На плечах великана
В 1675 году знаменитый физик и математик Исаак Ньютон написал письмо своему современнику и сопернику, эрудиту Роберту Гуку. В этом письме Ньютон пишет то, что впоследствии стало одним из его самых известных замечаний: «Если я и видел дальше, то потому, что стоял на плечах гигантов». Со временем это простое утверждение стало представлять сам процесс науки, когда каждое новое открытие основывается на предыдущей работе. То же самое верно для космического телескопа Хаббла НАСА и его партнера по наблюдению, космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА.
С момента своего запуска в 1990 году космический телескоп Хаббл дал человечеству уникальный взгляд на Вселенную. Со своей точки зрения над искажающей свет атмосферой Земли Хаббл предоставил нам четкие, подробные изображения, которые простираются дальше в космосе и дальше во времени, чем любой из его предшественников. Наблюдения Хаббла наметили эволюцию галактик , звезд , туманностей , комет , внешних планет и их спутников. Открытия Хаббла подтвердили существование черных дыр в ядрах галактик, измерили состав атмосфер экзопланет , нашли самые удаленные на сегодняшний день галактики и подтвердилиускорение расширения Вселенной — открытие в области физики, получившее Нобелевскую премию 2011 года. Выводы Хаббла затронули все аспекты астрономии, побудив к дальнейшим исследованиям и пересмотру учебников, но его наблюдения захватили не только наше научное любопытство. Сегодня мы находим знаковые изображения Хаббла на коробках для завтрака, кофейных кружках, носках, галстуках и даже на фургонах. Более 30 лет Хаббл будоражил наше воображение, пробуждая в нас желание узнать больше. Для этого нам нужно видеть дальше и глубже.
Более глубокое инфракрасное зрение Уэбба (от 0,6 микрон до 28,5 микрон) позволит прорезать пыль и газ массивных облаков, в которых формируются звезды и планетарные системы. Он выйдет за пределы инфракрасного обзора Хаббла для дальнейшего изучения атмосфер отдаленных экзопланет, возможно, для поиска строительных блоков жизни в других местах во Вселенной.
Хаббл может вести наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне, но он был оптимизирован для более коротких ультрафиолетовых и видимых длин волн света (от 0,1 микрона до 2,5 микрона). Это различие делает Хаббл и Уэбб грозной парой обсерваторий, которые вместе охватывают широкий диапазон длин волн.
Хотя и Хаббл, и Уэбб являются отражающими телескопами, беглый взгляд на каждый из них обнаруживает некоторые очевидные различия. Поскольку Хаббл наблюдает за Вселенной с орбиты чуть выше атмосферы Земли, ему необходимо блокировать рассеянный свет от Солнца и отраженный солнечный свет от Земли и Луны от попадания в телескоп. Для этого его передняя часть обернута изолированным, алюминизированным тефлоновым светозащитным экраном, придающим телескопу форму «трубы». Большой многослойный солнцезащитный экран Уэбба совсем не похож на трубчатый световой экран Хаббла, но служит той же цели.
Главное зеркало Хаббла изготовлено из одного большого куска стекла со сверхнизким коэффициентом расширения , покрытого тонкими слоями алюминия и фторида магния. Слой алюминия имеет толщину всего 3/1 000 000 дюйма и обеспечивает отражательную способность зеркала. Слой фторида магния наносится поверх алюминия для защиты от окисления, а также для увеличения отражательной способности ультрафиолетового света.
При весе 1825 фунтов (828 кг) одно только зеркало Хаббла весит почти одну тонну. Главное зеркало размером с Уэбб, сделанное из того же материала, было бы слишком тяжелым для запуска на орбиту. Чтобы решить эту проблему, зеркало Уэбба сделано из прочного и легкого бериллия и состоит из 18 шестиугольных сегментов диаметром 4,3 фута (1,32 метра) и весом примерно 46 фунтов (21 кг). Сегменты зеркала Уэбба покрыты микроскопически тонким отражающим слоем (около 0,12 унции) золота. Золото более эффективно отражает инфракрасный свет, что делает Уэбба чрезвычайно чувствительным к инфракрасным длинам волн.
Каждый из 18 сегментов шестиугольного зеркала Уэбба, а также его вторичное зеркало имеют ряд крошечных механических узлов, называемых исполнительными механизмами, которые перемещают каждый из них в трехмерном пространстве, чтобы привести их в правильное положение друг с другом. Каждый сегмент главного зеркала также имеет дополнительный привод, предназначенный для изменения его кривизны. Это позволяет всем 18 сегментам иметь одинаковое точное фокусное расстояние, что в сочетании с позиционированием необходимо для того, чтобы все 18 сегментов действовали как одно большое главное зеркало.
Хаббл имеет 24 привода, прикрепленных к задней части его зеркала. Поскольку зеркало Хаббла сделано из одного куска стекла, его приводы расположены по двум концентрическим окружностям. Они могут вносить небольшие коррективы в форму зеркала, чтобы компенсировать очень небольшие тепловые искажения, но не настолько, чтобы существенно скорректировать его фигуру.
Поскольку Хаббл оптимизирован для ультрафиолетового и видимого света, его главное зеркало не обязательно должно быть таким же холодным, как у Уэбба. Более 200 тепловых датчиков помогают поддерживать оптимальную температуру инструментов и компонентов Хаббла, а множество нагревателей нагревают заднюю часть главного зеркала Хаббла, где на большой оптической скамье размещены научные инструменты обсерватории. Эта скамья, называемая конструкцией фокальной плоскости, должна быть жесткой и термически стабильной. Нагреватели Хаббла поддерживают температуру 70 градусов по Фаренгейту (21 градус С), что, в свою очередь, поддерживает стабильность оптической скамьи.
Хаббл вращается вокруг Земли чуть выше атмосферы (340 миль или 547 км над Землей). Уэбб обращается вокруг Солнца с Землей примерно в миллионе миль от дома вокруг второй точки Лагранжа или L2. С точки зрения Уэбба, Солнце, Земля и Луна всегда будут находиться в одной и той же части неба, что позволяет его огромному солнцезащитному козырьку блокировать их свет и охлаждать телескоп. Дополнительным преимуществом является то, что гравитационные силы Солнца и Земли делают L2 удобным местом для удержания телескопом своей орбиты. На L2 Уэббу потребуются лишь редкие скромные ракетные тяги для поддержания устойчивой орбиты.
Непосредственная близость Хаббла к Земле требует от него устранения вмятины в нашем магнитном поле. Эта вмятина, называемая Южно-Атлантической аномалией, собирает заряженные частицы Солнца, которые могут нарушить связь и вызвать проблемы с электрическими системами. Хаббл проходит через этот регион по 10 последовательных оборотов каждый день, что составляет почти 15 процентов своего времени.
С момента своего запуска в 1990 году космический телескоп Хаббл дал человечеству уникальный взгляд на Вселенную. Со своей точки зрения над искажающей свет атмосферой Земли Хаббл предоставил нам четкие, подробные изображения, которые простираются дальше в космосе и дальше во времени, чем любой из его предшественников. Наблюдения Хаббла наметили эволюцию галактик , звезд , туманностей , комет , внешних планет и их спутников. Открытия Хаббла подтвердили существование черных дыр в ядрах галактик, измерили состав атмосфер экзопланет , нашли самые удаленные на сегодняшний день галактики и подтвердилиускорение расширения Вселенной — открытие в области физики, получившее Нобелевскую премию 2011 года. Выводы Хаббла затронули все аспекты астрономии, побудив к дальнейшим исследованиям и пересмотру учебников, но его наблюдения захватили не только наше научное любопытство. Сегодня мы находим знаковые изображения Хаббла на коробках для завтрака, кофейных кружках, носках, галстуках и даже на фургонах. Более 30 лет Хаббл будоражил наше воображение, пробуждая в нас желание узнать больше. Для этого нам нужно видеть дальше и глубже.
Hubble: Voyage of Discovery
Благодаря более чем одному миллиону наблюдений космический телескоп Хаббл изменил наше представление о Вселенной. Начиная с открытия темной энергии и заканчивая поиском возраста Вселенной, Хаббл помог ответить на некоторые из самых важных астрономических вопросов нашего времени и открыл еще более странные явления, открыв нам глаза на величие и тайну космоса.
Современные обсерватории
Космический телескоп Джеймса Уэбба — самый большой и самый технически совершенный телескоп из когда-либо построенных. Его больший размер и более богатые инфракрасные изображения позволят ему выйти за рамки наблюдений Deep Field, проводимых Хабблом, и заглянуть в прошлое более чем на 13,5 миллиардов лет, наблюдая первые звезды и галактики, формирующиеся из тьмы ранней Вселенной. Сравнивая самые тусклые и самые ранние галактики с величественными спиральными и эллиптическими галактиками, которые мы видим сегодня, наблюдения Уэбба помогут нам понять, как галактики развиваются на протяжении миллиардов лет, основываясь на работе астронома Эдвина Хаббла и его одноименного телескопа. |
И Хаббл (вверху), и Уэбб (внизу) являются телескопами-рефлекторами. Свет от удаленных объектов попадает в телескоп, отражаясь от большого главного зеркала и направляя его на меньшее вторичное зеркало. Вторичное зеркало отражает этот свет обратно через отверстие в главном зеркале, где он фокусируется и попадает в каждый из многочисленных инструментов телескопа, расположенных за главным зеркалом. Схемы телескопов не в масштабе относительно одного и другого. Фото: NASA-GSFC, STScI |
Более глубокое инфракрасное зрение Уэбба (от 0,6 микрон до 28,5 микрон) позволит прорезать пыль и газ массивных облаков, в которых формируются звезды и планетарные системы. Он выйдет за пределы инфракрасного обзора Хаббла для дальнейшего изучения атмосфер отдаленных экзопланет, возможно, для поиска строительных блоков жизни в других местах во Вселенной.
Хаббл может вести наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне, но он был оптимизирован для более коротких ультрафиолетовых и видимых длин волн света (от 0,1 микрона до 2,5 микрона). Это различие делает Хаббл и Уэбб грозной парой обсерваторий, которые вместе охватывают широкий диапазон длин волн.
Дизайн
И Хаббл, и Уэббэто телескопы-рефлекторы. Они используют изогнутые зеркала вместо линз, чтобы собирать и «направлять» свет на свои различные инструменты. Многие телескопы-рефлекторы имеют две основные изогнутые оптические системы — большое вогнутое (в форме неглубокой чаши) главное или главное зеркало и гораздо меньшее выпуклое (слегка изогнутое) вторичное зеркало, расположенное непосредственно над главным зеркалом. Такие конструкции Кассегрена предлагают большое фокусное расстояние (длина пути, по которому падающий свет попадает в фокус) в относительно компактном корпусе за счет «складывания» пути света вперед и назад. Чем больше фокусное расстояние относительно диаметра основного или основного зеркала, тем выше увеличение и глубина резкости. Тем не менее, Webb представляет собой конструкцию трехзеркального анастигмата, которая включает в себя третий, или третичный,Хотя и Хаббл, и Уэбб являются отражающими телескопами, беглый взгляд на каждый из них обнаруживает некоторые очевидные различия. Поскольку Хаббл наблюдает за Вселенной с орбиты чуть выше атмосферы Земли, ему необходимо блокировать рассеянный свет от Солнца и отраженный солнечный свет от Земли и Луны от попадания в телескоп. Для этого его передняя часть обернута изолированным, алюминизированным тефлоновым светозащитным экраном, придающим телескопу форму «трубы». Большой многослойный солнцезащитный экран Уэбба совсем не похож на трубчатый световой экран Хаббла, но служит той же цели.
Primary Mirror Size Comparison Between Webb and Hubble
Сравнение размеров главных зеркал Хаббла и Уэбба. Обратите внимание на изображение человека внизу для масштаба. Фото: NASA-GSFC
Зеркала
Главное зеркало Уэбба высотой 21,3 фута (6,5 метра) также значительно больше, чем главное зеркало Хаббла длиной 7,9 фута (2,4 метра)., давая Уэббу более чем в шесть раз большую площадь сбора света, чем у Хаббла. Это важно для более длинных и тусклых длин волн света, которые видит Уэбб. Поскольку Вселенная расширяется, свет от далеких объектов растягивается по мере своего продвижения к Земле. Более короткие и синие волны света растягиваются в сторону более длинных и красных длин волн. Удаленные объекты, яркие в ультрафиолетовом или синем свете, будут казаться более красными или с красным смещением, когда их свет достигнет Земли. Они также значительно тусклее. Большее главное зеркало Уэбба соберет больше этого смещенного в красную сторону и тусклого света, предоставив нам изображения объектов в 100 раз слабее, чем может видеть Хаббл. Несмотря на свой больший размер, Уэбб будет обеспечивать примерно такое же разрешение в ближнем инфракрасном свете, какое достигает Хаббл в видимом свете. Разрешение телескопа, количество различимых деталей, пропорциональна размеру зеркала и обратно пропорциональна длине волны наблюдаемого света. Чтобы Уэбб мог разрешить тот же уровень детализации в более длинноволновом инфракрасном свете, который Хаббл достигает в видимом диапазоне длин волн, его зеркало должно быть пропорционально шире. Имея одинаковое разрешение, два телескопа могут «удвоить» свои наблюдения за объектами, чтобы предоставить нам захватывающие виды с широким спектром. |
Большее главное зеркало Уэбба имеет в шесть раз большую светосилу, чем главное зеркало Хаббла. Это важно для более длинных и тусклых волн света, на которые смотрит Уэбб. Хаббл может видеть некоторые длины волн инфракрасного излучения, но он был оптимизирован для наблюдения более короткого ультрафиолетового и видимого света. Как партнеры-наблюдатели, их наблюдения будут дополнять друг друга, предоставляя нам обзоры в широком диапазоне длин волн. Фото: NASA, Дж. Олмстед (STScI) |
Главное зеркало Хаббла изготовлено из одного большого куска стекла со сверхнизким коэффициентом расширения , покрытого тонкими слоями алюминия и фторида магния. Слой алюминия имеет толщину всего 3/1 000 000 дюйма и обеспечивает отражательную способность зеркала. Слой фторида магния наносится поверх алюминия для защиты от окисления, а также для увеличения отражательной способности ультрафиолетового света.
При весе 1825 фунтов (828 кг) одно только зеркало Хаббла весит почти одну тонну. Главное зеркало размером с Уэбб, сделанное из того же материала, было бы слишком тяжелым для запуска на орбиту. Чтобы решить эту проблему, зеркало Уэбба сделано из прочного и легкого бериллия и состоит из 18 шестиугольных сегментов диаметром 4,3 фута (1,32 метра) и весом примерно 46 фунтов (21 кг). Сегменты зеркала Уэбба покрыты микроскопически тонким отражающим слоем (около 0,12 унции) золота. Золото более эффективно отражает инфракрасный свет, что делает Уэбба чрезвычайно чувствительным к инфракрасным длинам волн.
Каждый из 18 сегментов шестиугольного зеркала Уэбба, а также его вторичное зеркало имеют ряд крошечных механических узлов, называемых исполнительными механизмами, которые перемещают каждый из них в трехмерном пространстве, чтобы привести их в правильное положение друг с другом. Каждый сегмент главного зеркала также имеет дополнительный привод, предназначенный для изменения его кривизны. Это позволяет всем 18 сегментам иметь одинаковое точное фокусное расстояние, что в сочетании с позиционированием необходимо для того, чтобы все 18 сегментов действовали как одно большое главное зеркало.
Hubble vs James Webb Space Telescope mirror size
Хаббл имеет 24 привода, прикрепленных к задней части его зеркала. Поскольку зеркало Хаббла сделано из одного куска стекла, его приводы расположены по двум концентрическим окружностям. Они могут вносить небольшие коррективы в форму зеркала, чтобы компенсировать очень небольшие тепловые искажения, но не настолько, чтобы существенно скорректировать его фигуру.
Поскольку Хаббл оптимизирован для ультрафиолетового и видимого света, его главное зеркало не обязательно должно быть таким же холодным, как у Уэбба. Более 200 тепловых датчиков помогают поддерживать оптимальную температуру инструментов и компонентов Хаббла, а множество нагревателей нагревают заднюю часть главного зеркала Хаббла, где на большой оптической скамье размещены научные инструменты обсерватории. Эта скамья, называемая конструкцией фокальной плоскости, должна быть жесткой и термически стабильной. Нагреватели Хаббла поддерживают температуру 70 градусов по Фаренгейту (21 градус С), что, в свою очередь, поддерживает стабильность оптической скамьи.
Орбиты
Чтобы захватить эти более длинные и слабые инфракрасные волны света, Уэбб должен быть не только больше, но и намного холоднее, чем Хаббл. В отличие от радужных цветов видимого света, мы не можем видеть инфракрасный свет своими глазами, но мы можем его чувствовать. Инфракрасный свет – это тепло или тепловое излучение. Это тепло, которое вы чувствуете, когда поворачиваете лицо к солнцу, или тепло, исходящее от кастрюли на плите. Улавливание остаточного тепла от объектов, находящихся так далеко, означает, что Уэбб должен быть очень холодным (-364 градуса по Фаренгейту или -220 градусов по Цельсию). Настолько холодный, что должен защищать себя от инфракрасного излучения, исходящего от Солнца, Земли и Луны. Для этого он должен быть намного дальше от Земли, чем Хаббл.Хаббл вращается вокруг Земли чуть выше атмосферы (340 миль или 547 км над Землей). Уэбб обращается вокруг Солнца с Землей примерно в миллионе миль от дома вокруг второй точки Лагранжа или L2. С точки зрения Уэбба, Солнце, Земля и Луна всегда будут находиться в одной и той же части неба, что позволяет его огромному солнцезащитному козырьку блокировать их свет и охлаждать телескоп. Дополнительным преимуществом является то, что гравитационные силы Солнца и Земли делают L2 удобным местом для удержания телескопом своей орбиты. На L2 Уэббу потребуются лишь редкие скромные ракетные тяги для поддержания устойчивой орбиты.
 |
Орбита Уэбба более чем в четыре раза дальше от Земли, |
Непосредственная близость Хаббла к Земле требует от него устранения вмятины в нашем магнитном поле. Эта вмятина, называемая Южно-Атлантической аномалией, собирает заряженные частицы Солнца, которые могут нарушить связь и вызвать проблемы с электрическими системами. Хаббл проходит через этот регион по 10 последовательных оборотов каждый день, что составляет почти 15 процентов своего времени.
Animation: The James Webb Space Telescope's Orbit
Анимация орбиты Уэбба, видимая с северного полюса Солнца. Уэбб не вращается вокруг Земли, как это делает Хаббл. На самом деле он вращается вокруг Солнца на расстоянии около 1 миллиона миль (1,5 миллиона километров) от Земли в так называемой второй точке Лагранжа или L2. С точки зрения Уэбба, Солнце, Земля и Луна всегда будут находиться в одной и той же части неба, что позволяет обсерватории защищаться от их лучистого тепла и света. Фото: NASA-GSFC
Обслуживание миссий
Поскольку Хаббл вращается прямо над атмосферой Земли, миссии по обслуживанию астронавтов с возможным возвращением Хаббла на Землю для ремонта были частью его долгосрочного плана. В результате конструкция телескопа отражала габариты его ракеты-носителя и ремонтной машины. «Хаббл» уместился в грузовом отсеке космического корабля «Шаттл». Находясь примерно в миллионе миль от Земли (в четыре раза дальше от Земли, чем Луна), у Уэбба нет текущих возможностей или плана обслуживания. Конструкция телескопа не рассчитана на обслуживание.Новый золотой век астрономии
Как и запуск Хаббла в 1990 году, запуск Уэбба откроет новую эру наблюдательной астрономии. Стоя на плечах Хаббла, Уэбб заглянет за пределы инфракрасного зрения старой обсерватории, чтобы расширить наше представление о дальних уголках Вселенной. Работая с Уэббом, видимое и ультрафиолетовое зрение Хаббла дополнит инфракрасное зрение Уэбба. Этот мощный дуэт предоставит нам ошеломляющие космические перспективы, подобные которым мы только могли себе представить.Hubble and Webb: A New Golden Age of Astronomy
Работая вместе и с другими космическими и наземными обсерваториями, Хаббл и Уэбб расширят наше понимание Вселенной, открывая новый золотой век астрономии.
(Copyrighted © Перевод с англ. Louiza Smith)
Источник:
NASA.gov