Телескоп Уэбба готовится к восхождению, с прицелом на наше происхождение

В истории вида бывает всего несколько случаев, когда он получает ноу-хау, смелость и инструменты, позволяющие значительно продвинуться в изучении своего происхождения. Человечество находится в таком моменте, говорят астрономы.

Согласно сказке, которую они рассказывали себе (и остальным) в течение последних нескольких десятилетий, первые звезды зажглись, когда Вселенной было около 100 миллионов лет.

Они сильно горели и быстро умирали в эффектных взрывах сверхновых, рассеивая мрачный газовый туман, оставшийся после первобытного фейерверка, известного как Большой взрыв 13,8 миллиарда лет назад. Из этих искр возникло все, что нас интересует во Вселенной - длинная, непрерывная цепь космической эволюции, которая породила все - от галактик и планет до микробов и нас.

Но верна ли эта история?

Инструменты для решения этого и других вопросов уже под рукой. На космодроме во Французской Гвиане, завернувшись, как бабочка, в куколку из технологий, амбиций, металла и проводов, стоит самый большой, самый мощный и самый дорогой телескоп, который когда-либо запускался в космос, - космический телескоп Джеймса Уэбба стоимостью 10 миллиардов долларов. Его задача - смело заглянуть в прошлое и увидеть первые звезды и галактики.

"Мы ищем первые вещи, появившиеся после Большого взрыва", - говорит Джон Мазер из Центра космических полетов имени Годдарда в Грин-Белте, штат Мэриленд, главный научный сотрудник телескопа. Или, как он любит спрашивать: "Как мы попали сюда после Большого взрыва?".

Если все пройдет хорошо - а это всегда сомнительная перспектива в космическом бизнесе - телескоп будет погружен на ракету Ariane 5 и утром 24 декабря отправится в путешествие длиной в миллион миль к месту за Луной, где гравитационные силы объединяются и создают стабильную орбиту вокруг Солнца.

В течение следующих 29 дней на пути наверх "куколка" будет превращаться в телескоп в ходе серии движений, более сложных, чем все, что когда-либо пытались сделать в космосе, с 344 "единичными точками отказа", на жаргоне НАСА, и вдали от помощи любого астронавта или робота, если что-то пойдет не так. "Шесть месяцев повышенной тревожности", - так называют этот период инженеры и астрономы.

Сначала высунутся антенны и будут направлены на Землю, обеспечивая связь. Затем откроются строительные леса для солнцезащитного экрана размером с теннисный корт, затем сам солнцезащитный экран, сделанный из пяти тонких листов пластика под названием "каптон".

Наконец, 18 позолоченных бериллиевых восьмиугольников защелкнутся на месте, образуя сегментированное зеркало размером 6,5 метра, или 21 фут, в поперечнике. К тому времени телескоп достигнет пункта назначения - точки под названием L2, плавающей на солнечном щите и направленной в вечность.

Затем астрономы проведут шесть месяцев, настраивая, тестируя и калибруя свой новый взгляд на космос.

Оглядываясь на туман

Космический телескоп Джеймса Уэбба, названный в честь администратора НАСА, возглавлявшего агентство в годы "Аполлона", - это совместная работа НАСА, Канадского космического агентства и Европейского космического агентства. Его официальная миссия - исследовать ту область космической истории, которая была недоступна Хабблу и всем телескопам до него.

"Мы все здесь благодаря этим звездам и галактикам", - говорит Алан Дресслер из Обсерватории Карнеги в Пасадене, Калифорния.

Эта миссия требует, чтобы "Вебб" был настроен на другой вид света, чем тот, который видят наши глаза или "Хаббл". Из-за расширения космоса эти самые ранние звезды и галактики удаляются от Земли так быстро, что их свет смещается в сторону более длинных и красных волн, подобно тому, как сирена машины скорой помощи переходит на более низкий регистр, когда она проносится мимо.

То, что 13 миллиардов лет назад началось как голубой свет от младенческой галактики, к тому времени, когда он достигнет нас сегодня, растянулось до невидимых инфракрасных длин волн - теплового излучения.

Чтобы обнаружить эти слабые излучения, телескоп должен быть очень холодным - менее 45 градусов Цельсия выше абсолютного нуля, - чтобы его собственное тепло не вымыло тепло, которое он обнаруживает. Отсюда и солнечный щит, который будет затенять телескоп в постоянной, холодной темноте.

Еще до запуска космического телескопа "Хаббл" в 1990 году астрономы спорили о том, что должно быть дальше. Доктор Дресслер возглавлял комитет, предлагавший космический телескоп следующего поколения, достаточно мощный, чтобы увидеть первые звезды и галактики во Вселенной. Он должен был иметь диаметр не менее 4 метров (зеркало Хаббла было всего 2,4 метра в диаметре) и высокую чувствительность к инфракрасному излучению, а его стоимость должна была составить 1 миллиард долларов.

НАСА было готово, но Дэн Голдин, администратор агентства, беспокоился, что 4-метровый телескоп не будет достаточно зорким, чтобы обнаружить первые звезды. В 1996 году он ворвался на заседание Американского астрономического общества и отругал доктора Дресслера и его комитет за излишнюю осторожность. Он сказал, что новый телескоп будет иметь ширину 8 метров, что является резким скачком в мощности, стоимости и времени разработки.

"Толпа пришла в ярость", - вспоминал недавно д-р Дресслер. Но многие из нас с того дня знали, что это большие неприятности". Вебб стал идеальным штормом: Чем дороже он становился, тем важнее было, чтобы он не потерпел неудачу, а это делало его еще дороже".

Удвоившись в размерах, телескоп больше не мог поместиться на борту любой существующей ракеты. Это означало, что зеркало телескопа должно было быть складным и собираться в космосе. В итоге НАСА остановилось на зеркале шириной 6,5 метров - почти в три раза больше, чем у Хаббла, и в семь раз больше по светособирающей способности. Но все трудности, связанные с его разработкой и созданием, остались.

Если складное зеркало будет работать, как запланировано, эта миссия может стать предвестником нового способа запуска гигантских телескопов, слишком больших, чтобы поместиться на ракетах. Только в прошлом месяце комиссия Национальной академии наук США рекомендовала НАСА разработать гигантский космический телескоп размером 8 и более метров в поперечнике для поиска пригодных для жизни планет. Но если оригами Уэбба не удастся, НАСА и астрономическому сообществу придется долго возвращаться к чертежной доске.

"НАСА слишком рано взяло на себя обязательства по определенному дизайну", - сказал доктор Дресслер. "Я думаю, это препятствовало творческим решениям, которые могли бы задержать начало строительства, но сделать телескоп лучше, доступнее и, в конечном счете, быстрее для запуска".

Неудачи нарастали. В какой-то момент планировалось, что телескоп будет стоить около 5 миллиардов долларов и будет готов в 2011 году; в итоге потребовалось почти 10 миллиардов долларов и 25 лет. Перерасход средств и ошибки грозили отнять деньги у других проектов научного бюджета НАСА. Журнал Nature назвал его "телескопом, который съел астрономию". Десять лет назад Конгресс рассматривал возможность его полной отмены.

Назвать телескоп было отдельной проблемой. В 2002 году Шон О'Киф, в то время администратор НАСА, объявил, что инструмент будет назван в честь г-на Уэбба, который был поборником космической науки и руководителем агентства в решающие дни программы "Аполлон". Некоторые астрономы были разочарованы тем, что в честь него не назвали ученого, как это сделали телескоп Хаббла или рентгеновская обсерватория Эйнштейна. Некоторые из них критически относились к г-ну Уэббу, ставя под сомнение его роль в чистке геев и лесбиянок в Государственном департаменте во время администрации Трумэна.

Другие представители астрономического сообщества шутили, что инициалы телескопа расшифровываются как "Просто подожди космический телескоп". Задержки были обычным делом, сказал доктор Мазер: "Нам пришлось изобрести 10 новых технологий, чтобы построить этот телескоп, а это всегда сложнее, чем люди думают".

Особенно сложно было разработать складное зеркало и солнцезащитный экран. В начале 2018 года солнцезащитный экран порвался во время репетиции процесса раскладывания, и проект снова был отброшен назад.

Наконец, в октябре прошлого года телескоп прибыл на корабле во Французскую Гвиану, где он должен был быть запущен на борту ракеты Ariane 5. Но на этом проблемы телескопа не закончились. Когда техники готовились прикрепить его к космическому кораблю, неожиданно ослаб зажим, и весь инструмент задрожал.

Дата запуска была перенесена на четыре дня - с 18 на 22 декабря, пока НАСА подтверждало, что телескоп не поврежден. Через несколько дней из-за поломки кабеля передачи данных запуск был отложен еще на пару дней.

Благоприятное прошлое

Почти 14 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял менее одной триллионной доли секунды, квантовые колебания плотности материи и энергии привели к образованию сгустков, которые стали первыми звездами.

Эти звезды отличались от тех, которые мы сейчас видим на ночном небе, считают ученые, поскольку состояли только из водорода и гелия, созданных в термоядерной печи Большого взрыва. Такие звезды могли быстро вырасти и стать в сотни раз массивнее Солнца, а затем так же быстро взорваться в виде сверхновой. В современной Вселенной их, похоже, не существует.

При всем своем блеске эти ранние звезды могут быть слишком слабыми, чтобы их можно было увидеть с помощью "Вебба", сказал доктор Мазер. Но, добавил он, "они собираются в стада", скопления, которые могут быть семенами самых ранних протогалактик, и взрываются: "Мы можем увидеть их, когда они взрываются".

Предполагается, что эти взрывы сверхновых положили начало процессу, продолжающемуся и сегодня, засева галактики более тяжелыми и разнообразными элементами, такими как кислород и железо, необходимыми для планет и жизни.

По словам Марсии Рике из Университета Аризоны, одним из главных пунктов повестки дня будет поиск этих первых галактик. Последние 20 лет доктор Рике руководила разработкой специальной камеры, красной камеры ближнего инфракрасного диапазона, или NIRcam, одного из четырех инструментов, которые принимают свет, собранный зеркалом телескопа, и преобразуют его в осмысленное изображение или спектр.

На сегодняшний день самая ранняя и самая удаленная из известных галактик, обнаруженная "Хабблом", датируется временем всего 400 миллионов лет после Большого взрыва. Телескоп Webb сможет заглянуть еще дальше, всего лишь на 100 миллионов лет назад после Большого взрыва.

В этой туманной области доктор Рике ожидает найти еще десятки младенческих галактик, сказала она. Астрономы считают, что они послужили строительным материалом для скоплений галактик, видимых сегодня, скоплений триллионов звезд.

Попутно эти галактики каким-то образом приобретают сверхмассивные черные дыры в своих центрах, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. Но как и когда это происходит, и что появляется первым: галактика или ее черная дыра?

Приямвада Натараджан, астрофизик из Йельского университета, и ее коллеги - одни из тех, кто надеется с помощью Webb найти ответ на вопрос о происхождении этих черных дыр.

Возникли ли они в результате коллапса тех первых звезд? Или черные дыры уже были там, наследие Большого взрыва?

"На карту поставлено очень многое, как в интеллектуальном плане в плане нашего понимания роста черных дыр, так и в практическом плане в плане карьеры молодых членов нашей команды и других, работающих над этим важным открытым вопросом", - сказал доктор Натараджан. "Конечно, при условии, что все пройдет хорошо, и JWST получит данные в соответствии с ожиданиями".

Миры за пределами Солнца

За те годы, что Webb находится в разработке, поиск и изучение экзопланет - миров, вращающихся вокруг других звезд, - стал самой быстро развивающейся областью астрономии. Ученые теперь знают, что в галактике столько же планет, сколько и звезд.

"Все, что мы узнали об экзопланетах, было сюрпризом", - сказал доктор Мазер.

В поисках такого сюрприза, по его словам, телескоп будет смотреть на Альфу Центавра, звезду, находящуюся всего в 4,5 световых годах от Земли: "Мы не ожидаем там планет, но кто знает?".

Как оказалось, инфракрасное излучение также идеально подходит для изучения экзопланет. Когда экзопланета проходит перед своей звездой, ее атмосфера освещается, что позволяет ученым на Земле изучать спектроскопические сигнатуры элементов и молекул. По словам Сары Сигер, эксперта по планетам из Массачусетского технологического института, озон является одной из таких молекул, представляющих интерес, как и вода.

Астрономы, располагающие временем наблюдения на телескопе Уэбба, составили список из примерно 65 экзопланет для наблюдения; все они находятся относительно недалеко от нас и обращаются вокруг небольших звезд, известных как красные карлики. Ни одна из них не является настоящим аналогом нашей планеты - Земли 2.0, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, сказал доктор Мазер. Для обнаружения такой планеты потребуется более крупный космический телескоп нового поколения. Но, тем не менее, они могут быть пригодны для жизни.

В результате, одними из самых ожидаемых ранних наблюдений с помощью "Уэбба" будут планеты в системе Траппист-1, расположенной всего в 40 световых годах от нас. Там семь планет обращаются вокруг тусклой красно-карликовой звезды. Три из них размером с Землю вращаются в обитаемой зоне, где на поверхности может существовать вода.

Доктор Сигер входит в состав группы, которая имеет право первой наблюдать за одной из самых перспективных экзопланет - Trappist-1e. Исследователи начнут с того, что попытаются определить, есть ли у планеты атмосфера.

"Пока еще ничего не запланировано", - сказала она и перечислила множество шагов, необходимых для того, чтобы телескоп начал работать. "Я сравниваю это с пробуждением человека из комы. Вы не просите его сразу же пробежать марафон. Это поэтапное тестирование".

Д-р Мазер, отвечая на вопрос о том, что ему не терпится изучить, упомянул первобытные галактики, темную энергию и черные дыры. "На что я действительно надеюсь, так это на то, чего мы не ожидаем", - сказал он.

Измерение Вселенной, снова

Венди Фридман можно извинить за то, что она переживает момент дежа вю.

Тридцать лет назад, еще до запуска космического телескопа Хаббла, выдающиеся астрономы вели ожесточенные споры о том, насколько быстро расширяется Вселенная. Речь шла о правильном значении постоянной Хаббла, которую называют самым важным числом во Вселенной. Она измеряет скорость космического расширения, но астрономические измерения не совпадают в два раза. Это означало, что астрономы не могли достоверно вычислить возраст или судьбу космоса, а также расстояние до других галактик.

Телескоп Хаббл должен был разрешить эту тупиковую ситуацию, и доктор Фридман, ныне работающий в Чикагском университете, возглавил "ключевой проект", в ходе которого был найден ответ. Но последние измерения выявили новые разногласия по поводу скорости космического расширения. И доктор Фридман снова оказалась в центре событий, используя новый космический телескоп для повторного измерения постоянной Хаббла.

"Сегодня у нас есть шанс узнать кое-что о ранней Вселенной", - сказала она в электронном письме. "Поскольку мы добились все более высокой точности, вопрос изменился - теперь мы можем спросить, есть ли трещины в нашей нынешней стандартной космологической модели. Есть ли какая-то новая недостающая фундаментальная физика?"

"Так что да, это захватывающе", - сказала она. "И снова новый фантастический космический телескоп, который позволит нам разрешить противоречия!".

И это, несомненно, породит новые. Как сказал Клаус Понтоппидан, астроном из Научного института космического телескопа, на недавней пресс-конференции: "Телескоп был построен, чтобы ответить на вопросы, о которых мы даже не подозревали".