Снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений: что покажет самая крупная орбитальная станция?

Долгожданные снимки далеких экзопланет, галактик и звездных скоплений, полученные на космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб», были опубликованы в середине июля. Этому знаменательному событию предшествовала колоссальная работа многотысячной команды: от инженеров и проектировщиков до астрономов. Запуск телескопа был затруднен, из-за чего от задумки до реализации прошло 35 лет. Стоимость проекта также беспрецедентная: всего на нее потратили порядка десяти миллиардов долларов. Однако израсходованные средства и усилия оправдаются: только в рамках первого цикла с помощью «Уэбба» планируется провести свыше 286 наблюдений, которые займут около шести тысяч часов исследовательского времени. Полученные данные позволят ученым всего мира изучить формирование и развитие галактик, звезд, планетных систем и происхождение жизни, а также увидеть свет первых объектов, образовавшихся после Большого взрыва. «Лента.ру» рассказывает о старте исследовательской деятельности «Джеймса Уэбба», его открытиях и будущих планах.

Как разрабатывали «Джеймса Уэбба»

Идея создания самой крупной орбитальной станции, когда-либо запущенной человечеством, пришла в голову ученым в 1986 году во время выпуска доклада HST and Beyond американскими специалистами. В результате участие в проекте приняли 17 стран, однако основной вклад сделало НАСА, а затем Европейское и Канадское космические агентства (ЕКА, ККА).

Общий размер зеркала достигает более шести метров. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия 

Зеркало телескопа «Джеймс Уэбб»

Общий размер зеркала достигает более шести метров. Оно состоит из 18 шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия . Фото: Сhris Gunn / NASA

Ключевую деталь телескопа — зеркало — решили сделать сегментированным, а не цельным, поскольку размер не позволял бы уместить его в ракете-носителе. В итоге зеркало создали из 18-ти шестиугольных сегментов размером 1,32 метра от ребра до ребра, которые созданы из позолоченного бериллия. Общий размер зеркала достигает более шести метров, что дает возможность собирать в 5,6 раза больше света, чем у предыдущего крупнейшего телескопа — «Хаббла». Однако в отличие от последнего, который работает только в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах, «Джеймс Уэбб» позволяет вести наблюдения в более низком диапазоне: от длинноволнового видимого света до среднего инфракрасного. Такое оснащение предоставляет возможность исследовать самые дальние тела во Вселенной, а также объекты с большим красным смещением (таким светом обладают первые галактики и звезды во Вселенной).

Телескоп оборудовали пятислойным тепловым экраном, регулирующим температуру зеркала и приборов. Для эффективной работы «Уэбба» было принято решение разместить его на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на отдалении примерно в 1,5 миллиона километров от Земли. Там исследованию не помешает излучение от других объектов, а также это снизит его нагревание.

В августе 2019 года закончилась сборка телескопа, и команда «Уэбба» приступила к наземным испытаниям. В ходе проверки на устойчивость к вибрации и шуму от ракеты-носителя «Ариан-5» решили заменить электронную аппаратуру, которая ранее нештатно сработала. Спустя два года в НАСА сообщили об окончании всех испытаний и о готовности к запуску. Старт ракеты «Ариан-5» с телескопом на борту произошел 25 декабря 2021 года, а спустя месяц «Уэбб» добрался до точки назначения — гало-орбиты в точке Лагранжа L. Первое тестовое изображение на инфракрасную камеру NIRCam было получено уже в феврале 2022 года. На нем была запечатлена изолированная звезда HD 84406.

Однако не все предварительные этапы подготовки телескопа проходили гладко. В период с 23 по 25 мая в одно из главных зеркал попал небольшой метеорит, нанесший повреждения. Предсказать появление этого объекта было невозможно, поскольку он не принадлежал к какому-либо известному метеорному потоку. Полученный урон оказался сильнее, чем было заложено при разработке на Земле. Специалисты отметили «незначительные, но ощутимые искажения в поступающих данных». Несмотря на появившиеся нештатные повреждения, телескоп продолжил выполнять весь свой основной функционал, отправляя при этом даже более качественные кадры, чем должны были быть на том этапе подготовительных работ.

Ракета-носитель телескопа «Ариан-5»

Первые результаты

Первое полноценное изображение было представлено 12 июля, на нем можно разглядеть скопления галактик SMACS 0723. На переднем плане выделяются яркие объекты — такими они были 4,6 миллиарда лет назад. Позади них более тусклые галактики, на фотографии их возраст достигает 13 миллиардов лет. Получить снимок удалось благодаря наложению нескольких кадров с различными длинами волн. Исследование подобных изображений позволит ученым понять, как формировались первые звезды и галактики. Захваченные камерой NIRCam объекты могут быть самыми отдаленными, а следовательно, старыми во Вселенной. Этот же снимок предварительно был представлен в инфракрасном спектре.

Этот кусочек огромной вселенной покрывает участок неба размером примерно с песчинку, которую кто-то на Земле держит на расстоянии вытянутой руки

сотрудники НАСА

На пробных изображениях телескопа в кадр инфракрасной камеры NIRCam попал Юпитер вместе со всеми тремя спутниками — Европой, Фивой и Метидой. Этот снимок был необходим для подтверждения возможности «Уэбба» снимать быстро вращающиеся объекты, а также те, которые отражают большое количество света, что необходимо для дальнейшего изучения околоземных астероидов и межзвездных комет.

Также «Джеймс Уэбб» запечатлел Квинтет Стефана — это группа из пяти сливающихся галактик, которые находятся в созвездии Пегаса на расстоянии 290 миллионов световых лет от Земли. Согласно полученным данным, в центре Квинтета находится сверхмассивная черная дыра, а рядом рождаются новые звезды. Исследование этих объектов с помощью «Уэбба» позволит более глубоко изучить развитие галактик и скорость роста сверхмассивных черных дыр.

Кроме того, были представлены кадры с самой яркой и большой туманностью в созвездии Киля. Она состоит из пыли и газа, в которых формируются новые звезды. Из-за препятствий в виде облаков ученые не могли разглядеть этот процесс, но благодаря инфракрасному спектру камер телескопа стало возможным преодолеть плотную преграду из пыли. Туманность находится в 7600 световых годах от Земли в южном созвездии Киля. На снимках изображены сотни новых звезд, а также испускаемые ими струи.

Первый снимок «Джеймса Уэбба». На изображении возможно разглядеть скопления галактик SMACS 0723

Скопления галактик SMACS 0723 в инфракрасном спектре, сделанные на прибор NIRCam

Инфракрасное изображение Юпитера и его спутников — Европы, Фивы и Метиды, полученное на NIRCam

Квинтет Стефана. Группа из пяти сливающихся галактик, которые находятся в созвездии Пегаса на расстоянии 290 миллионов световых лет от Земли

Квинтет Стефана

Самая яркая и большая туманность, находящаяся в созвездии Киля. Она состоит из пыли и газа, в которых формируются новые звезды

Туманность «Восемь взрывов», также называемая Южным кольцом. Голубой центр в кадре — заряженный электричеством газ, а оранжевые структуры по краям — молекулярный водород. На втором изображении можно разглядеть две умирающие звезды

Вода в атмосфере гигантской экзопланеты WASP-96b. Спектральные измерения «Уэбба» на наличие паров воды в верхних слоях атмосферы гигантской экзопланеты WASP-96b

Следующим объектом, зафиксированным «Джеймсом Уэббом», стала туманность «Восемь взрывов», также называемая Южным кольцом, которая находится на отдалении 2000 световых лет от Земли. Она представляет собой планетарную туманность — две умирающие звезды, вращающиеся вокруг друг друга и окруженные облаком газа. Диаметр Южного кольца достигает почти половины светового года. Голубой центр в кадре — заряженный электричеством газ, а оранжевые структуры по краям — молекулярный водород (газ, появляющийся во время синтеза двух атомов водорода). На втором изображении можно разглядеть две умирающие звезды, что дает максимально подробное (из доступных на сегодняшний день) представление об этом процессе.

Впечатляющим открытием стало обнаружение воды в атмосфере гигантской экзопланеты WASP-96b, вращающейся вокруг звезды WASP-96 в созвездии Феникса. Система отдалена от Земли более чем на 1000 световых лет. Объект наблюдения полностью состоит из очень горячего газа. С помощью спектральных измерений «Уэбба» удалось зафиксировать наличие паров воды в верхних слоях атмосферы. Также там впервые заметили облака и скопления тумана.

Будущие открытия

Одной из самых волнующих целей телескопа является изучение раннего периода возникновения Вселенной — сразу после Большого взрыва, который случился 13,8 миллиарда лет назад. Поскольку свет от самых далеких от наблюдателя объектов доходит очень медленно, мы можем увидеть их такими, какими они были миллиарды лет назад. Другими словами — изучение максимально отдаленных космических тел позволяет исследовать их в прошлом.

Звезды первого поколения, появившиеся спустя 100 миллионов лет после Большого взрыва, также называемые звездами населения III, должны были быть гигантскими — в несколько сотен или тысячу раз крупнее Солнца. По предположениям астрономов, они состоят только из водорода и гелия. Их перевоплощение в сверхновые наполнило космос различными химическими элементами, положив начало формированию современных светил. Ученые не знают, смогут ли они их обнаружить когда-либо, но новые технические возможности, появившиеся благодаря «Джеймсу Уэббу», позволяют это сделать.

Мы собираемся заглянуть в самое раннее время, чтобы увидеть первые галактики в истории Вселенной

Дэн Коу
астроном из Научного института космического телескопа (Space Telescope Science Institute, STScI)

Коу будет курировать два проекта с помощью «Уэбба»: отслеживание одной из самых отдаленных (из известных на сегодняшний день) галактик MACS0647-JD и самой далекой звезды Earendel, зафиксированной в марте 2022 года.

Получить возможность исследовать Вселенную с помощью «Уэбба» можно было на конкурсной основе. В опубликованном в 2017 году списке целей «Джеймса Уэбба» было более 2100 наблюдений. Позднее НАСА сформировало окончательный набор первичных целей, в которые входило 286 заявок по семи направлениям астрономии. При этом ученые из НАСА получат около 80 процентов времени эксплуатации телескопом, в ЕКА — 20, а в Канадском космическом агентстве около 5 процентов.

Расположение «Джеймса Уэбба»

Телескоп находится на гало-орбите в точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, на отдалении примерно 1,5 миллиона километров от Земли . Изображение: NASA

В ходе этих работ планируется обнаружить свет первых звезд и галактик, изучить их происхождение и развитие, а также приблизиться к истокам появления жизни. Кроме того, ученые хотят попытаться выяснить, где и почему началась реионизация (одна из эпох становления Вселенной, заключающаяся во вторичной ионизации водорода) Вселенной. Затем астрономы рассчитывают найти достаточно холодные (схожие по температуре с Землей) экзопланеты. Задача этого исследования заключается в поиске схожих по среде с Землей планет. Еще одним объектом в поле интересов ученых оказались протопланетные диски. Планируется провести спектрограмму 17 дисков, которая позволит выявить их химический состав и внутреннее строение системы, что необходимо для понимания наличия воды в потенциально обитаемой зоне. Целью исследований являются не только далекие космические тела, но и более ближние к нам объекты, которые находятся в Солнечной системе, например, водные миры — спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелада.

286 заявок
было сформировано для первичных исследований с «Джеймсом Уэббом»

Шанс на работу с телескопом представился молодому доктору Оливии Лим из Монреальского университета. Она хочет изучить семь каменистых планет размером с Землю, которые вращаются вокруг звезды Trappist-1. Три объекта располагаются не слишком близко и не слишком далеко от светила, что, по мнению исследовательницы, предоставляет благоприятные условия, чтобы найти там признаки жизни. На этих планетах, вероятнее всего, присутствует жидкая вода, а возможно — озон и углекислый газ. Вместе с тем звездная система находится относительно рядом с Землей — всего в 39 световых годах.

Телескоп предоставляет беспрецедентные для исследований спектрографические возможности. Анализ светового спектра помогает выявить температуру, массу и даже химический состав астрономического объекта. Нет сомнений, что открытия, произведенные «Джеймсом Уэббом», совершат революцию в современном понимании космоса и его объектов так же, как когда-то было с «Хабблом».