Создаваемый НАСА и ЕКА космический телескоп имени Джеймса Вебба [JWST, James Webb Space Telescope] позволит ученым взглянуть на раннюю Вселенную так близко к Большому Взрыву, как никогда ранее. Создание летного изделия идет параллельно экспертизе проекта, назначенной на следующий год. 6,5 - метровое основное зеркало сделает «Вебб» крупнейшей в мире орбитальной обсерваторией. Он также станет крупнейшим из существующих инфракрасных телескопов. Предварительная дата запуска назначена на июнь 2014 года, но дополнительные контрольные тесты могут отодвинуть ее.
Если удастся удержать график, то новый телескоп войдет в строй до прекращения работы космического телескопа «Хаббл». «Перспектива одновременной работы «Хаббла» и «Вебба» очень интересна, так как их возможности во многих отношениях дополняют друг друга», - говорит Джон Гарднер [John Gardner, Центр космических полетов имени Годдарда].Ожидается, что более 7000 астрономов, участвовавших в проекте «Хаббл» в течение более двух десятилетий его работы, будут использовать «Вебб». «Хаббл» проводит обзор в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах [0,1 – 2,5 мкм], «Вебб» будет работать в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах [0,6 – 28 мкм]. Разрешающая способность «Вебба» в 0,1 угловой секунды [arc second] позволит ему увидеть объекты размером с футбольный мяч на расстоянии 547 километров, что соотносится с [дифракционным] разрешением 2,5 – метрового зеркала «Хаббла» [для видимого диапазона]. Разница в том, что «Вебб» будет работать в инфракрасном диапазоне с таким разрешением, что позволит увидеть 10-100 раз более тусклые объекты, чем это может сделать «Хаббл», тем самым открывая ранние дни Вселенной.
В конце прошлого года во время последней экспедиции обслуживания «Хаббла» экипажем шаттла «Атлантис» была установлена широкоугольная камера WFC 3, которая значительно расширила возможности телескопа в ближнем инфракрасном диапазоне. Как результат, телескоп преодолел рубеж в 1 миллиард лет после Большого Взрыва, с которого 13,7 миллиардов лет назад началась Вселенная, и сейчас наблюдает объекты в 600-800 миллионов лет после него. Большая разрешающая способность «Вебба» в инфракрасном диапазоне и особенности самого диапазона, позволяющие увидеть пыль прошлого, что затеняет свет самых ранних дней Вселенной, дадут астрономам изображения событий, произошедших через 250 миллионов лет после Большого Взрыва.
Столь далекий взгляд позволит увидеть, как формируются скопления ранних объектов Вселенной, считает Джон Мэзер [John Mather, научный руководитель проекта JWST]. Марсия Риеке [Marcia Rieke, Университет Аризоны] ожидает увидеть формирование планет из [протопланетного] диска.
Одна из основных целей «Вебба» - определение физических и химических параметров планетных систем, способности поддерживать жизнь. Телескоп должен оказаться в состоянии обнаружить относительно небольшие планеты – в несколько раз больше Земли – что не может сделать «Хаббл». Кроме того, «Вебб» будет иметь более высокую чувствительность к атмосферам близких к Земле звезд. Телескоп сможет дать снимки крупным планом планет Солнечной системы, от Марса и далее. Большая яркость Венеры и Меркурия лежит за пределами оптики телескопа.
Космический аппарат будет нести четыре научных инструмента. Прибор для работы в среднем инфракрасном диапазоне [MIRI, Mid-IR Instrument] от консорциума европейских стран, Европейского космического агентства [ЕКА] и Лаборатории реактивного движения НАСА будет использовать три фотоматрицы, работающих при температуре 4 K, что потребует активной системы охлаждения, однако жидкий гелий использоваться не будет, так как это ограничило бы продолжительность службы прибора.
Другие три инструмента телескопа – это спектрограф ближнего инфракрасного диапазона [NIRSpec, Near-IR Spectrograph] от ЕКА, камера ближнего инфракрасного диапазона [NIRCam, Near-IR Camera] от Университета Аризоны и «Локхид Мартин», система фильтров и точного наведения [TFI/FGS, Turnable Filter Instrument and Fine Guidance Sensor] от Канадского космического агентства. Все три инструмента будут иметь пассивное охлаждение до температуры в 35-40 K.
Запуск будет осуществлен ракетой-носителем тяжелого класса Ariane 5 ECA с космодрома ЕКА Куру, расположенного во французской Гвиане. Три месяца займет полет «Вебба» до солнечно-земной точки Лагранжа L2 на расстояние 1,5 миллиона километров от Земли. Нахождение в точке L2 обеспечит гравитационную стабильность, охват открытого космоса без заграждения его Землей, кроме того, позволит обойтись одним щитом, чтобы закрыть телескоп от излучения Солнца, Земли и Луны, что имеет значение для обеспечения температурных режимов. Телескоп будет обращаться вокруг Солнца, а не Земли.
В настоящий момент крупнейшей космической обсерваторией является 3,5 – метровый инфракрасный космический телескоп «Гершель», запущенный совместно с КА «Планк» в мае 2009 года в точку L2 РН Ariane 5 с головным обтекателем в 4,57 метра. Рабочий диапазон «Гершеля» лежит в дальнем инфракрасном излучении вплоть до субмиллиметровых волн [55-670 мкм].
Инфракрасные телескопы требуют больших зеркал и охлажденный до очень низких температур набор инструментов для того, чтобы обнаружить тусклый свет очень далеких объектов. Начиная с первого такого аппарата – Инфракрасной орбитальной обсерватории [IRAS, Infrared Astronomical Satellite], запущенной в январе 1983 года – их инструменты имели активное охлаждение жидким гелием. Недостатком такого подхода является то, что гелий выкипает. Миссия IRAS продолжалась лишь 10 месяцев. По оценкам ЕКА, миссия «Гершель» продлится максимум четыре года.
НАСА прорабатывало различные варианты конструкции телескопа «Вебб», стремясь избежать ограничений срока службы. Для достижения этого подрядная команда, возглавляемая Northrop Grumman Space Systems, и многонациональная научная группа разрабатывают более дюжины технологических инноваций.
Возглавляет список прорыв, достигнутый в области детекторов для ближнего и среднего инфракрасного диапазонов. Одна из самых необычных инноваций – микрозатворы, ячейки размером 100x200 мкм, для NIRSpec. Каждая из ячеек управляется индивидуально для блокировки света от близкорасположенных источников, когда детекторы NIRSpec сфокусированы на далекие тусклые объекты.
Но главная инновация «Вебба» - это его размер. Главное зеркало телескопа составят 18 бериллиевых элементов каждый 1,5 метра в поперечнике. Их положение контролируется так точно, что они будут действовать как единое зеркало, эту технологию «Вебб» заимствовал у больших наземных обсерваторий.
Получение четких изображений требует сохранения низкой температуры инструментов, точного наведения и удержания телескопа на цели. Этого удалось добиться прорывом в области шлифования бериллиевых зеркал, проектирования конструкций из углеродных композитов, солнцезащитных покрытий и «тепловых выключателей». Сотни приводов сертифицированы для работы при криогенных температурах для того, чтобы точно расположить зеркала. Другие приводы необходимы для разворачивания солнцезащитного экрана, по форме напоминающего воздушного змея размером с теннисный корт. Если экран не будет работать, то миссия будет потеряна.
6,5 – метровое основное зеркало «Вебба» и другие компоненты, входящие в модуль оптического телескопа [OTE, Optical Telescope Element] слишком велики, чтобы поместиться под обтекателем РН Ariane 5 в рабочем положении, поэтому они будут сложены [прим. смотрите два видеоролика в конце статьи].
Northrop Grumman строит солнцезащитный экран «Вебба» [почти 22 - метра в длину] и платформу космического аппарата [spacecraft bus], которая объединит все модули телескопа, включая модуль научных инструментов [ISIM, Integrated Science Instrument Module], создаваемый Центром космических полетов имени Годдарда. Кроме вышеназванных компаний к проекту привлечены ITT Corporation, обеспечивающая наземное обслуживание и системные испытания, и Alliant Techsystems, отвечающую за 6 - метровую объединительную плату основного зеркала, выполненную из графитового композита.
Зеркало телескопа разрабатывается компаниями Ball Aerospace, Brush Wellman, Axsys Technologies и Tinsley Laboratories, они потратили 7 лет, создавая его с допусками в одну тысячную ширины человеческого волоса. «Ни у кого нет полированных зеркал такого размера и уровня, созданных для работы в условиях криогенных температур», - заявил Марк Бергеланд [Mark Bergeland, Ball Aerospace].
Создание компонентов длительного изготовления для летного изделия уже началось, главы групп проведут экспертизу проекта [CDR, critical design review] в мае 2011 года. Работа по некоторым элементам летного изделия, прошедших их собственную экспертизу, находится в стадии реализации уже около 2-х лет.
Как и при создании других космических аппаратов, НАСА учредило независимый Постоянный наблюдательный совет [Standing Review Board] для детального изучения результатов испытаний [тестов характеристик элементов] в рамках миссии для взгляда со стороны на основные положения тестирования и сами тесты. Совет ожидает передать рекомендации НАСА этой осенью. При необходимости дополнительных тестов или внесения изменений в конструкцию аппарата, проект JWST окажется перед лицом невыполнения графика работ и роста расходов.
После запуска и сопутствующих ему вибраций массив зеркал должен быть развернут в то, что конструкторы называют «предварительным положением». Этот процесс предполагает освобождение каждого из 18 сегментов основного зеркала от пусковых захватов. Каждый сегмент имеет компьютерное управление положением с шестью степенями свободы, кроме того, компьютер управляет выдвижением/втягиванием центральной точки каждого зеркала для изменения радиуса кривизны поверхности. Каждое зеркало обладает своей системой приводов для осуществления этих движений. После того как положение зеркал будет разблокировано, приводы должны выровнять их положение по линии «фронта волны» с допуском в 20 нанометров [1/5000 толщины волоса].
Но ошеломляющая точность выравнивания ансамбля из 18 зеркал не является главным вызовом для фокусировки. Этой чести удостоилась композитная объединительная плата, что удерживает зеркала вместе, с очень низким коэффициентом теплового расширения, поэтому изменения положения составят не более 40 – 50 нанометров. Дважды в месяц будет проводиться тестирование телескопа, таким образом, последствия любого изменения геометрии объединительной платы будет устранены рефокусировкой зеркал.
Другим вызовом стал солнцезащитный экран. Он использует пять слоев каптона – Е компании Дюпон для защиты зеркал телескопа от солнечного света и нагрева им [а также излучением от Земли, Луны и приборов, установленных под экраном] инструментов телескопа. Мембраны каптона покрыты кварцем и алюминием, нанесенным на поверхность методом осаждения из паровой фазы.
Внешняя мембрана толщиной 0,0508 миллиметра будет отражать 80% падающего на нее излучения, последующие слои экрана толщиной 0,0254 миллиметра продолжат снижение потока. Каждая мембрана изогнута таким образом, чтобы отводить тепло от центральной части экрана, над которой расположен сам телескоп. Экран настолько эффективно отражает и отводит тепло, что солнечной излучение в 100 кВт, падающее на первую мембрану, будет уменьшено до 10 мВт за последней мембраной [уменьшение в 10 миллионов раз].
Кроме того, экран является щитом для микрометеоритов. Ожидается, что пробив первый слой, они разобьются в пыль о второй, ровно как и в случае попадания микрометеоритов по чрезвычайно жестким бериллиевым зеркалам. Если телескоп поразит метеорит больших размеров, то это вызовет серьезные повреждения, однако L2 не рассматривается в качестве их главной транспортной артерии.
