Статья спасена из Яндекс.Кью
25 декабря 2021 нашу планету покинула гениальная инженерная конструкция стоимостью в ~10 млрд $. Ранее я писал зачем телескоп Джеймса Уэбба отправился в космос. В преддверии публикации первых научных результатов я хочу рассказать о сложности проекта и как это реализовано на пределе человеческих возможностей.
Что в этом гениального и почему так дорого?
Телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — это трёхзеркальный анастигмат, с почти параболическим главным бериллиевым зеркалом (диаметром ~6.5 метров и светосилой f/1.2), состоящим из 18 шестиугольных сегментов, покрытых слоем 24-каратного золота. Это инфракрасная обсерватория, позволяющая заглянуть сквозь облака космической пыли и различных частиц, коих полно в межзвёздном пространстве. Ведь инфракрасные волны способны проходить сквозь пылевые облака. В нашей Галактике новые звёзды и планеты, как раз, рождаются в недрах очень плотных, богатых межзвёздной пылью гигантских облаков газа. Эта пыль поглощает видимый свет и скрывает процессы рождения, формирования звёзд и планетных систем.
Опять же, между нами и центром Галактики очень много пылевых облаков и свет оттуда добирается с большими проблемами. Видимый свет не проходит, инфракрасный — частично. А поскольку зеркальный объектив Уэбба большой — он сможет собрать много света и показать чёткую картинку ближайших окрестностей нашей центральной СМЧД, например.
Помимо прочего, Уэбб заглянет к границам Вселенной. Из наблюдений известно, что чем дальше от нас объект, тем быстрее он от нас удаляется. И свет удаляющихся всё быстрее объектов регистрируется в ИК-диапазоне. То есть, телескоп Уэбба сможет увидеть свет гораздо более далёких объектов, чем видит телескоп Хаббла. Телескоп Хаббла не видит самые далёкие, первые галактики, которые рождались в первые миллионы лет жизни нашей Вселенной. Уэбб нам их покажет. Он заглянет в так называемую "тёмную эпоху Вселенной", примерно удалённую от нас на 13 млрд св.лет и покажет как зарождались галактики.
Если запуск телескопа имени Хаббла заставил переписать учебники по астрономии, то, очевидно, запуск телескопа имени Джеймса Уэбба позволит переписать учебники ещё раз.
Окей, поскольку нас интересуют инфракрасные, то есть тепловые сигналы — значит детекторы обсерватории должны быть холоднее изучаемой области. Иначе обсерватория не увидит ничего, кроме собственного тепла. Поэтому пришлось конструировать приборы, способные работать при сверхнизких температурах (например, при 7° К, что близко к абсолютному нулю). Важно понимать, что сегменты зеркала должны функционировать при очень низкой температуре. Однако, делают их на Земле, при комнатной температуре (293° К). Поэтому, изготавливать их и располагать в общей конструкции пришлось с расчётом на то, что при охлаждении сегменты деформируются, приобретут требуемую форму и встанут на нужное место для формирования цельного объектива. Сегменты зеркала изготовлены из бериллия — металла, который имеет очень чёткий коэффициент сжатия и расширения при изменении температуры. Само зеркало также шлифуется определённым образом, чтобы лишь после охлаждения и соответствующих деформаций была достигнута требуемая фокусировка. После шлифовки бериллиевая поверхность сегментов была покрыта слоем золота толщиной, соизмеримой с размером молекулы (всего 100 нанометров). То есть, использовано чуть более 48 граммов золота (и ценник проекта велик отнюдь не из-за золота). Золото, в свою очередь, способно отражать до 99% всех инфракрасных волн.
Зеркало Уэбба — самый большой объектив из отправленных в космос. Но, казалось бы, чтобы телескоп поместить под обтекатель ракеты, он должен быть небольшим и компактным. Понятно, что целиком зеркало не вместилось бы ни в одну из существующих ракет. Поэтому, оно было отправлено в компактно сложенном виде.
Фактически, это складной телескоп. Его невообразимая уникальность в том, что после выхода за пределы атмосферы он автоматически раскрылся с прецизионной точностью в огромную конструкцию. Каждый отдельный шестиугольный сегмент был приведён в такое взаимное положение, что они срослись в единое зеркало, без каких-либо зазоров, соблюдая все строгие требования к оптическим поверхностям. И таких складных астрономических аппаратов ещё не было. Да, можно вспомнить раскладные радиоантенны (например, российский радиотелескоп "Радиоастрон"). Но если речь идёт о диапазоне сантиметровых волн — ошибка в форме антенны в несколько миллиметров не является критичной (правило четверти волны Рэлея или допуск Рэлея для волновой аберрации, т.е. деформации волнового фронта |Wₘₐₓ| < λ/4). Уэбб же наблюдает в красных (λ ~ 0.6 мкм) и инфракрасных лучах. И форма его зеркального объектива должна быть восстановлена в космосе с точностью до долей микрона. Дистанционно, только лишь командами с Земли.
И, говоря о таких прецизионных точностях, важно не упустить из виду факт того, что вся конструкция должна выдержать все нагрузки при старте ракеты!
Большинство элементов конструкции сделаны из композитных материалов, рассчитанных на значительные перепады температур, но при этом очень лёгких и прочных, чтобы при переходе от комнатной температуры к сверхнизкой их положение не изменилось. Наиболее популярные сегодня металлы (вроде алюминия) просто-напросто деформируются в таких условиях. И это без учёта вибраций во время запуска ракеты.
Детали ракеты из Калифорнии к месту старта во французском департаменте Гвиана (космодром Куру) доставляли с помощью специального корабля, поскольку в случае воздушной транспортировки путь от аэропорта лежал бы через зыбкие песчаные почвы и также прогнозировались проблемы с перевозкой через мосты (с учётом массы и габаритов груза). Чтобы заранее учесть механические нагрузки в океане для столь деликатного груза, учёные предварительно отправились в экспериментальное путешествие через Атлантический океан для измерения различных параметров с помощью датчиков температуры, влажности, акселерометров и т.д. Десять дней плавания помогли понять, какие нагрузки ожидают аппарат при разных условиях в океане. В итоге получилась стерильная комната, плывущая через океан (строго контролировались температура, влажность, постоянно проводилась очистка воздуха). Тридцатиметровый контейнер для телескопа, гасящий удары волн по судну, с оборудованием, обдувающим тёплым сухим воздухом (для недопущения охлаждения и появления конденсата) в итоге весил более 70 тонн.
Телескоп отправили во вторую точку Лагранжа (L2).
Поскольку телескоп принимает тепловые лучи, то в космосе тёплых источников (вроде Земли или Луны) рядом быть не должно. С другой стороны, нужна надёжная радиосвязь (для передачи огромных массивов данных), и слишком далеко телескоп в космос тоже не отправить. До второй точки Лагранжа всего 5 световых секунд. То есть, 10 секунд на передачу сигнала к телескопу и обратно. И телескоп синхронно с Землёй обращается вокруг Солнца с годичным периодом.
Поскольку между телескопом и Солнцем располагается Земля, то телескоп наблюдаем с ночной стороны Земли, когда небо спокойно в радиодиапазоне (никаких помех от Солнца). С другой стороны, неосвещённая Солнцем сторона планеты обращена к JWST, что важно для понижения теплового фона. То есть, L2 — во всех смыслах удобная точка: и не слишком далеко, и "прохладная" и радиосвязь стабильная. Уэбб может передавать не менее 57.2 ГБ научных данных каждый день с максимальной скоростью передачи данных 28 мегабит/сек.
Тут важно уточнить, что телескоп сейчас обитает не строго в L2 (в ней бóльшая часть солнечных лучей экранируется Землёй), а на гало-орбите вокруг точки L2. Ведь солнечные панели вырабатывают электричество и запитывают сам аппарат. Но, чтобы освещающее Солнце при этом не нагревало телескоп — он прикрыт огромным пятислойным защитным экраном размером с теннисный корт, который так же прецизионно был развёрнут после вывода спутника в космос. Это самая большая часть телескопа, имеющая длину 20 и ширину 7 метров. Изготовлен щит из особой полимерной плёнки. Пустоты между слоями теплового щита заполняет вакуум: это от слоя к слою минимизирует передачу тепла к самому телескопу. Если крем от загара имеет степень защиты 30 или 50, то экран имеет степень защиты 1 млн. Сам телескоп в холоде, а на солнечной стороне этого экрана расположена панель солнечных батарей, вырабатывающая электричество. То есть, экран надёжно защищает телескоп и от реактивного двигателя, и от солнечных батарей и всего прочего на самом спутнике, что вырабатывает тепло.
Тепловой экран является элементом пассивного охлаждения. Но находясь в космосе пусть и достаточно далеко от Земли (1.5 млн км), некоторые приборы обсерватории, остывая, температуры около абсолютного нуля самостоятельно не достигнут. Пассивно можно охладить инструменты до ~40 кельвинов. Процесс пассивного охлаждения, сам по себе, длится достаточно долго — охладить тело намного сложнее, чем его нагреть. Ведь чем ниже температура – тем хуже тело остывает, всё медленнее отдаёт тепло. И процесс остывания огромной многотонной конструкции длится месяцами.
Но чтобы довести некоторые приборы (а именно прибор MIRI для среднего ИК, он работает с гораздо более длинными волнами, что и требует более низких температур для подавления собственного "темнового тока" детекторов, как источника помех. Остальные же приборы ориентированы на ближний ИК-диапазон) до желаемых семи кельвинов — нужно ещё активное охлаждение. И система активного охлаждения уже использует криокулер с циркулирующим гелием и доводит инструменты до необходимой температуры. Лишь будучи холодной, обсерватория будет видеть всё тёплое.
Зеркальный объектив сделан из металла, а металлы очень чувствительны к перепадам температуры. В процессе охлаждения бериллий (имеющий небольшой коэффициент теплового расширения) всё равно реагирует на изменения и немного искривляет поверхность общего зеркала. И даже после настройки, выравнивания и фокусировки оптической системы весь процесс охлаждения сопровождался своевременными аккуратными поправками. Для этого используются многочисленные актюаторы (по семь на каждый шестиугольный сегмент), которые медленно и чрезвычайно точно меняют форму зеркального объектива и постоянно поддерживают её в идеальном состоянии. Такой механизм называется "активной оптикой". И активная оптика будет работать на протяжении всей миссии.
Процесс настройки зеркального объектива тоже не быстрый. Система управления зеркалами Уэбба совершает только одну процедуру за раз, поскольку один манёвр контролировать легче и безопаснее. Чтобы ограничить количество тепла, поступающее на зеркала Уэбба от электромоторов — каждый привод может работать только в течение короткого периода времени. Чтобы сдвинуть все сегменты всего на 1 миллиметр требуется около суток. Это примерно та же скорость, с которой растёт трава.
В течение шести месяцев пока Уэбб вращается вокруг Солнца вместе с Землёй — он может наблюдать практически за любой точкой неба. Поле зрения Уэбба ограничено пятидесятиградусной полосой небесной сферы. Около 39% неба потенциально видны Уэббу в любой момент времени.
Ограничения на наблюдения по понятным причинам касаются лишь Солнца, Меркурия, Венеры, Земли и Луны.
Стоимость телескопа JWST для НАСА пока составляет 9.7 млрд $, из которых 8.8 млрд потрачены на разработку обсерватории и 861 млн заложен на её эксплуатацию в течение пяти лет. Пять лет — это минимальный срок работы приборов Джеймса Уэбба. Притом ожидалось, что топлива, используемого для корректировки орбиты, у телескопа хватит примерно на 10 лет. Ведь на практике мы видим, что запас прочности у космических аппаратов гораздо выше расчётного (например, "Хаббл" нас радует более 30 лет, существенно превысив ожидаемые сроки эксплуатации). Хорошая новость в том, что ракета "Ariane 5", которая вывела на орбиту обсерваторию, очень точно сообщила ей движение и вывела на очень правильную орбиту и в результате не понадобились дальнейшие её корректировки. И телескоп в избытке сохранил запас топлива на борту для последующей постоянной корректировки своего движения по гало-орбите вокруг точки Лагранжа. Теперь есть надежда, что JWST проработает гораздо дольше 10 лет (при прочих благоприятных обстоятельствах) — топлива для этого достаточно.
Телескоп доставлен к месту своей работы, полностью раскрыт, охлаждён, съюстирован. Из четырёх приборов два уже полностью готовы к работе и первые научные изображения будут представлены 12 июля 2022 года.
С хронологией важных этапов путешествия JWST и первыми тестовыми изображениями можно ознакомиться в этом посте.