Космическа Коледа: Осъществяването на 20-годишна мечта

На 25-и декември, в 14:20 ч. българско време, към звездите се отправи космическият телескоп и инженерно чудо „Джеймс Уеб“ на борда на европейската ракета Ариана 5.

Кадрите, които промениха науката и човечеството

„Казват, че астрономията смирява, но аз бих добавил, че тя гради характер. Според мен вероятно няма по-добро доказателство за безумието на човешката самонадеяност от това отдалечено изображение на нашия мъничък свят.“

Без съмнение тези думи на великия популяризатор на науката Карл Сейгън са емблематични за сферата на астрономията и астрофизиката. Те са част от реч, вдъхновена от една на пръв поглед обикновена бледа синя точка на нощното небе. Тази бледа синя точка е всъщност Земята през погледа на Вояджър 1 от ръба на Слънчевата ни система (от около 6 млрд. километра).

 

Credit: NASA/JPL-Caltech

Астрономията отдавна вдъхновява със спиращи дъха кадри. Но един космически апарат напълно промени начина, по който гледаме на Вселената, и се превърна в синоним на цялата космическа наука – едноименния космически телескоп „Хъбъл“. Изстрелян на борда на космическата совалка „Дискавъри“ през вече далечната 1990 г., „Хъбъл“ отведе цялото човечество на най-зашеметяващото пътешествие сред звездите. Позволи ни да видим космически структури, за които дори не сме смеели да мечтаем. Космическият телескоп многократно доказа необозримите размери на космическата сцена, но една специална фотография може би най-добре разкрива необятността на Космоса.

През 2004 г. в рамките на близо 12 дни „Хъбъл“ прави около 800 кадъра на привидно празен и изключително малък участък от нощното небе – кътче с размерите на главата на Мадарския конник на гърба на монета от 20 стотинки, държана на разстояние на една изпъната ръка. Тези 800 кадъра са обединени във великолепната фотография на „Ултра-дълбокото поле на Хъбъл“. Това е втората подобна снимка, направена от космическия телескоп, и е най-дълбокият ни поглед в космоса.

Всеки обект, с изключение на 4-5 звезди, е галактика.

Една от близо 10 000 в това „празно“ кътче на нощното небе. Всяка прашинка, всяка бледа точица е галактика, притежаваща милиарди звезди и трилиони непознати светове. Обектите обаче са и много различни. Това е така, защото всяка галактика е в различна фаза на своето образуване и живот. 

 

Credit: NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

Този кадър е поглед назад във времето, когато Вселената е на едва 1 милиард години. По-малките и по-червени галактики са най-стари и често най-безформени, защото са в най-ранните фази на своето образуване. Те изглеждат червени, заради разширението на Вселената, което удължава и фотоните – носителите на светлината, докато пътуват през космическото пространство.

Интересното е, че дори по-близките и големи галактики са изключително далеч. Светлината им е пътувала близо милиард години. Това означава, че в този кадър е запечатана 12 милиарда години история на Вселената – история, започваща 1 милиард години след раждането на Космоса и завършваща близо милиард години преди да бъде гравирана в сензорите на „Хъбъл“. В следната 3D визуализация може да научите как всъщност учените използват кадъра, за да изучат еволюционното развитие на Вселената:

 

Повече за невероятната история на първия подобен кадър – „Дълбокото поле“, направен през 1995 г., може да научите тук:

На предела на възможностите

„Хъбъл“ е без съмнение един от най-успешните проекти в историята на науката. Благодарение на направените милиони наблюдения и опита, който учените събраха, използвайки „Хъбъл“ и други апарати като телескопа „Спицър“, „Уилкинсън“ и други, бе установена важността на светлина в близкия инфрачервен спектър за изучаването на ранното формиране на Вселената. Разбира се, „Хъбъл“ е и до голяма степен ограничен от наличните при създаването му технологии. Макар и конструиран, за да бъде променян, краят на полетите на космическите совалки, породен от трагедиите с „Колумбия“ и „Чалънджър“, означаваха, че „Хъбъл“ не би могъл да бъде подобряван. Пътят напред беше ясен – нужен бе наследник на „Хъбъл“.

Роден от чуждата несполука

Идеята за изграждането на нов и по-способен космически телескоп се заражда само няколко години след въвеждането на „Хъбъл“ в експлоатация. Всъщност началото на работата на „Хъбъл“ изобщо не потръгва като по вода. Основното огледало има съвсем малък дефект, който обаче води до нефокусирани кадри. През декември 1993 г. със совалка „Индевър“, астронавти посещават „Хъбъл“ и поправят проблема, като на практика поставят очила на късогледия „Хъбъл“. В следващите години „Хъбъл“ получава още няколко подобрения, които му позволяват да работи оптимално, въпреки проблема. Но тази производствена грешка дава началото на една 20-годишна мечта. 

Запленен от миналото, но всъщност вперил поглед в бъдещото

Новият и по-способен космически телескоп ще прави наблюдения в близкия инфрачервен спектър на светлината. Освен че в този диапазон излъчват най-далечните и стари галактики, заради Доплеровия ефект при разширяването на Вселената, инфрачервената светлина не се поглъща от космическия прах, което позволява на учените да погледнат в сърцето на мъглявините, в които се раждат нови светове.

 

Credit: ESO/VISTA/J. Emerson

В търсене на живот

Всички атоми и молекули във Вселената притежават кинетична енергия, която в ежедневието си ние определяме като температура. Тази енергия кара частичките на практика да вибрират с определена честота. Тази честота съвпада с дължината на вълната на определени фотони, които биват погълнати от съответната частичка. Фотоните в близкия инфрачервен спектър, за съжаление, лесно се поглъщат от водните молекули. Наблюдения в този диапазон са възможни единствено отвъд влажната ни атмосфера. Но фактът, че определени елементи или молекули могат да поглъщат инфрачервени фотони, позволява на учените да използват инструментите на космически телескопи по много елегантен начин, за да търсят живот. 

 

Gauza B, et al. ‌Discovery of a young planetary mass companion to the nearby M dwarf VHS J125601.92-125723.9. The Astrophysical Journal.

Учените наблюдават спектъра на излъчване на звезда и изчакват планета от интерес да мине пред звездата. Така те могат да наблюдават разликите в общия спектър на планетата и звездата, което им позволява да научат от какво е съставена атмосферата на планетата. Ако планетата притежава вода, метан и други биологично важни газове в атмосферата си, това ще се отрази със спад в общия спектъра на излъчване. Новият апарат, наблюдаващ инфрачервеното излъчване на близки звезди, може да отговори на вечния въпрос: сами ли сме във Вселената?

Отвъд пределите на възможното

Светлината от ранните етапи на развитие на Вселената е не само изключително променена от Доплеровия ефект, тя е и изключително слаба. За да прогледне 13,5 млрд. години назад в миналото, този нов телескоп ще трябва да може да засече светлина със сила, еквивалентна на фенерче на телефон на повърхността на луната, наблюдавано от земната повърхност. За да предостави качествени данни, този телескоп ще трябва да се намира далеч от всички източници на радиация и да притежава невероятни способности за контролиране на температурата си. Всички обекти с температура излъчват в даден спектър, включително и ние, хората буквално светим инфрачервено през целия си живот.

Изобщо възможен ли е подобен апарат?

Способен да наблюдава толкова дълбоко в миналото на Вселената, да изучава близки звездни и планетни системи, да прониква в сърцевината на звездните ясли, докато поддържа криотемператури и стои далеч от всякакви източници на радиация?

След над 15 години активна разработка от екипи от едни от най-брилянтите учени, отговорът е да, възможно е. И този апарат се отправя на своето пътешествие в дълбините на космоса.

 

Инженерното чудо „Джеймс Уеб“

Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ е апаратът на десетилетието. Върху проекта работят 258 институции, като основни сътрудници са НАСА, Европейската космическа агенция и Канадската космическа агенция. Основни изпълнители на проекта са Нортроп Груман, които изграждат носещата структура на космическия телескоп и Слънчевия щит. Ball Aerospace изграждат огледалата на „Уеб“ в партньорство с L3Harris Technologies, а научните инструменти се разработват от десетки по-малки институции, включително Локхийд Мартин, Еърбъс, Европейската космическа агенция, Института Макс-Планк, Института по космическа астрофизика, Орсе, както и разбира се, центровете на НАСА – JPL, Амес и Годард, и много други.

Европейската космическа агенция поема отговорността за извеждането на „Джеймс Уеб“ в една много интересна орбита на борда на ракетата Ариана 5.

 

Точка №2

За разлика от „Хъбъл“, необходимостта на „Джеймс Уеб“ да се намира възможно най-далеч от обекти, излъчващи в инфрачервения спектър, означава, че „Уеб“ трябва да се отдели от Земята. На разстояние от 1,5 милиона километра, „Уеб“ ще е в орбита около една от точките на Лагранж – точки, на които трети обект може да бъде поставен в устойчива орбита около две небесни тела. „Уеб“ ще заеме точка №2 и ще обикаля около Слънцето със същата скорост, с която и Земята. 

От тази точка телескопът ще е достатъчно далеч от Земята, но ще трябва да бъде предпазен от слънчевата радиация. Инструментите на „Уеб“ ще могат да работят успешно при температура от под 230 градуса по Целзий, докато радиацията от Слънцето и остатъчната от Земята ще се опитват да ги нагреят до близо 90 градуса. За да предпази инструментите си, „Уеб“ винаги ще бъде насочен в противоположна на Слънцето посока и ще носи един от най-сложните топлинни щитове.

 

Инфрачервено излъчване на топлинния щит и отразяване на слънчева радиация. Credit: Real Engineering

Щитът е изграден от 5 пласта, които драстично намаляват температурата и не позволяват топлината да стигне до научните инструменти като я насочват по хитър начин към краищата на апарата, за да бъде излъчена обратно в космоса.

 

Посока на движение на топлинните потоци в рамките на кухите пространства в топлинния щит. Credit: Real Engineering

Слънчевият щит представлява едно голямо оригами, което трябва да се сгъне, за да се побере в товарния отсек на ракетата Ариана 5, и по-късно разгърне автоматично в Космоса. Това прави слънчевия щит може би най-голямото предизвикателство и най-притеснителния елемент при разгъването на космическия телескоп.

Видео от разгъването на слънчевия щит:

 

Виждайки снимки на сгънатия „Джеймс Уеб“, друг елемент грабва окото – 6,5-метровото основно огледало, изградено от 18 шестоъгълни позлатени плочи. Този елемент шедьовър ще позволи на „Уеб“ да събира повече светлина от който и да е друг космически телескоп в историята. А придружаващите прибори позволяват дори засичането на единични фотони, фокусирани от основното огледало.

Всяка една от 18-те плочи може да се движи свободно и независимо от останалите, което позволява елиминирането на грешки или неизправности, както и по-точно настройване на телескопа за наблюдения. Тъй като „Уеб“ се намира на 1,5 млн. км. от Земята, ако нещо се обърка, подобно на „Хъбъл“, това би означавало край на играта. Но „Уеб“ притежава редица допълнителни системи и гениални решения, които да го поддържат в добро състояние.

 

 

Докато „Уеб“ пътува към точката на Лагранж, телескопът бавно ще се разгръща. Това ще бъде изключително рискована маневра и ще е своеобразна кулминация на 20 години усилия, цели отдадени кариери и години борба за финансиране.

Отдавна космическият сектор е недофинансиран. Въпреки мащабите му, често развитието се случва въпреки, а не благодарение на инвеститори и политици. Във времето на пандемия, „Джеймс Уеб“ ще изпрати силно съобщение, че дори при тежките обстоятелства, #ЗаедноМожем. Космическият телескоп поставя началото на нова ера на открития и ще послужи като вдъхновение на следващото поколение инженери и учени.

 

Credit: NASA

Най-мощният телескоп в историята вече се рее към своята крайна дестинация след безупречно изстрелване на борда на Ариана 5 и достигане на изключително точна орбита. На видеото долу може да видите как апаратът се отдалечава от втората степен и разгръща своите слънчеви панели:

 

От Димитър Фердинандов,