В края на януари новият космически телескоп „Джеймс Уеб“ достигна своята финална дестинация. Определян като космическа обсерватория, той ще стои там в продължение на поне 10 години, събирайки следи от развитието на Вселената още от времето на Големия взрив.
Защо „Джеймс Уеб” е толкова важен?
Телескопът „Джеймс Уеб“ може да гледа назад във времето. Той е инфрачервен телескоп, което означава, че използва инфрачервено лъчение за откриване на обекти в космоса. В състояние е да наблюдава небесни тела като звезди, мъглявини и планети, които са твърде студени или твърде слаби, за да бъдат наблюдавани чрез видимата светлина – тази, която е доловима за човешкото око.
С това „Джеймс Уеб“ превъзхожда значително предшественика си – телескопа „Хъбъл“, който вижда видима светлина, ултравиолетова радиация и близката инфрачервена радиация (това е инфрачервеното лъчение, което е най-близко до видимата светлина).
Инфрачервеното лъчение може да преминава през газ и прах, които изглеждат непрозрачни за човешкото око, съответно и за повечето от апаратурата на „Хъбъл“. Чрез IR лъчението учените могат да проучат първите звезди и галактики, образувани веднага след Големия взрив. Обикновено тези „следи“ няма как да се видят, защото, когато светлината пътува през Вселената, тя се изменя и става инфрачервена, невидима с просто око. Инфрачервеният телескоп ще може да открие тази светлина, която пътува към Земята повече от 13 милиарда години. Това по същество позволява на „Джеймс Уеб“ да гледа назад във времето.
Това води до втория елемент от неговата важност: сравняване на галактиките от миналото с тези днес.
Наред с това, тъй като инфрачервеното лъчение може да премине през астрономически прах, телескопът ще може да изучава как са се формирали звездите и планетните системи, такива като нашата слънчева система.
Най-сетне това означава и, че телескопът ще изследва детайлно планети извън нашата Слънчева система, за да види дали има някакви признаци на живот или дали те имат атмосфери, способни да поддържат живот.
За целта е въоръжен с някои интересни технологични системи.
Непоклатима конструкция
Конструкцията на телескопа има за задача да поддържа големите шестоъгълни огледала, които служат за изследване на космоса. Тя поддържа оборудване, което на Земята тежи 2400 кг.
Това е „гръбнакът“ на цялата космическа обсерватория. Той трябва да е абсолютно неподвижен, за да може апаратурата да се фокусира прецизно.
Структурата на телескопа, заснета при подготовката на космическата обсерватория. Снимка: Крис Гън / НАСА
Структурата трябва да осигурява абсолютна стабилност въпреки екстремните температури -240°C. При такъв студ конструкцията е стабилна с точност до 32 нанометра, което е една десетохилядна от диаметъра на човешкия косъм!
Шестоъгълни огледала
За да вижда надалеч и да долавя бледи обекти, телескопът се нуждае от голямо огледало. Чувствителността на телескопа – тоест колко детайли може да „види“ – е пряко свързана с размера на огледалната област, която събира светлина от наблюдаваните обекти. По-голяма площ събира повече светлина.
Огледалото на телескопа е с диаметър 6,5 метра. Изграждането на такова голямо огледало е предизвикателство дори на земята. За сравнение, Хъбъл имаше огледало с диаметър едва 2,4 метра.
Екипът на Webb Telescope е решил да направи огледалото от берилий, който е едновременно здрав и лек. Огледалото всъщност се състои от сегменти, които се сгъват на няколко „крила“. Всяко крило съдържа три от основните огледални сегмента. Когато се разгънат, те формират цялостното огледало.
Всеки от сегментите на огледалото е с шестоъгълна форма и с диаметър 1,32 метра. Но защо са шестоъгълни? Защото чрез тази форма, след разгъването, те прилягат едно към друго плътно, без празнини, по подобие на кутийките в пчелна пита. Така формират правилната геометрия, за да пращат отраженията в една точка.
Супер-фини инфрачервени детектори
Огледалата на телескопа събират светлина от небето и я насочват към научно-изследователските инструменти. Инструментите филтрират светлината или я разпръскват спектроскопски, преди накрая да я фокусират върху IR детекторите. Детекторите са мястото, където фотоните се абсорбират и в крайна сметка се преобразуват в електронните напрежения, които могат да бъдат измерени.
„Джеймс Уеб“ носи изключително чувствителни детектори, за да записва дори най-слабата светлина от далечни галактики, звезди и планети. Детекторите са няколко вида, улавящи различните честоти на инфрачервените сигнали.
Уникално: микропрозорци
Микропрозорците са нова технология, разработена за мисията на „Джеймс Уеб“. Това са миниатюрни прозорчета с капачета, всяко от които е с размери 100 на 200 микрона. За сравнение, един човешки косъм е с дебелина около 70 микрона. Големите масиви от подобни прозорчета формират един от специалните изследователски инструменти на телескопа – NIRSpec.
Всеки от елементите на устройството с микропрозорците е с размера на пощенска марка. Всеки квадрант се състои от над 62 000 отделни прозорчета, подредени като решетка. Четири такива набора, комплектовани два по два, образуват едно микропрозоречно устройство. Снимка: НАСА
NIRSpec ще записва спектрите на светлината от далечни обекти. Особеното на устройството с микропрозорците е, че може да вижда множество обекти с едно поглеждане в космоса – за едновременно наблюдение – и е програмируем за всяко поле с обекти в небето.
Чиповете
След като даден детектор улови фотон и го преобразува в изходящ електрически сигнал, има друго предизвикателство: има риск сигналите да бъдат заглушени от електрически „шум“. Това наподобява шума на старите радиоапарати или някогашните телевизионни приемници.
За целта се използват „интегрални схеми за специфично приложение“, които работят при ултра-ниски температури. Всеки от тези специални чипове усилва волтажа на слабия сигнал, получен от детекторите, преобразува го в 16-битов дигитален сигнал и го организира в „пакети“, за да го изпрати към останалата електроника на борда на космическата обсерватория за обработка и съхранение. След това пакетите могат да се предават към Земята, за да бъдат „реконструирани“ образи и спектрална информация.
Фантастично слънцезащитно покритие
Както стана дума, основната задача на новия телескоп е да долавя инфрачервената светлина, която по същество е топлинна енергия. За да открие изключително слабите топлинни сигнали на далечни астрономически обекти, телескопът трябва да е много студен и стабилен. Това означава, че телескопът трябва да е защитен от външни източници на светлина и топлина (като слънцето и земята), но също така всички негови елементи трябва да са много студени, за да не излъчват собствена топлина. На всичкото отгоре температурата трябва да е постоянна, така че материалите да не се свиват и разширяват.
За да се постигне всичко това, „Джеймс Уеб“ има 5-слойно слънцезащитно покритие с размерите на тенис-корт. То е топлоустойчиво и издържа на температури от -269°C до +400°C.
