Наступник «Габбла»

Наука
6 Січня 2022, 09:03

У різдвяний день 25 грудня з космодрому Куру у Французькій Гвіані NASA успішно запустила телескоп «Джеймс Вебб», що став технологічно найскладнішим пристроєм агенції. І найдорожчим у світі телескопом: за 30 років розробки та конструювання на нього витратили $10 млрд. Він має замінити знаменитий телескоп «Габбл», виведений на орбіту ще в 1990 році. Планування «Джеймса Вебба», названого на честь очільника американської космічної агенції в 1961–1968 роках, почали тоді ж.

«Габбл» працює вже 30 років, і його операційна діяльність має тривати ще щонайменше десятиліття. Зібрані ним дані дозволили зрозуміти ранню еволюцію галактик, таких, що виникли через 500–600 млн. років після появи Всесвіту. 2016 року так відкрили найвіддаленішу зі спостережуваних до того галактик — GN-z11, що знаходиться за 32 млрд світлових років від Землі й утворилася приблизно через 400 млн років після Великого вибуху. Це маленька рання галактика масою усього 1% від Молочного Шляху, світло від якої мандрувало до нас 13,4 млрд років. Та хоч яким би разючим було це відкриття, воно показало межу, яку «Габбл» подолати не в змозі. І не тому, що його обладнання застаріле чи неточне. Справа у фізиці.

Читайте також: Проблеми на орбіті

Наразі консенсус астрофізиків щодо ранньої еволюції Всесвіту такий: унаслідок квантових коливань у первинному полі, природа якого не встановлена, виникла бульбашка надзвичайної густини енергії. Ця бульбашка почала інфляційно розширюватися — з величезною швидкістю, незрівнянно більшою, ніж сучасна швидкість розширення Всесвіту. Кінетична енергія розширення врешті перейшла в гарячий Великий вибух — фазу, коли почали з’являтися елементарні частинки.

Фото: NASA/Associated Press/East News

За деякий час Всесвіт був повний протонами, нейтронами, електронами та іншими частинками. Він охолоджувався, протони захоплювали електрони, перетворюючись в електронейтральні атоми водню, частина протонів і нейтронів поєднувалися в ядра гелію та важчих частинок, які також приєднували електрони. Так світ став прозорим для фотонів — квантів електромагнітного випромінювання, які більше не розсіювалися на електронах. Оті фотони ми спостерігаємо й зараз як реліктове випромінювання. Вони мандрували мільярди років крізь порожнечу, втрачаючи енергію. Як наслідок, їхній спектр змістився в мікрохвильовий бік. Наразі простір пронизаний цими фотонами з дов­жинами хвилі 1,9 мм, що відповідає температурі приблизно –270 °C. Реліктове випромінювання відкрили 1965-го інженери лабораторії компанії Bell Арно Пензіас та Роберт Вільсон, шукаючи джерело шумів, які вловлювала їхня антена, і згодом отримали Нобелівську премію з фізики.

«Джеймс Вебб» став технологічно найскладнішим пристроєм NASA. І найдорожчим у світі телескопом: за 30 років розробки та конструювання на нього витратили $10 млрд

Та до утворення галактик, видимих «Габблом», пройшли ще мільйони років. Проміжок еволюції Всесвіту між формуванням реліктового випромінювання та першими зірками називають Темними віками. В обох сенсах «темними»: тоді не було потужних джерел світла, і про цей етап астрофізики знають не так і багато, не вистачає експериментальних даних. Теорія каже, що наприкінці Темних віків водень і гелій скупчувалися у велетенські зірки (масою до 300 сонячних та в мільйони разів яскравіші), які швидко вибухали як наднові. Випромінювання цих зірок знову відривало електрони від атомів — цей процес називається реіонізацією, і експериментальних даних про нього бракує.

От цю прогалину й покликаний заповнити новий телескоп. «Габбл» просто не був на це розрахований: він вимірює в ультрафіолетовому, оптичному та ближньому інфрачервоному діапазонах, у той час як світло від тієї епохи дуже сильно зміщене в червоний бік спектру через ефект Допплера. Оце червоне зміщення віддалених об’єктів відкрив ще сам Едвін Габбл 1929 року, спостерігаючи за рухом галактик. Його відкриття стало фундаментом наших знань про розширення Все­світу. За законом Допплера світло від об’єктів, що віддаляються, буде зміщене в червоний бік. Якби хтось із відстані в мільярди світлових років спостерігав за Сонцем, воно було б червоним, а не жовтим. «Джеймс Вебб» буде працювати в ближньому й середньому інфрачервоному діапазоні саме для виконання цих завдань.

Фото: JODY AMIET/AFP/East News

Від тих перших зірок, невидимих для «Габбла», лишалися чорні діри, що мали б втягувати в себе міжзоряний газ, потроху зливаючись у надмасивні діри — центри майбутніх галактик. «Джеймс Вебб» буде здатний досліджувати первинні галактики, з чого можна буде зробити висновки про їхню еволюцію, а також про те, яку роль у їхньому формуванні відігравала темна матерія.

Та завдання телескопа, що найбільше інтригує, — пошук позаземного життя. До 1995 року була відома лише одна планетна система — наша. Того року співробітники Женевського університету Мішель Майор і Дідьє Кело відкрили велику газову планету — «гарячий Юпітер» — поблизу зірки в сузір’ї Пегас. Планету «зловили» за допомогою допплерівської спектроскопії. Планети та зірка обертаються навколо спільного центру мас. Тому зірка то трохи віддаляється від нас, то наближається, її спектр зсувається то у фіолетовий, то в червоний бік — і це вловлює техніка. Та за цим методом можна отримати не так і багато інформації: масу планети, період її обертання, відстань до зірки. До того ж через низьку чутливість метод дозволяє спостерігати лише дуже важкі планети. Точніша методика — транзитна фотометрія. Її ідея також проста: проходячи між спостерігачем і зіркою, планета трошки затіняє її, блиск зменшується. Якщо блиск змінюється періодично — це свідчення наявності планети. Транзитною фотометрією орбітальний телескоп «Кеплер» (див. Тиждень № 45/2018), що працював із 2009-го до 2018 року, відкрив тисячі планет поза Сонячною системою. Наразі підтверджено існування майже 5 тис. екзопланет, а їхня кількість тільки в нашій Галактиці оцінюється в 100 млрд. П’ята частина з них — планети земного типу, на яких теоретично можливе життя.

Наука на орбіті. Найдорожчий і найскладніший у світі прилад, телескоп «Джеймс Вебб», успішно виведений у космос і незабаром приступить до збору необхідної інформації. ​Фото: D. Ducros, EUROPEAN SPACE AGENCY/Science Photo Library/East News

І от вони стануть ціллю для «Джеймса Вебба». Та як встановити, чи є життя на екзопланеті, якщо на найкращих зображеннях вона займає кілька пікселів? Коли планета пролітає повз диск своєї зірки, світло проходить крізь її атмосферу. Атмосфера складається із суміші газів, кожен із яких має свої лінії абсорбції — світло поглинається на певних енергіях. Оці лінії абсорбції додаються до спектра зірки, який вимірює телескоп. Приміром, якби хтось спостерігав звіддаля Землю, то віднайшов би у вимірюваному спектрі Сонця лінії води, кисню, азоту та інших газів. Їхня наявність у спектрі може свідчити про існування води та потужної атмосфери на екзопланеті за умови її обертання в «житловій зоні» зірки — на такій відстані, що забезпечує помірну температуру на поверхні планети, коли вода не випаровується повністю, та й не замерзає. Та все ж це не гарантія існування життя. Про нього свідчитимуть біомаркери — специфічні гази, асоційовані з діяльністю живих організмів. Один із них — фосфін, який на Землі продукується певними видами бактерій, а також людськими технологіями. 

Телескоп «Джеймс Вебб» буде здатний досліджувати первинні галактики, з чого можна буде зробити висновки про їхню еволюцію, а також про те, яку роль у їхньому формуванні відігравала темна матерія. Та завдання телескопа, що найбільше інтригує, — пошук позаземного життя

У 2020 році багато шуму наробили спектроскопічні спостереження за атмосферою Венери, де знайшли фосфін у неочікувано великій концентрації. Учені обережно казали, що необхідна подальша перевірка, та новина про життя на Венері розійшлася світовими ЗМІ. Точніші виміри, з урахуванням усіх похибок, показали або відсутність там фосфіну, або ж наявність у дуже малій концентрації, яку можна пояснити вулканічною активністю. Хорошим біомаркером міг би бути метан, та він продукується не тільки живими істотами, а й гейзерами. Іншими провісниками життя можуть бути оксид азоту, хлорометан, диметилсульфід. Група науковців із Массачусетського технологічного університету 2016 року опублікувала в журналі Astrobiology статтю, у якій розглядала 14 тис. стабільних молекул як вірогідні біомаркери. Звичайно, якщо «Джеймс Вебб» знайде якісь із цих газів на віддалених екзопланетах, це не означатиме існування там життя, тим паче високорозвиненого. Та значно підвищить шанси знайти там хоча б найпростіші бактерії та дати вченим нові деталі щодо походження життя.

Читайте також: Вир світів

Наразі «Джеймс Вебб» рухається до другої точки Лагранжа — шлях у 1,5 млн км займе близько місяця. Ця точка лежить на такій відстані від Землі й Сонця, що їхня гравітаційна дія на об’єкт у ній майже врівноважена, і телескоп, рухаючись у просторі, не змінюватиме положення відносно нашої планети. Це важливо для успішної роботи пристрою: його вимірювальні прилади мають постійно знаходитися за температури –233 °C. Від сонячного випромінювання його захищатиме екран, що нагріватиметься до 85 °C. На ньому також розташовані сонячні панелі, що живитимуть телескоп енергією. Тому стійка орбіта в точці Лагранжа необхідна, щоб зберігати відносне положення екрана та наукової частини телескопа.

Довгий шлях. Для початку роботи телескоп «Джеймс Вебб» має досягнути другої точки Лагранжа, розташованої на відстані приблизно 1,5 млн км від Землі. ​Фото: AFP/East News

Потім ще п’ять місяців займе розгортання та налаштування всіх вимірювальних систем. Перш ніж «Джеймс Вебб» візьметься, власне, за науку. Частину зроблених ним зображень ви побачите в ЗМІ чи соцмережах — вони ілюструватимуть гучні відкриття. І будуть зображення, зроблені на найдорожчій і найскладнішій у світі апаратурі — вінці сучасних астрофізичних технологій. 

Автор:
Олег Фея
100