за которыми будет использоваться космический телескоп – это так называемые суперземли. Это миры, которые могут быть в 10 раз массивнее Земли, но при этом легче ледяных гигантов, таких как Нептун или Уран.
Суперземли не обязательно должны быть каменистыми, как наша планета, но могут состоять из газа или даже смеси газа и камня. NASA говорит, что в диапазоне от 3 до 10 масс Земли может быть большое разнообразие планетарных композиций, включая водные миры, планеты-снежки или планеты, которые, как Нептун, состоят преимущественно из плотного газа.
Первыми двумя суперземлями, которые попадут под прицел NASA JWST, будут покрытая лавой 55 Cancri e, кажущаяся каменистой планетой, расположенной на расстоянии в 41 световой год от нас, и LHS 3844b, которая вдвое больше Земли и, предположительно, имеет каменистую поверхность, похожую на лунную, но лишенную существенной атмосферы.
Оба эти мира кажутся довольно непригодными для жизни, какой мы ее знаем, но другие экзопланеты в разных местах Млечного Пути, которые будут изучаться с помощью JWST, могут быть более перспективными.
Тоже интересно:
- 10 самых удивительных вещей, которые мы узнали о черных дырах в 2021 году
- Терраформирование Марса: может ли Красная планета превратиться в новую Землю?
Система TRAPPIST-1
Во время первого рабочего цикла телескоп будет внимательно изучать систему TRAPPIST-1, расположенную на расстоянии в 41 световой год от Земли. Что делает эту планетную систему, открытую в 2017 году, необычной, так это тот факт, что ее семь каменистых миров существуют в зоне активности своей звезды, что делает ее самым большим из когда-либо обнаруженных потенциально пригодных для жизни земных миров.
Астрономы определяют обитаемую зону вокруг звезды как область, где температура позволяет существовать жидкой воде. Поскольку эта область не является ни слишком горячей, ни слишком холодной для существования воды в жидком состоянии, ее часто называют зоной Златовласки.
Однако расположение в этой зоне не означает, что планета пригодна для проживания. И Венера, и Марс находятся внутри зоны вокруг Солнца, но ни одна из этих планет не может комфортно поддерживать жизнь, как мы ее понимаем, из-за других условий. Планетарное общество предполагает, что другие факторы, такие как сила солнечного ветра, плотность планеты, ориентация орбиты планеты и вращение планеты (или явное его отсутствие) могут быть ключевыми факторами для обитания.
Органические молекулы и планетарное рождение
Одним из преимуществ инфракрасного обзора Вселенной с помощью NASA JWST является возможность заглянуть в плотные и массивные облака межзвездного газа и пыли. Хотя это может показаться не очень увлекательным, перспектива становится гораздо более привлекательной, если учесть, что это места, где рождаются звезды и планеты и которые называются звездными питомниками.
Эти области космоса нельзя наблюдать в видимом спектре света, поскольку содержание пыли делает их непрозрачными. Однако эта пыль позволяет распространяться электромагнитному излучению в инфракрасном диапазоне длин волн. Это означает, что JWST сможет изучать плотные области газовых и пылевых облаков по мере их коллапса и формирования звезд.
Вдобавок к этому космический телескоп также сможет исследовать диски из пыли и газа, которые окружают молодые звезды и дают начало планетам. Это может не только показать, как формируются планеты, подобные находящимся в Солнечной системе, включая Землю, но также может показать, как органические молекулы, жизненно важные для жизни, распределяются внутри этих протопланетных дисков.
И есть один звездный питомник, над которым, в частности, будут работать исследователи, имеющие время наблюдения за JWST.
Читайте также:
- Наблюдения за Красной планетой: История марсианских иллюзий
- Телепортация с научной точки зрения и ее будущее
Столпы Творения
Столпы Творения (Pillars of Creation) являются одним из самых ярких и красивых космических зрелищ, когда-либо изображенных человечеством. Космический телескоп Габбла, сделавший прекрасные изображения Pillars of Creation (на фото ниже), смог заглянуть в глубь этих башен из газа и пыли высотой несколько световых лет.
Расположенные в туманности Орла и в 6500 световых годах от Земли в созвездии Змеи, непрозрачные колонны – Столпы Творения – являются местами интенсивного звездообразования. Чтобы собрать детали процессов рождения звезд внутри столпов, Габбл наблюдал за ними в оптическом и инфракрасном свете.
Инфракрасный свет необходим для наблюдения за процессами, происходящими внутри Столпов Творения, потому что, как и в случае с другими яслями, видимый свет не может проникнуть сквозь плотную пыль этой эмиссионной туманности.
Габбл оптимизирован для работы в видимом свете, но ему все же удалось сделать потрясающие инфракрасные изображения столпов, на которых видны некоторые из живущих внутри них молодых звезд. Это то, что взволновало команду JWST, – их мощный инфракрасный космический телескоп расскажет об этой захватывающей области космоса.
Юпитер, его кольца и спутники
Одной из целей космического телескопа в Солнечной системе будет самая большая планета, газовый гигант Юпитер. По данным NASA, группа из более 40 исследователей разработала программу наблюдений, которая будет изучать Юпитер, его систему колец и две его луны: Ганимед и Ио. Это будет одно из первых исследований телескопа в Солнечной системе, которое потребует его калибровки по яркости газового гиганта и в то же время возможности наблюдения за его более тусклой системой колец.
Команда JWST, наблюдающая за Юпитером, также должна учитывать 10-часовой день на планете. Это потребует «сшивания» отдельных изображений для изучения одной конкретной области пятой планеты, быстро вращающейся вокруг Солнца, такой как Большое Красное Пятно – самый большой шторм в Солнечной системе, настолько глубокий и широкий, чтобы поглотить всю Землю.
Астрономы попытаются лучше понять причину колебаний температуры атмосферы над Большим Красным Пятном, характеристики необычных тусклых колец Юпитера, а также наличие под поверхностью спутника Юпитера Ганимеда жидкого океана с соленой водой.
Астероиды и околоземные объекты
Еще одна важная роль, которую JWST будет играть в Солнечной системе, – изучение астероидов и других малых тел Системы в инфракрасном диапазоне. Изучение будет включать сближающиеся с Землей (NEO) объекты (как их классифицирует NASA), которые являются кометами и астероидами, которые подталкиваются гравитационным тяготением прилегающих планет к орбитам, позволяющим им войти в ближние сферы Земли.
JWST будет проводить наблюдение астероидов и NEO в инфракрасном диапазоне, что невозможно из атмосферы Земли с помощью наземных телескопов или менее мощных космических телескопов. Цель этих оценок астероидов состоит в изучении поглощения и излучения света с поверхности этих тел, что должно помочь лучше понять их состав. JWST также позволит астрономам лучше классифицировать формы астероидов, содержание в них пыли и то, как они выделяют газ.
Изучение астероидов является жизненно важным для ученых, стремящихся понять зарождение Солнечной системы и ее планет 4,5 млрд. лет назад. Это потому, что они состоят из «неиспорченных» материалов, которые существовали, когда формировались планеты, избежавшие тяготения планет, формирующих тела меньшего размера.
Наряду с изучением зарождения планет, звезд и ранних моментов самих галактик эта миссия еще раз демонстрирует, как JWST будет решать некоторые из самых фундаментальных загадок науки.
Что дальше?
По состоянию на 15 июня 2022 года, все инструменты NASA Вебба включены, и сделаны первые снимки. Кроме того, четыре режима формирования изображений, три режима временных серий и три спектроскопических режима были протестированы и сертифицированы, осталось всего три. Как уже было сказано, 12 июля NASA планирует выпустить набор тизерных наблюдений, иллюстрирующих возможности Вебба. Они покажут красоту изображений космоса, а также дадут астрономам представление о качестве получаемых ими данных.
После 12 июля космический телескоп Джеймс Уэбб начнет полноценно работать над своей научной миссией. Подробное расписание на следующий год еще не опубликовано, но астрономы всего мира с нетерпением ждут первые данные от самого мощного космического телескопа из когда-либо созданных.
Вы можете помочь Украине бороться с российскими оккупантами, лучший способ – сделать пожертвование для Вооруженных Сил Украины через Savelife или через официальную страницу НБУ.
Подписывайтесь на наши страницы в Twitter и Facebook.
Читайте также: