В рождественский день 25 декабря с космодрома Куру во Французской Гвиане NASA успешно запустила телескоп «Джеймс Вебб», ставший технологически самым сложным устройством агентства. И самым дорогим в мире телескопом: в течение 30 лет разработки и конструирования на него потратили $10 млрд.
Он должен заменить знаменитый телескоп «Хаббл», выведенный на орбиту еще в 1990 году. Планирование «Джеймса Вебба», названного в честь главы американского космического агентства в 1961-1968 годах, начали тогда же.
«Хаббл» работает уже 30 лет, и его операционная деятельность должна продолжаться еще как минимум десятилетие. Собранные им данные позволили понять раннюю эволюцию галактик, возникших через 500-600 млн. лет после появления Вселенной. В 2016 году так открыли самую отдаленную из наблюдаемых до того галактик – GN-z11, находящуюся в 32 млрд. световых лет от Земли и образовавшуюся примерно через 400 млн. лет после Большого взрыва.
Это маленькая ранняя галактика массой всего 1% от Молочного пути, свет от которой странствовал к нам 13,4 млрд. лет. Но каким бы поразительным ни было это открытие, оно показало грань, которую «Хаббл» преодолеть не в состоянии. И не потому, что его оборудование устаревшее или неточное. Дело в физике.
Сейчас консенсус астрофизиков о ранней эволюции Вселенной таков, что вследствие квантовых колебаний в первичном поле, природа которого не установлена, возник пузырь чрезвычайной плотности энергии. Этот пузырь начал инфляционно расширяться с огромной скоростью, неизмеримо большей, чем современная скорость расширения Вселенной. Кинетическая энергия расширения, наконец, перешла в горячий большой взрыв — фазу, когда начали появляться элементарные частицы.
Через некоторое время Вселенная была полна протонами, нейтронами, электронами и другими частицами. Она охлаждалась, протоны захватывали электроны, превращаясь в электронные нейтральные атомы водорода, часть протонов и нейтронов сочетались в ядра гелия и более тяжелых частиц, которые также присоединяли электроны. Так мир стал прозрачным для фотонов, квантов электромагнитного излучения, которые больше не рассеивались на электронах.
Эти фотоны мы наблюдаем и сейчас как реликтовое излучение. Они странствовали миллиарды лет сквозь пустоту, теряя энергию. Как следствие, их спектр сместился в микроволновую сторону.
В настоящее время пространство пронизано этими фотонами с длинами волны 1,9 мм, что соответствует температуре примерно -270 ° C. Реликтовое излучение открыли в 1965-м инженеры лаборатории компании Bell Арно Пензиас и Роберт Вильсон, ища источник шумов, которые улавливала их антенна, и впоследствии получили Нобелевскую премию по физике.
«Джеймс Вебб» стал технологически самым сложным устройством NASA. И самым дорогим в мире телескопом: за 30 лет разработки и конструирования на него потратили $10 млрд.
И до образования галактик, видимых «Хабблом», прошли еще миллионы лет. Промежуток эволюции Вселенной между формированием реликтового излучения и первыми звездами называют Темными веками. В обоих смыслах «темными»: тогда не было мощных источников света, и об этом этапе астрофизики знают не так и много, не хватает экспериментальных данных.
Теория говорит, что в конце Темных веков водород и гелий скапливались в огромные звезды (массой до 300 солнечных и в миллионы раз ярче), которые быстро взрывались как сверхновые. Излучение этих звезд снова отрывало электроны от атомов — этот процесс называется реионизацией, и экспериментальных данных о нем не хватает.
Вот этот пробел и призван заполнить новый телескоп. «Хаббл» просто не был на это рассчитан. Он измеряет в ультрафиолетовом, оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах, в то время как свет от той эпохи очень сильно смещен в красную сторону спектра из-за эффекта Доплера. Это красное смещение удаленных объектов открыл еще сам Эдвин Хаббл в 1929 году, наблюдая за движением галактик. Его открытие стало фундаментом наших знаний о расширении Вселенной.
По закону Доплера свет от удаляемых объектов будет смещен в красную сторону. Если бы кто-то с расстояния в миллиарды световых лет наблюдал за Солнцем, оно было бы красным, а не желтым. «Джеймс Вебб» будет работать в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне именно для выполнения этих задач.
От тех первых звезд, невидимых для «Хаббла», оставались черные дыры, они должны были втягивать в себя межзвездный газ, понемногу сливаясь в сверхмассивные дыры – центры будущих галактик. «Джеймс Вебб» будет способен исследовать первичные галактики, из чего можно будет сделать выводы об их эволюции, а также о том, какую роль в их формировании играет темная материя.
Но задача наиболее интригующего телескопа — поиск внеземной жизни. До 1995 года была известна лишь одна планетная система – наша. В том году сотрудники Женевского университета Мишель Майор и Дидье Кело открыли большую газовую планету – «горячий Юпитер» – вблизи звезды в созвездии Пегас. Планету «поймали» с помощью доплеровской спектроскопии.
Планеты и звезда вращаются вокруг общего центра масс. Поэтому звезда то немного отдаляется от нас, то приближается. Ее спектр сдвигается то в фиолетовый, то в красный бок – и это улавливает техника. Но по этому методу можно получить не так и много информации: массу планеты, период ее вращения, расстояние до звезды. К тому же из-за низкой чувствительности метод позволяет наблюдать лишь очень тяжелые планеты. Более точная методика — транзитная фотометрия. Ее идея также проста, что, проходя между наблюдателем и звездой, планета немного затеняется, и ее блеск уменьшается.
Если блеск меняется периодически — это свидетельство наличия планеты. Транзитной фотометрией орбитальный телескоп «Кеплер», работавший с 2009-го по 2018 год, открыл тысячи планет вне Солнечной системы. Сейчас подтверждено существование почти 5 тыс. экзотических планет. А их количество только в нашей галактике оценивается в 100 млрд. штук. Пятая часть из них — планеты земного типа, на которых теоретически возможна жизнь.
И вот они станут целью для «Джеймса Вебба». И как установить, есть ли жизнь на экзотической планете, если на лучших изображениях она занимает несколько пикселей? Когда планета пролетает мимо диска своей звезды, свет проходит сквозь ее атмосферу. Атмосфера состоит из смеси газов, каждый из которых имеет свои линии абсорбции – свет поглощается на определенных энергиях. Эти линии абсорбции добавляются к спектру звезды, который измеряет телескоп.
К примеру, если бы кто-то наблюдал издалека Землю, то нашел бы в измеряемом спектре Солнца линии воды, кислорода, азота и других газов. Их наличие в спектре может свидетельствовать о существовании воды и мощной атмосфере на экзотической планете при условии ее вращения в «жилой зоне» звезды – на таком расстоянии, что обеспечивает умеренную температуру на поверхности планеты, когда вода не испаряется полностью, да и не замерзает.
И все же это не гарантия существования жизни. О ней будут свидетельствовать биологические маркеры – специфические газы, ассоциированные с деятельностью живых организмов. Один из них — фосфин, который на Земле продуцируется определенными видами бактерий, а также человеческими технологиями.
Телескоп «Джеймс Вебб» будет способен исследовать первичные галактики, из чего можно будет сделать выводы об их эволюции, а также о том, какую роль в их формировании играет темная материя. Но задача наиболее интригующего телескопа — поиск внеземной жизни.
В 2020 году много шума наделали спектроскопические наблюдения за атмосферой Венеры, где нашли фосфин в неожиданно большой концентрации. Ученые осторожно говорили, что необходима дальнейшая проверка, и новость о жизни на Венере разошлась по мировым СМИ. Более точные измерения, с учетом всех погрешностей, показали либо отсутствие там фосфина, либо же наличие в очень малой концентрации, которое можно объяснить вулканической активностью.
Хорошим биологическим маркером мог бы быть метан, но он продуцируется не только живыми существами, но и гейзерами. Другими предвестниками жизни могут быть оксид азота, хлорметан, диметилсульфид. Группа ученых из Массачусетского технологического университета в 2016 году опубликовала в журнале Astrobiology статью, в которой рассматривала 14 тыс. стабильных молекул как вероятные биологические маркеры.
Конечно если «Джеймс Вебб» найдет какие-то из этих газов на отдаленных экзотических планетах, это не будет означать существования там жизни, тем более высокоразвитой. И значительно повысит шансы найти там хотя бы простейшие бактерии и дать ученым новые детали относительно происхождения жизни.
Сейчас «Джеймс Вебб» движется ко второй точке Лагранжа – путь в 1,5 млн. км займет около месяца. Эта точка лежит на таком расстоянии от Земли и Солнца, что их гравитационное действие на объект в ней почти уравновешено, и телескоп, двигаясь в пространстве, не будет менять положение относительно нашей планеты. Это важно для успешной работы устройства, его измерительные приборы должны постоянно находиться при температуре -233 °C. От солнечного излучения его будет защищать экран, который будет нагреваться до 85 °C.
На нем также расположены солнечные панели, питающие телескоп энергией. Поэтому устойчивая орбита в точке Лагранжа необходима, чтобы сохранять относительное положение экрана и научной части телескопа.
Затем еще пять месяцев займет развертывание и настройка всех измерительных систем. Прежде чем «Джеймс Вебб» возьмется, собственно, за науку. Часть сделанных им изображений вы увидите в СМИ или соцсетях – они будут иллюстрировать громкие открытия. И будут представлены изображения, сделанные на самой дорогой и самой сложной в мире аппаратуре – венце современных астрофизических технологий.
Автор: Олег Фея
Источник: Тиждень
Перевод: BusinessForecast.by
При использовании любых материалов активная индексируемая гиперссылка на сайт BusinessForecast.by обязательна.