Космические приключения телескопа имени Джеймса Уэбба

Полгода назад с космодрома Куру во вторую точку Лагранжа (L2) был отправлен инфракрасный телескоп Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST). Ранее я писал зачем его отправили и почему его проектирование столь же трудно, сколь гениально. Восстановим хронологию событий и этапы подготовки обсерватории к научным наблюдениям.

Успешный старт ракеты "Ariane 5". Телескоп покидает планету. В разреженной атмосфере защита телескопу больше не нужна — сбрасывается головной обтекатель. 

Первая ступень остаётся позади, зажигается двигатель второй ступени, и чтобы защитить телескоп от солнечного тепла и избежать перегрева и повреждений, производятся точно просчитанные вращения (второй ступенью). К концу полёта вращения прекращаются и аппарат выходит на запланированную орбиту.

После отделения аппарата от второй ступени Ariane 5, обсерватория продолжает путешествие на собственном двигателе. В работу вступает солнечная панель телескопа, происходит её полное развёртывание. До конца миссии она будет обеспечивать все потребности аппарата в электропитании.

Чтобы не испачкать зеркала маневровые двигатели помещены на обращённую к Солнцу сторону. Траектория такова, что тормозить не получится. Коррекции необходимо проводить в начале полёта — это позволит сохранить топливо.

Успешно проведена первая корректировка курса по направлению в L2. После корректировки обсерватория пересекает лунную орбиту.

Разворачивание телескопа начинается с раскрытия креплений солнечного щита. В поддонах расположены тщательно свёрнутые солнцезащитные мембраны. Предстоящее развёртывание экрана — один из самых сложных процессов, реализованных NASA.

Выявление избытка топлива, позволяющий телескопу проработать более 10 лет (отличные предновогодний подарок!).

Подъём специальной центральной башни, отделяющий телескоп со всеми инструментами от щита посредством дополнительного зазора.

Разворачивание заднего якоря — ключевой этап, необходимый для экономии топлива. Эта структура позволяет сбалансировать давление солнечного света на центр масс телескопа.

После разворачивания креплений солнечного щита, снимаются рамки его мембраны, удерживавшие щит в собранном виде. Со щита снимаются защитная плёнка, заглушки у основания, выдвигаются мачты. Начинается натяжение полотна и разделение слоёв. Щит начинает приобретать свою форму шестиугольника размером с теннисный корт. Он ещё не натянут, но контраст температур уже усиливается между холодной и тёплой частями телескопа.

Все пять слоёв солнечного щита натянуты. Каждый из них тоньше человеческого волоса. Конструкция обеспечивает охлаждение примерно до –235° градусов по Цельсию. Ближайший к Солнцу слой нагревается примерно до ~120° C. В тени щита инструменты обсерватории продолжают охлаждение.

После натяжения всех слоёв теплозащитного экрана, на свою позицию выдвигается и жёстко фиксируется вторичное зеркало.

Раскрывается задний радиатор оптической системы (размером 2.44 x 1.22 метра²), позволяющий отводить лишний нагрев от телескопа. Для миссии очень важно избавляться от избыточного тепла, которое не должно мешать регистрации слабых ИК-сигналов космоса.

Разворачиваются боковые соты зеркала. JWST целиком раскрывает своё объективное зеркало. Этот этап завершает разворачивание телескопа.

Пока телескоп путешествует к рабочей орбите вокруг Солнца (на гало-орбиту вокруг точки L2) он продолжает охлаждаться до установленных криогенных температур.

Орбита корректируется последний раз. Телескоп выходит на гало-орбиту. Это ключевая часть проекта всей миссии. Точка L2 системы "Земля – Солнце" синхронизирована с движением Земли вокруг нашей звезды. Здесь в 1.5 млн км от Земли телескоп Уэбба застрахован от температурных перепадов. А самые яркие объекты – Солнце, Земля и Луна – скрыты солнечным щитом. Самые сложные инженерные процедуры по развёртыванию остались позади. Телескоп продолжает остывать и постепенно приходить в работоспособное состояние.

При достаточном охлаждении зеркал и датчиков начинается исследование волнового фронта и выравнивание зеркал.

Обсерватория охладилась ещё не до предполагаемой рабочей температуры, но уже работает как оптическая система. В результате юстировки были выровнены 18 сегментов единого зеркального объектива и получено изображение звезды HD84406 на инфракрасный детектор прибора NIRCam.

На изображении со звездой HD 84406 наблюдается дифракционный узор. Дифракция излучения — физический эффект, работающий в любом телескопе, связанный с огибанием электромагнитных волн препятствий. Объектив телескопа — тоже препятствие. В наземных телескопах в общем случае мы дифракционную картину не наблюдаем, поскольку атмосфера Земли при наблюдениях размывает изображение намного сильнее, чем дифракция. Но поскольку космические телескопы находятся вне атмосферы, то такие телескопы, например, со сферическими зеркалами, показывают звезду не в виде точки, а в виде набора колец, вокруг этой точки (называемой кружком Эйри). Связано это с преломлением света в объективе и его волновыми свойствами.

Более того, поскольку телескоп является рефлектором, то падая на объектив световые волны огибают также и вторичное зеркало, которое крепится на трёх опорах, которые тоже являются препятствием для световых волн — свет рассеивается, отклоняясь от своего первоначального направления, что приводит к появлению "дифракционных лучей" на формируемом изображении. И в случае с тремя опорами таких дифракционных лучей будет шесть. Фактически, эти лучи — это свет звезды, который - не будь этих опор - дополнил бы яркую центральную часть изображения.

Телескоп ещё точнее выровнял зеркала и с помощью прибора NIRCam получил изображение звезды 2MASS J17554042+6551277. Поскольку оптика аппарата и возможности прибора оказались столь чувствительными — в кадре на фоне звезды видны также и другие объекты, включая галактики (рекомендую детально рассмотреть в несжатом качестве). Это знаменует завершение ещё одного этапа (одного из семи, если конкретнее) юстировки и старт следующего.

Ну и ещё несколько слов про дифракционное качество. Дифракционный предел (а именно – минимальный размер пятна рассеяния, который можно получить при фокусировке света) зависит от диаметра апертуры. Чем больше диаметр объектива, тем более тонкие детали с помощью такого телескопа можно обнаружить. Дифракция "размывает" изображение тем сильнее, чем меньше размер объектива. Диаметр объектива телескопа Джеймса Уэбба D ~ 6.5 м. Сравним полученное изображение с кадром космического ИК-телескопа Спитцер (в 2020 официально объявлено завершение работы, телескоп переведён в режим гибернации) с диаметром зеркального объектива D ~ 0.85 м.

NASA объявило, что камера среднего ИК-диапазона MIRI охлаждена до температуры –266° C (~7° К). Вообще говоря, это лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. MIRI последним (из четырёх приборов) достиг рабочей температуры и NASA сообщает о финальном этапе настройки научных приборов. Активная система охлаждения на основе гелия довела прибор до требуемой температуры (чуть ниже 7 кельвинов) и теперь будет и далее его охлаждать (поддерживать рабочую температуру) и защищать MIRI от тепла, выделяемого другими приборами.

Чтобы приступить к настройке MIRI требовалось достижение определённой температуры зеркал телескопа. При этом, зеркала Уэбба продолжают охлаждаться.

NASA сообщает, что телескоп полностью сфокусирован. Телескоп показал себя даже лучше, чем предполагали модели в смысле разрешения и качества изображений.

Сравним кадры одних и тех же областей космоса, полученных разными ИК-обсерваториями, чтобы ощутить борьбу диаметров объективов за разрешающую способность.

В отличие от телескопа Хаббла у JWST нет трубы. Это важно, поскольку вдали от Земли телескоп подвержен более частым ударам микрометеоритов, чем вблизи Земли (наша планета прикрывает примерно половину небосвода для низколетящих космических аппаратов).

Примерно между 23 и 25 мая в один из сегментов главного зеркала JWST попал микрометеорит. Это уже не первое подобное событие, но оно отличалось силой удара, превысившей даже моделированные во время наземных тестов. Удар привёл к повреждению сегмента, последствия которого можно проследить по данным телескопа (появился незначительный, но заметный эффект в данных).  Столкновения будут ожидаемо продолжаться. Пусть наземные эксперименты и готовили зеркала к бомбардировкам, но постоянные удары, увы, со временем будут ухудшать работу зеркал. Инженеры выполнили корректировку положения пострадавшего сегмента (активная оптика) — это позволило частично компенсировать искажение данных, но полностью все последствия от удара устранить такими действиями не получится. Тем не менее, даже после этого неприятного события качество получаемых данных всё ещё превосходит все требования к миссии — телескоп продолжит наблюдения.

Первый из четырёх инструментов JWST был объявлен готовым к использованию в науке. Прибор для наблюдений в ближнем ИК-диапазоне NIRISS позволит учёным изучать атмосферы экзопланет.

Второй из четырёх основных научных инструментов JWST - MIRI - полностью готов к работе.

Уже полгода JWST прохлаждается и бороздит космическое пространство, сталкиваясь с приключениями в виде микрометеоритов. Команда миссии проделала фантастическую работу и успешно реализовала практически все (на грани фантастики) запланированные процедуры. Телескоп оснащён четырьмя самыми современными приборами, 15 из 17 режимов которых уже готовы к научным исследованиям. Наконец, первые научные снимки будут представлены общественности 12 июля 2022 в 17:30 по мск. Не пропустите! :) Такого мы ещё не видели.