Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — это один из самых амбициозных научных проектов в истории астрономии. Он способен заглядывать в глубины космоса дальше, чем любой из существующих инструментов, и фиксировать события, происходившие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Благодаря уникальной конструкции, высокоточной оптике и наблюдениям в инфракрасном диапазоне, телескоп уже помог ученым уточнить хронологию формирования галактик, изучить состав атмосфер экзопланет и получить детальные снимки далеких звездных систем.
«Джеймс Уэбб» — крупнейшая действующая космическая обсерватория, способная работать в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах.
Диаметр его главного зеркала — 6,5 м, а площадь собирающей свет поверхности примерно в шесть раз больше, чем у «Хаббла».
Телескоп размещен в точке Лагранжа L2 на расстоянии около 1,5 млн км от Земли.
Разработка проекта началась в 1990-е годы, а запуск состоялся 25 декабря 2021 года с космодрома Куру.
Главное зеркало состоит из 18 сегментов бериллия с золотым покрытием и управляется системой сверхточных приводов.
С помощью «Джеймса Уэбба» обнаружены самые ранние галактики, возраст которых не превышает 300 млн лет после Большого взрыва.
Что собой представляет телескоп «Джеймс Уэбб» и для чего он нужен
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — это крупнейшая высокочувствительная орбитальная инфракрасная обсерватория, запущенная для изучения самых ранних и самых удаленных объектов Вселенной. Диаметр его главного зеркала — 6,5 м, а площадь поверхности составляет около 25 м². Для сравнения: у телескопа «Хаббл» зеркало всего 2,4 м. Такое увеличение площади позволяет фиксировать излучение объектов, которые в десятки и сотни раз слабее, чем все, что человечеству удавалось наблюдать ранее.
«Джеймс Уэбб» работает в диапазоне от 0,6 до 28,5 микрометра — от оранжевого края видимого света до среднего инфракрасного диапазона. Именно этот спектр делает его особенно ценным для астрономии: инфракрасное излучение способно проникать сквозь пылевые облака, скрывающие процессы звездообразования, и фиксировать свет от далеких галактик, который из-за расширения Вселенной смещен в длинноволновую область. Это означает, что телескоп может «заглянуть» в эпоху, когда примерно через 180 млн лет после Большого взрыва формировались первые звезды и галактики.
История создания и запуска «Джеймса Уэбба»
Идея создания нового космического телескопа появилась в начале 1990-х годов, вскоре после запуска телескопа «Хаббл». Астрономы понимали, что для наблюдения за самыми ранними эпохами Вселенной оптического диапазона недостаточно — нужен инструмент, способный фиксировать инфракрасное излучение, проходящее сквозь пылевые облака. В 1996 году была представлена концепция будущей обсерватории. В 2002 году ей присвоили имя Джеймса Эдвина Уэбба — руководителя американской космической программы времен «Аполлона».
Разработка и производство
Ключевым вызовом стала оптика. Для главного зеркала выбрали бериллий особой чистоты. Производство начиналось с порошка, который прессовали в плоские заготовки. Каждую заготовку разрезали пополам, получая сегменты диаметром около 1,3 м. С тыльной стороны материал вырезали до тонкой реберной структуры, чтобы облегчить вес без потери прочности. Передняя поверхность шлифовалась и полировалась с учетом будущего положения в составе зеркала.
После механической обработки каждый сегмент охлаждали до −240 °C и измеряли с помощью лазерного интерферометра. Окончательная полировка позволяла добиться точности до долей микрона. На лицевую поверхность наносили тончайший слой золота — он усиливал отражающую способность в инфракрасном диапазоне (0,6—29 мкм). Готовые сегменты подвергались криогенным испытаниям и затем объединялись в три крупных блока. Развертыванием зеркала управляют 132 привода, которые обеспечивают точное позиционирование всех 18 сегментов.
Испытания
10 июля 2017 года начались финальные криогенные испытания телескопа в центре имени Линдона Джонсона. В течение ста дней зеркало и узлы конструкции находились при температуре около 37 К, что подтверждало их устойчивость к рабочим условиям. Параллельно проводились вибрационные и акустические проверки в центре космических полетов имени Годдарда. Конструкция должна была выдержать нагрузки, соответствующие старту тяжелой ракеты-носителя.
В феврале 2018 года зеркала и приборы перевезли в Калифорнию на сборочную площадку компании Northrop Grumman. Здесь был собран двигатель, солнцезащитный экран и проведена проверка устойчивости конструкции к перепадам температур от −148 °C до +102 °C. В августе 2019 года инженеры состыковали основное зеркало с экраном и платформой и выполнили функциональные испытания электрических цепей.
В 2020 году завершили сборку телескопа. Его подвергли финальным вибрационным, акустическим и электрическим тестам, а также проверке систем связи, моделирующей реальную передачу данных через сеть дальней космической связи. Весной 2021 года инженеры в последний раз сложили многослойный экран и развернули главное зеркало, готовя прибор к транспортировке. 26 августа 2021 года все испытания были завершены. Телескоп признали готовым к запуску.
Запуск и выход на орбиту
25 декабря 2021 года в 12:20 по всемирному времени телескоп был запущен с космодрома Куру во Французской Гвиане ракетой «Ариан-5». Первая коррекция орбиты прошла в день старта. К 29 декабря телескоп развернул антенну и солнечные панели, обеспечив связь и питание. 2 января 2022 года были раскрыты боковые секции солнцезащитного экрана, а 4 января завершено натяжение пяти слоев экрана. 8 января успешно развернули главное зеркало. 12 января подтвердили работоспособность всех приводов юстировки.
24 января 2022 года телескоп вышел на орбиту вокруг точки Лагранжа L2 на расстоянии примерно 1,5 млн км от Земли. 3 февраля с помощью инфракрасной камеры было получено первое пробное изображение звезды HD 84406. Это стало началом многоэтапной калибровки сегментов зеркала.
Калибровка и начало работы
К марту 2022 года основные оптические системы были выровнены и протестированы, а в апреле прибор среднего инфракрасного диапазона достиг рабочей температуры. В мае завершили окончательную настройку оптики. В этот же период один из сегментов был поврежден микрометеоритом, но общая работоспособность не пострадала: отклонение осталось в пределах расчетных допусков.
12 июля 2022 года были опубликованы первые научные данные — полноцветные снимки галактического скопления SMACS 0723 и других объектов, что ознаменовало официальный старт научной программы.
Устройство и принцип работы телескопа «Джеймс Уэбб»
В основе устройства — сегментированное зеркало, тепловая защита, интегрированный научный модуль и инженерная платформа с системами жизнеобеспечения прибора.
Ключевой элемент телескопа — главное зеркало. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов из бериллия — материала, способного сохранять геометрию даже при экстремальном охлаждении. Каждый сегмент диаметром 1,32 м тщательно полировался и покрывался золотом толщиной около 100 нанометров.
Такое покрытие усиливает отражающую способность в инфракрасном диапазоне. Общая площадь зеркала — около 25 м² при массе менее 700 кг, что стало возможным благодаря облегченной реберной структуре на обратной стороне сегментов.
Каждый элемент управляется семью приводами, позволяющими изменять положение с точностью до десятков нанометров. На этапе фокусировки сегменты действуют как отдельные зеркала, а после выравнивания формируют единую оптическую поверхность с высоким разрешением. В космосе выполняется автоматически: сначала раскрываются три секции конструкции, затем каждый сегмент выравнивается по расчетной форме.
Вторичное зеркало расположено на легкой выдвижной ферме. Оно принимает собранный световой поток и направляет его в центр системы, где установлены научные приборы.
Телескоп защищен пятислойным экраном из каптона с алюминиевым напылением. Каждый слой тоньше человеческого волоса. Слои расположены так, чтобы последовательно отражать и рассеивать тепло. Разница температур между солнечной и теневой сторонами конструкции превышает 300 °C, при этом чувствительная аппаратура остается в стабильном холодном состоянии.
Все инженерные системы закреплены на платформе с опорами, солнечными панелями, баками с топливом для коррекции орбиты, радиаторами для отвода тепла и антеннами связи. Эта часть конструкции обеспечивает питание, ориентацию и передачу данных.
Внутри научного блока размещены четыре основных инструмента:
Камера ближнего инфракрасного диапазона. Позволяет получать снимки звезд, галактик и планетных систем с высоким разрешением.
Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона. Анализирует свет сотен объектов одновременно, определяя химический состав и физические параметры.
Прибор среднего инфракрасного диапазона. Особенно чувствителен к излучению холодных тел — протозвезд, пылевых туманностей и далеких планет.
Система точного наведения. Обеспечивает устойчивое положение телескопа во время наблюдений и дополняет остальные инструменты.
Принцип работы
Свет, поступающий от наблюдаемого объекта, отражается главным зеркалом, затем концентрируется вторичным и направляется внутрь корпуса. После этого пучок проходит через оптический модуль и распределяется между приборами. Камеры формируют изображение, а спектрографы раскладывают излучение на спектр. По этим данным астрономы определяют возраст, химический состав и температуру источников.
Точная ориентация достигается за счет гироскопов, маховиков и звездных датчиков. Наведение стабильно с точностью до сотых долей угловой секунды, что особенно важно при наблюдении далеких галактик и экзопланет. Система связи передает полученные данные через сеть дальней космической связи на наземные станции в разных странах.
Какие открытия уже были сделаны с помощью «Джеймса Уэбба»
С момента начала научных наблюдений летом 2022 года телескоп «Джеймс Уэбб» позволил сделать ряд фундаментальных открытий.
1. Открытие новых галактик
Дата: июль — декабрь 2022 года.
Телескоп зафиксировал галактики с красным смещением z ≈ 13–14, возрастом менее 300 млн лет после Большого взрыва. Объект JADES-GS-z14-0 на момент открытия стал самой далекой галактикой, существование которой подтверждено.
2. Исследование звездообразующих областей
Дата: осень 2022 года.
Получены детализированные инфракрасные снимки регионов активного звездообразования. В «Столпах творения» телескоп показал структуру пылевых столбов и множество звездных объектов, скрытых от оптических наблюдений. Дополнительно были исследованы туманность Ориона и туманность Киля.
3. Углекислый газ в атмосфере экзопланеты WASP-39 b
Дата: август 2022 года.
Зафиксирован спектральный след CO₂. Это первый подтвержденный случай существования углекислого газа в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Дополнительно зарегистрированы водяной пар, натрий и сера.
4. Исследование системы TRAPPIST-1
Дата: 2023 год.
Наблюдения транзитов TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1c показали отсутствие плотной атмосферы у первой планеты. Это уточняет представления об обитаемости в системах вокруг красных карликов. Работа стала первым высокоточным инфракрасным анализом планет земного типа.
5. Съемка и спектральный анализ объектов Солнечной системы
Дата: 2022—2023 годы.
Получены детализированные изображения Юпитера с полярными сияниями, штормами и кольцами. Зафиксированы подробные данные по Урану и Нептуну в инфракрасном диапазоне, что позволило узнать больше о климатических процессах на газовых гигантах.
Примеры фото, сделанных с помощью «Джеймса Уэбба»
Фотографии, сделанные телескопом «Джеймс Уэбб», позволяют увидеть объекты и процессы, которые ранее были недоступны наблюдениям с Земли и с орбиты.
«Джеймс Уэбб» сделал снимок полярного сияния на Юпитере.
Обсерватория смогла запечатлеть далекую экзопланету HIP 65426 b. На снимке представлены фото, снятые разными камерами.
Телескоп запечатлел в среднем и ближнем инфракрасном диапазоне «Столпы творения» — это скопления межзвездного газа и пыли в туманности «Орел».
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о телескопе.
Как «Джеймс Уэбб» помогает исследовать космос?
Свет, испущенный первыми звездами, за миллиарды лет расширения Вселенной сдвинулся в длинноволновую область спектра. Оптические телескопы уже не способны его зафиксировать. Инфракрасный диапазон позволяет уловить это излучение и увидеть объекты, существовавшие вскоре после Большого взрыва, когда звезды и галактики только начали формироваться.
Почему телескопу важно находиться именно в точке Лагранжа L2, а не на орбите Земли?
В этой точке гравитационные силы Земли и Солнца уравновешиваются, и телескоп может оставаться в стабильном положении без больших затрат топлива. Здесь нет суточных перепадов тепла, которые мешали бы наблюдениям, а также минимальное количество отраженного света, что особенно важно для инфракрасных исследований.
Можно ли модернизировать или обслужить телескоп «Джеймс Уэбб» в будущем, как это делали с «Хабблом»?
Нет. Он находится слишком далеко для пилотируемых миссий. Прибор изначально спроектирован как автономная система, способная работать без физического вмешательства. Все корректировки выполняются с Земли через систему связи, в том числе точная настройка зеркал и обновление программного обеспечения.
