Вчені намагаються відповісти на одне з найбільш фундаментальних питань людства: звідки ми взялися?
Джеймс Вебб: машина вартістю 10 мільярдів доларів у пошуках кінця темряви
 |
| Просто заворожує: величезне дзеркало Вебба виготовлено з берилію, покритого золотом |
Темрява. Повний і повний. Мало хто з нас може це відчути.
На дні печери, можливо; або в підвалі при відключенні електроенергії. Але зазвичай звідкись виходить слабке сяйво. Навіть нічне небо ніколи не здається по-справжньому чорним, не в останню чергу тому, що на відстані зазвичай мерехтить якась або дві зірки.
Тож важко уявити час, коли все, що існувало, була темрявою, коли можна було подорожувати в будь-якому напрямку мільйони років і досі нічого не бачити.
Але це історія, яку розповідають нам вчені, про «темні віки», які охопили Всесвіт до того, як спалахнули перші зірки. І зовсім скоро вони мають намір показати нам той час, точніше, як він закінчився – як космос врешті наповнився світлом.
Вони зроблять це за допомогою найбільшого телескопа, коли-небудь розміщеного за межами Землі: космічного телескопа Джеймса Вебба .
Запуск JWST відбудеться найближчими днями, щоб зазирнути глибше у Всесвіт, а отже, і далі в минуле, ніж навіть легендарний космічний телескоп Хаббл, який йому вдалося.
Оснащений дзеркалом шириною 6,5 м (21 фут) і чотирма надчутливими інструментами, Вебб буде цілими днями дивитися на дуже вузьку точку на небі, щоб виявити світло, яке подорожує у величезному космосі понад 13,5 мільярдів років.
«Вони будуть лише маленькими червоними цяточками», — каже старший науковець проекту JWST і лауреат Нобелівської премії Джон Мезер.
"Ми вважаємо, що повинні бути зірки, або галактики, або чорні діри, які можуть початися через 100 мільйонів років після Великого вибуху. На той момент їх не буде багато, але телескоп Вебба зможе їх побачити, якщо вони там є , і нам пощастило», — розповідає дослідник космічного агентства США (NASA) спеціальному випуску Discovery на Всесвітній службі BBC .
Це дивовижна ідея, що ви все ще можете стати свідком подібного. Але це наслідок того, що світло має кінцеву швидкість у величезному космосі, що розширюється. Якщо ви продовжуватимете зондувати все глибше і глибше, ви врешті-решт отримаєте світло від зірок-піонерів, коли вони об’єднуються в перші галактики.
Але з якою метою? Навіщо витрачати 10 років на зачаття і ще 20 років на створення машини вартістю 10 мільярдів доларів для виявлення ледь помітних червоних крапель на небі?
Ну, по суті, це зводиться до найбільш фундаментальних питань: звідки ми прийшли?
Коли Всесвіт утворився під час Великого вибуху, він містив лише водень, гелій і невелику частину літію. Більш нічого.
Усі хімічні елементи Періодичної системи, важчі за ці три, мали бути виковані в зірках. Весь вуглець, з якого складаються живі істоти; весь азот в атмосфері Землі; весь кремній у гірських породах — усі ці атоми мали бути «виготовлені» в ядерних реакціях, які змушують зірки сяяти, і в потужних вибухах, які припиняють їхнє існування.
Ми тут лише тому, що перші зірки та їхні нащадки засіяли Всесвіт матеріалом для створення речей.
«Місія Вебба полягає у формуванні всієї подібності; це аргумент «ми всі зроблені із зоряного пилу», — розмірковує Ребекка Боулер, астроном Оксфордського університету, яка є членом команди над інструментом Вебба NIRSpec.
«Йдеться про утворення першого в історії атома вуглецю. Мене надзвичайно дивно, що ми насправді могли спостерігати, як цей процес триває».
Про перших зірок ми мало знаємо. Ми можемо вкласти закони фізики в комп’ютерні моделі і запустити їх, щоб зрозуміти, що може бути можливим. І це звучить фантастично.
«Оцінки коливаються від 100 до 1000 разів більше маси нашого Сонця», — каже Марсія Ріке, головний дослідник приладу Вебба NIRCam. «І насправді всі зірки дотримуються правила, що тривалість часу, протягом якого вони можуть існувати як зірка, обернено пропорційна їх масі, тобто чим масивніша зірка, тим швидше вона витрачає паливо. І тому ці ранні зірки міг тривати не більше мільйона років або близько того».
Живи швидко, помри молодим. Наше власне Сонце здається таким боязким у порівнянні. Він уже горів майже п’ять мільярдів років і, ймовірно, буде горіти ще п’ять.
Акцент на пошуку першого зоряного світла змушує Вебба звучати як «флейта на одну ноту». Насправді це все, але не.
Він спостерігатиме майже все, що можна побачити за межами Землі – від крижаних місяців і комет у нашій власній Сонячній системі до колосальних чорних дір, які, здається, знаходяться в ядрі всіх галактик. Він повинен бути особливо вправним у вивченні планет навколо інших сонць.
Однак Webb був налаштований на те, щоб дивитися на всі цілі дуже особливим чином... в інфрачервоному діапазоні.
Хаббл був розроблений так, щоб бути чутливим до світла переважно оптичних або видимих довжин хвиль. Це той самий тип світла, який ми виявляємо очима.
Вебб, з іншого боку, налаштований спеціально для виявлення більших довжин хвиль, які, хоча і невидимі для нашого ока, знаходяться саме в тому режимі, коли буде відображатися світіння від найвіддаленіших об’єктів у Всесвіті.
«Віддалене зіркове світло розтягується в результаті розширення Всесвіту і зміщується в інфрачервону область спектра. Ми називаємо це червоним зміщенням», — пояснює Річард Елліс, астроном Університетського коледжу Лондона, який нетерпляче досліджує кінець темних віків.
«Обмежуючим фактором, який ми маємо з Хабблом, є, наприклад, те, що він не досягає достатньо далеко в інфрачервоному випромінюванні, щоб виявити сигнал зоряного світла, який ми хочемо. Це також не особливо великий телескоп. Це, безсумнівно, був новаторським об’єктом. Дивовижно Але діаметр його дзеркала становить лише 2,4 м, а потужність телескопа залежить від квадрата діаметра дзеркала. І ось тут на допомогу приходить JWST».
Це був астроном 18-го століття Вільям Гершель, який відкрив інфрачервоний діапазон. Він також зробив революцію у виробництві дзеркал для телескопів.
Його полірувальні машини з ручним приводом могли досягти супергладкої відбиваючої поверхні на диску, відлитому зі сплаву олова та міді.
Гершель оцінив би інновації у виробництві дзеркал Вебба.
Вони виготовлені з металевого берилію, який має легку вагу і зберігає форму при дуже низьких температурах. А ще є золоте покриття. Він надзвичайно тонкий, товщиною всього кілька сотень атомів, але це доповнення перетворює дзеркала в майже ідеальні відбивачі в інфрачервоному випромінюванні.
Дев'яносто вісім відсотків падаючого світла відбивається назад, що забезпечує мінімальні втрати від далеких зірок до того часу, коли воно досягає приладів Вебба.
Кожен, хто бачив сегментоване 6,5-метрове основне дзеркало телескопа, підтвердить його вражаючу якість. Навіть ті, хто працював над ним два десятиліття, не втомлюються від його краси.
«Був час, коли дзеркало було спрямоване вниз, і мені довелося залізти під нього, щоб перевірити кормову оптику», — згадує Лі Файнберг з NASA, який очолював команду дзеркал Вебба.
"Отже, я був у своєму костюмі кролика, дивився на всі ці золоті поверхні і бачив, як відбивається назад. Це було справді неймовірно - всі ці поверхні зосереджувалися на мені. У мене було це неймовірне відчуття енергії в центрі з усього цього».
У телескопа Hubble виникла серйозна проблема з основним дзеркалом.
Коли телескоп вийшов на орбіту в 1990 році, вчені зрозуміли, що відбивач не був відполірований належним чином. Його початкові зображення галактик були розмитими.
Лише після того, як астронавти змогли взяти до уваги деяку корекційну оптику, Хаббл почав чітко бачити космос. І, можливо, не безпідставно, саме через цей досвід усі запитують, чи можна гарантувати бездоганність дзеркала Вебба.
У серпні 2017 року ураган «Гарві» зупинився над Техасом, скинувши на штат приголомшливі 127 мільярдів тонн дощової води.
Це заслуговує на увагу, тому що в розпал цього потопу Вебб фактично перебував «у місті», у Х’юстоні, у космічному центрі імені Джонсона NASA, проходив критичні випробування, які довели, що його оптика придатна для польотів.
Інженери помістили телескоп в космічний симулятор, який використовувався в 1960-х роках для керування апаратним забезпеченням Аполлона і навіть космічними астронавтами.
Камера А, як відомий вакуумний посудину, має величезний об’єм і змогла проковтнути телескоп цілком (за вирахуванням його сонцезахисного щитка). Мета тримісячного тесту полягала в тому, щоб знизити температуру робочого простору Webb трохи нижче -233°C (40 кельвінів), щоб побачити, чи всі його дзеркала будуть фокусуватися, як було задумано.
Це також дало б командам, які працюють над чотирма інструментами Вебба, можливість побачити, як їх системи працюють у імітаційних позаземних умовах. Якщо припустити, тобто ураган «Гарві» зобов’язує.
Іноді комп’ютерні консолі, які спілкувалися з Веббом у камері А, доводилося закривати пластиковою плівкою, щоб захистити їх від ризику капання води зі стелі. Але, захований за товстими стінками вакуумного судна, Вебб був у безпеці і продемонстрував, що в нього немає «проблем Хаббла».
«Сегменти на основному дзеркалі мають приводи за ними, які дозволяють нам переміщати їх, навіть змінювати їх кривизну», — пояснює Лі Файнберг. «При першому розгортанні в космосі ці сегменти будуть зміщені. Але всі ці приводи переведуть нас від відхилення, виміряного в міліметрах, аж до всього нанометрів. Коефіцієнт покращення на мільйон».
Ці приводи змусять 18 сегментів вести себе так, ніби вони є єдиним монолітним дзеркалом.
Інженер систем приладів NASA Бегонья Віла додає: «Це те, що ми продемонстрували в тестовій камері. Ми знаємо, що коли ми вперше фокусуємось на зірці в космосі, ми насправді побачимо 18 різних світлових плям, тому що 18 окремих сегментів дзеркала не будуть Але потім ми відрегулюємо дзеркала, щоб об’єднати всі плями, щоб утворити єдину зірку, яка не має аберацій і підходить для нормальної роботи. Ми знаємо, що Веб працює».
Джилліан Райт несе коробку Tupperware.
«Це не старий Tupperware, це кваліфікований у космосі Tupperware. Він відповідає всім міжнародним стандартам для збереження бездоганної чистоти протягом багатьох років», – говорить директор UK Astronomy Technology Center.
Якщо ви хочете зрозуміти, наскільки блискучий Вебб, а також чому його будівництво займає так довго – близько 20 років на етапі будівництва – вам потрібно заглянути в пластикову коробку Джилліан.
Він містить запасне «дзеркало для нарізки» від середнього інфрачервоного інструменту (MIRI), який вона та її колеги створили для телескопа.
Розміром приблизно з британський 50-пенсовий шматок, він виглядає як міні-музичний акордеон, зроблений для ляльки. Маленьке дзеркало, знову покрите золотом, містить ряд похилих «сходинок».
Таке розташування дозволяє дзеркалу отримувати як зображення неба, так і відрізати світло, скажімо, від галактики або краю чорної діри, а потім направляти це світло в спектрограф. Цей прилад дозволить виявити хімічний склад, температуру, щільність і швидкість досліджуваних цілей.
«Але не лише в одній точці зображення, а в кожній точці зображення, одночасно. Ви переходите від 2D до 3D – до того, що ми називаємо кубом даних», – каже вона мені.
Це було зроблено в наземній астрономії, але було новим для Вебба. Більше того, необхідний рівень інженерної точності був надзвичайно складним. Сходи потрібно було дуже ретельно обробити, щоб вони мали надзвичайно гострі краї, інакше світло різної довжини хвилі протікає через дзеркало, забруднюючи дані.
Знадобився рік, щоб переконати космічні агентства, що нарізні дзеркала MIRI відповідатимуть специфікаціям. І ось що: це лише один маленький компонент в одній частині гігантського телескопа.
Коли вони зібрали Webb, кожен такий елемент потрібно було перевірити, а потім знову протестувати при з’єднанні з іншим елементом. Вся будівля була побудована як російська лялька.
Колишній науковець проекту NASA Марк Клампін пояснює: «Оскільки це така велика і складна обсерваторія, а також тому, що вона повинна працювати при кріогенних температурах, ви не можете просто зібрати все разом, а потім перевірити. , термічно ізольовані пакунки, починаючи з найменших частин і рухаючись вгору, тестуючи на кожному етапі. А потім, коли все стає все більше і більше, стає практично неможливим повернутися назад, оскільки ви виявили проблему, скажімо, в детекторі".
Уявіть собі, що в кінці будівництва телескопа вони зрозуміли, що одне з дзеркал MIRI було несправним.
Розібрати багатомільярдну обсерваторію, щоб отримати нестандартну частину, було б кошмаром усіх кошмарів.
Марк МакКогрін — британський інфрачервоний астроном, який працював над проектом протягом 23 років як консультант Європейського космічного агентства. Він бачив шматочки Вебба і раніше, але всього за кілька тижнів до очікуваного запуску з космодрому Куру у Французькій Гвіані він отримує можливість вперше оглянути закінчену обсерваторію.
«Я поняття не маю, що сказати. Це вражає». У його голосі є емоція.
Дзеркала та теплоізоляційні ковдри виблискують золотом і сріблом. Останній колір має легкий фіолетовий відтінок. Ми розглядаємо Webb у складеному вигляді, але він має розмір одноповерхового автобуса.
Цей «автобус» був перевернутий, щоб він щільно поміщався в носовій частині ракети-носія «Аріан».
«У нього дивовижні масштаби», – коментує Марк. «Коли вона розгортається в просторі — птах, що вільно літає у просторі, — хіба це не було б чого побачити!»
Веббу довелося боротися з негативними на всьому протязі свого розвитку. «Це занадто складно», — сказали б вони. А якщо врахувати послідовність розгортань, які телескоп повинен завершити, щоб почати спостереження за космосом, це трохи страшно.
Інженери називають «збої в одній точці», щоб описати дії, які, якщо вони не відбуваються за наказом і в правильному порядку, можуть зруйнувати все підприємство. Вебб повинен подолати 344 з цих вирішальних перешкод.
Деякі дії мають бути дуже простими, як-от розгортання сонячної панелі та радіоантени в лічені хвилини після запуску.
Навіть розкриття стулок основного дзеркала слід розглядати як досить стандартну операцію. Але дії зосереджені навколо розгортання щита розміром з тенісний корт, який збереже Вебба прохолодою та захистить його зір від яскравого сонця – це інша справа.
«Деякі з ключових пристроїв включають 140 механізмів розблокування, близько 70 шарнірів, вісім двигунів розгортання; у нас є підшипники, пружини, шестерні; потрібно близько 400 шківів і 90 тросів загальною довжиною 1312 футів (400 м)», — каже Кристал Пуга з аерокосмічної галузі. виробник Northrop Grumman.
«Щоб удосконалити послідовність, ми провели багаторазове тестування розгортання протягом кількох років як на малих, так і на повнорозмірних моделях. Ми практикували не лише розгортання, а й процес укладання. Це дає нам впевненість, що Webb розгорнеться успішно».
Для тих із нас, хто не брав безпосередньої участі в проекті, весь процес, що розгортається, виглядає жахливо. Що робити, якщо один із шнурів, що тягнуть за надтонкі мембрани, зачіпиться або, що ще гірше, обірветься?
Джон Метер — заспокійливий голос. Багато років роботи в компанії Webb привели його до філософської позиції.
«Я впевнений, — каже він, — і все ж я також усвідомлюю, що незалежно від того, наскільки гарний у нас план – а у нас дуже хороший план – погані речі все одно можуть статися. Але моя думка не впливає на апаратне забезпечення. І, отже, моє занепокоєння також не впливає на апаратне забезпечення. Тому я переважно не хвилююся».
Я залишив тему до останнього, але вона не може пройти без коментарів. Вартість.
Цифра, яку всі цитують, становить 10 мільярдів доларів (7,5 мільярдів фунтів стерлінгів; 9 мільярдів євро). Він охоплює безпосередній 20-річний період побудови, запуск і п’ять років експлуатації в космосі.
Як холодне число, це сльозить очі. Але варто пам’ятати, що Хаббл був також дуже дорогим. На момент запуску та ремонту легендарна обсерваторія коштувала понад 7 мільярдів доларів у доларах 2021 року. Тепер це має бути ближче вдвічі.
Але враховуючи все, що нам показав Хаббл про Всесвіт і наше місце в ньому, старий телескоп здається непоганим.
Якщо Веббу вдасться показати нам наше атомне походження, хто буде продовжувати сперечатися про вартість?
«За номінальною вартістю багато нулів, і лише Європа витратила 700 мільйонів євро (600 мільйонів фунтів стерлінгів; 800 мільйонів доларів) на Джеймса Вебба», – каже колишній керівник проекту Європейського космічного агентства Пітер Дженсен.
«Але якщо поглянути на це як вартість на одного жителя в Європі, це зводиться до дешевої чашки кави в дешевому кафе, випитої протягом 20 років».
Коментарі