Ера супертелескопів розпочалась: частина 2

У NASA завершили серію тестувань систем зв’язку новітнього космічного Телескопа ім. Джеймса Вебба, а у Чилі продовжують зведення наземного титана космічних досліджень – Великого Синоптичного Оглядового Телескопа.

Читайте також: Ера супертелескопів розпочалась: частина 1

Великий Синоптичний Оглядовий Телескоп (LSST)

Рендеринг телескопу LSST з нічним небом. Джерело: Todd Mason, Mason Productions Inc. / LSST Corporation

Більшість супертелескопів для виконання своєї роботи покладаються на гігантські дзеркала. LSST інший. LSST – це величезна панорамна камера. І зніматиме вона, відповідно, величезний рухомий образ Всесвіту.

У той час як інші телескопи роблять статичні знімки, LSST робитиме багато деталізованих зображень всього доступного нічного неба. Це дозволить астрономам безпосередньо «бачити», як рухаються небесні об’єкти. І ці зображення будуть доступні будь-кому.

LSST створюється групою установ США. Навіть Білл Гейтс виділив гроші на побудову цього телескопу. Він буде розташований на вершині г. Серро-Пачон (пік на півночі Чилі), де вже розміщуються Обсерваторія Джеміні та Південний астрофізичний дослідницький телескоп.

Камера телескопа

В основі LSST лежить величезна цифрова камера. Вона важить понад три тонни, а датчик складається з сегментів на зразок того, як в інших супертелескопах складаються дзеркала. Камера LSST має 189 сегментів, які разом створюють 64 см датчик з лінзами з діаметром 155 см.

Кожне зображення, яке робитиме LSST, буде в 40 раз більше за повний Місяць і міститиме 3,2 гігапікселів. Протягом ночі кожні 20 секунд камера робитиме одне таке широкоформатне зображення. Таким чином, за кілька ночей LSST надаватиме зображення всього доступного нічного неба. Планується, що LSST буде функціонувати протягом 10 років.

LSST буде робити рухомі, схожі на фільм, зображення більше ніж 40 мільярдів об’єктів. Від далеких величезних галактик до потенційно небезпечних об’єктів всього 140 метрів у діаметрі.

Основне дзеркало під час виробництва. Джерело: LSST

Та є цілком інша сторона LSST, яка трохи складніша. Ми розуміємо ідею рухомого, детального зображення неба. Інтуїтивно її легко збагнути. Але існує інша сторона – це проблема глибинного аналізу даних.

Проблема даних

Експеримент генеруватиме величезну кількість даних. Понад 15 терабайтів потрібно буде обробляти щоночі. Це 60 петабайтів даних за 10 років, протягом яких працюватиме LSST.

Після закінчення збору даних LSST, їх буде відправлено двома спеціальними 40 Гб каналами до Центру Обробки та Архівації даних. Це суперкомп’ютер, який буде керувати всіма даними, обробляти їх та робити доступними для користувачів. Але, коли мова йде про обробку даних, це лише верхівка айсберга.

Величезна кількість даних, яку продукуватиме LSST, – це проблема, про яку команді телескопа було відомо заздалегідь. Вчені знали, що повинні завчасно побудувати наукову спільноту довкола телескопа, щоб максимально ефективно використовувати LSST. Для цього корпорація LSST розпочала ініціативу під назвою “Enabling Science”, яка фінансує спеціальну програму стипендій та грантів – LSST Data Science Fellowship Program. Ця дворічна програма покликана доповнити навчальні плани в аспірантурах такими предметами як статистика, машинне навчання, теорія інформації, масштабоване програмування.

Наука

  • Природа Темної Матерії та розуміння Темної Енергії

Мета усіх супертелескопів – це внесок у наше розуміння темної матерії та темної енергії. LSST тут не є виключенням. Він дозволить створити карту руху та розташування декількох мільярдів галактик. Це допоможе нам зрозуміти, як темна енергія поводиться з плином часу, та як темна матерія впливає на розвиток структури космосу.

  • Каталог Сонячної системи

Потужність LSST і його здатність робити велику кількість знімків повного неба можуть стати тими чинниками, які значно прискорять створення детальної карти та каталогу Сонячної системи. Вважається, що LSST може зафіксувати від 60 до 90% всіх потенційно небезпечних астероїдів, діаметром від 140 м та на відстані головного поясу астероїдів.

Це не тільки зробить великий внесок у виявлення астероїдів, які можуть представляти небезпеку Землі, але й допоможе зрозуміти, як утворилися планети, і як розвивалася наша Сонячна система.

  • Вивчення змін неба

Повторне фільмування нічного неба, повнота та неймовірна якість – все це повинно багато розповісти нам про наднові, змінні зорі та, можливо, інші, ще невідомі, явища. Завжди з’являється щось неочікуване, коли ми будуємо новий телескоп чи відправляємо дослідницький апарат. Навряд чи, LSST буде якимось іншим у цьому плані.

  • Чумацький Шлях. Його формування та структура.

LSST надасть нам безпрецедентний погляд на Чумацький Шлях. Він буде оглядати більше ніж половину неба і буде робити це регулярно. Сотні разів, насправді. Кінцевим результатом буде надзвичайно докладна картина руху мільйонів зірок у нашій галактиці.

  • Відкритий доступ

Можливо, найкраща частина всього проекту LSST полягає в тому, що всі дані будуть доступні кожному. Тобто всі, хто має комп’ютер та підключення до Інтернету, зможе отримати доступ до фільму LSST про Всесвіт. Звичайно, буде приємно мати результати великих наукових досліджень у вільному доступі. Але що з цього? Команда LSST сподівається, що більшість відкриттів на основі численних даних, зібраних їхнім телескопом, будуть зроблені астрономами, які напряму не будуть залучені у проекті, студентами чи, навіть, аматорами.

  • Перше світло

Однак доведеться трохи зачекати. Перше світло LSST має побачити в 2021 році, а повноцінно почне функціювати в 2022 році. Тож, чекайте та готуйтесь до абсолютно нового погляду на наш Всесвіт.

Космічний телескоп ім. Джеймса Вебба

Рендеринг телескопа ім. Джеймса Вебба Джерело: Northrop Grumman

Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST або Вебб) – телескоп, на появу якого чекають найбільше. Можливо, це через важкий шлях, яким довелося пройти JWST. А можливо – через те, що він буде кардинально відрізнятися від інших супертелескопів – JWST працюватиме на відстані 1,5 мільйона кілометрів від Землі.

JWST робитиме спостереження, знаходячись на гало-орбіті в точці L2  Джерело: NASA/JWST

Якщо ви стежили за драмою з JWST, то ви знаєте, що додаткові витрати на розробку майже призвели до згортання проекту. Початкова оцінка бюджету JWST складала 1,6 мільярда доларів США, а дата початку роботи була запланована на 2011 рік. Але реальні витрати виявились значно більшими, плюс були проблеми з менеджментом. Це все змусило Палату представників США піти на припинення проекту в 2011 році. Однак пізніше того ж року Конгрес США скасував своє рішення. Врешті-решт, кінцева вартість Вебба склала 8,8 мільярда доларів, а дата запуску була перенесена на жовтень 2018 року. Це означає, що перше світло JWST побачить раніше за інші супертелескопи.

18-ти сегментне дзеркало JWST. Блискуче, покрите золотом, берилієве дзеркало площею 25 м кв. Image: NASA/Chris Gunn

Передбачалося, що JWST прийде на заміну “Габблу”, який працює з 1990 року. Але “Габбл” зараз знаходиться на низькій навколоземній орбіті, на висоті близько 600 км, та має дзеркало діаметром 2,4 м. JSWT ж буде розташовуватись на відстані 1,5 млн км від Землі в точці L2 (див. Точки Лагранжа), а дзеркало у нього складатиме 6,5 м у діаметрі. Габбл працює у ближньому ультрафіолетовому, видимому та ближньому інфрачервоному спектрах. Натомість, Вебб працюватиме в спектрах з довшою довжиною хвилі – червоного видимого світла, ближній (IR-A) та середній (IR-B) діапазон інфрачервоного випромінювання. Це матиме значний вплив на те, якими саме спостереженнями буде займатись JWST.

Інструменти Вебба

JWST матиме чотири інструменти:

  • Камера для близького інфрачервоного спектра (NIRCam)
  • Спектрограф близького інфрачервоного спектра (NIRSpec)
  • Інструмент для середнього інфрачервоного спектра (MIRI)
  • Датчик точного наведення / блок формування зображення в близькому інфрачервоному спектрі та безщілинний спектрограф (FGS/NIRISS)
Довжини хвиль з якими можуть працювати інструменти  JWST. Джерело: ASA/JWST

NIRCam є основним пристроєм формування зображень Вебба. З його допомогою будуть досліджувати утворення найперших зорь та галактик, зорі у сусідніх галактиках, об’єкти у поясі Койпера та молоді зорі у Чумацькому шляху. NIRCam оснащений коронографами, які блокують світло від яскравих об’єктів, щоб спостерігати за неяскравими тьмяними об’єктами.

NIRSpec буде працювати в діапазоні від 0 до 5 мікронів. Його спектрограф розподілить світло на спектр. Отриманий спектр розповість нам про температуру, масу та хімічний склад об’єктів. NIRSpec зможе спостерігати за 100 об’єктами одночасно.

MIRI – це камера та спектрограф. Він допоможе в дослідженні червоного зсуву віддалених галактик, зірок в процесі формування, об’єктів в поясі Койпера та комет. Камера MIRI забезпечить широкоформатні широкосмугові зображення, а спектрограф повідомить про фізичні деталі віддалених об’єктів.

Датчик точного керування FGS / NIRISS надасть Веббу точність, необхідну для отримання високоякісних зображень. NIRISS буде використаний для дослідження наступних наукових цілей: виявлення першого світла, виявлення та характеристики екзопланет, а також спектроскопії екзопланетного транзиту.FGS / NIRISS має діапазон довжин хвиль від 0,8 до 5,0 мкм і є спеціалізованим інструментом з трьома основними режимами, кожен з яких адресований окремому діапазону довжин хвиль. FGS – пристрій, який допомагатиме наводити телескоп.

Наука

Найважливішою метою JWST, як і у багатьох інших телескопів, є розуміння Всесвіту та походження життя. Вебб буде вести дослідження в чотирьох напрямках:

  • Перше світло та реіонізація

На ранніх етапах Всесвіту не було світла. Всесвіт був непрозорим. Зрештою, коли він охолов, фотони змогли подорожувати вільно. А потім, мабуть, через сотні мільйонів років після Великого вибуху утворилися перші джерела світла – зорі. Але ми не знаємо: коли, чи які типи зірок.

  • Формування галактик

Ми звикли бачити дивовижні образи грандіозних спіральних галактик, що досі існують у Всесвіті. Але галактики не завжди були такими. Ранні галактики часто були малими та щільними. Як вони сформувалися у ті форми, які ми бачимо сьогодні?

  • Народження зірок та протопланетні системи

JWST зможе робити те, на що не здатні інші телескопи, наприклад Габбл – бачити крізь хмари пилу. Ті хмари, в яких утворюються зірки та протопланетні системи. Те, що ми там побачимо, розповість нам про формування Сонячної системи та проллє світло на інші цікаві питання.

  • Планети та виникнення життя

Тепер ми знаємо, що екзопланети є досить поширеними. Ми знайшли тисячі таких навколо різних типів зорь. Але досі дуже мало про них знаємо. Як багато екзопланет мають власну атмосферу? Чи містять так звані будівельні блоки життя?

Все це, очевидно, захопливі теми. Але одна з них виділяється: “Планети та виникнення життя”.

Нещодавнє відкриття системи TRAPPIST, яка має 7 планет земної групи та 3 планети в зоні придатній для життя, зчинило багато шуму. Це була величезна новина в лютому 2017 року. Цей шум не стих й досі. Люди з нетерпінням чекають новин про цю систему.

Головне питання стосовно системи TRAPPIST: “Чи мають планети атмосферу?”. JWST може допомогти нам відповісти на нього.

Інструмент NIRSpec зможе виявляти будь-які атмосфери навколо планет. А що, напевно, найважливіше – це те, що він зможе досліджувати такі атмосфери та розповідати про їхній вміст.

Ми будемо знати, чи містять атмосфери, якщо вони існують, парникові гази. Або такі гази як озон чи метан, які часто мають біологічне походження (біосигнатури).

  • Запуск та розгортання

Наукові дані, які зможе видавати JWST, надзвичайно цікаві та загадкові. Але…

JWST ще не в космосі і не в точці L2. Тобто, ще є запуск і дуже складна процедура розгортання.

Основне дзеркало JWST набагато більше ніж у Габбла. Його діаметр – 6,5 метра, а у Габбла – 2,4 метра. Тому Габбл і не був проблемою, хоча він був розміром з автобус. Він вмістився всередині шаттла і був розгорнутий за допомогою пристрою Канадарм на низькій навколоземній орбіті. З JWST так не вийде.

Щоб відправити Вебба до місця призначення – гало-орбіту навколо точки L2, буде використана ракета Аріан 5. І для того, щоб JWST вмістивсь в вантажний простір в ракетному носі (т.з. головний обтікач), його потрібно буде скласти.

18-ти сегментне дзеркало необхідно буде скласти, а потім на шляху до L2 – розгорнути. Антена та сонячні панелі також повинні бути складені на старті, а по дорозі їх буде необхідно розгорнути.

Знову ж, на відміну від Габбла, Веббу для роботи необхідні надзвичайно низькі температури – 50К (−223 °C). Для цього в нього є кріо охододжувач та великий п’ятишаровий сонцезахисний екран.

Щоб JWST запрацював, всі ці компоненти (дзеркала, панелі, антена, екран) повинні розгорнутись на шляху до L2.

JWST необхідно буде десь місяць, щоб досягнути орбіти навколо L2. Виконувати свою наукову місію Вебб почне десь за 6 місяців після запуску.


Ілля Дока
  • 16 записів
  • 0 дописів
Ілля приєднався до Science Ukraine у 2016 році. Має вищу освіту у прикладній фізиці. Здебільшого пише про космос, технології, фундаментальну та прикладну фізику.
Отримуй новини, що визначають майбутнє на свій Email:
Оберіть Science Ukraine: