Webb та Roman. Які таємниці Всесвіту розгадають два нові супертелескопи

29 вересня Національна аерокосмічна адміністрація (NASA) США оголосила про завершення проєктування нового космічного інфрачервоного телескопа Roman і початок фази його збирання та випробувань. Очікується, що запуск телескопа в космос відбудеться не пізніше травня 2027 р. Його вартість оцінюється в $4 млрд.

Телескоп Roman повинен буде підхопити естафету досліджень інфрачервоного телескопа Webb, який відправиться в космос 18 грудня цього року. Розробка та будівництво телескопа Webb зайняли чверть століття, а його вартість сягнула $10 млрд.

Обидва телескопи будуть розташовані на відстані 1,5 млн км від Землі (вчетверо далі, ніж Місяць) у так званій другій точці Лагранжа системи Сонце — Земля. Тобто, це будуть штучні супутники не Землі, а Сонця. Вони обертатимуться навколо Сонця разом із Землею, яка зможе утримувати їх позаду себе та захищати від сонячного випромінювання.

Головні надії астрофізиків

Webb і Roman – це найграндіозніші астрофізичні проєкти за всю історію людства. За своїм значенням для науки вони порівнянні зі знаменитим Великим адронним колайдером, який коштував $10 млрд і на якому в 2012 р. було відкрито бозон Хіггса. За допомогою космічних обсерваторій Webb та Roman вчені сподіваються наблизитися до розгадок головних таємниць Всесвіту та виявити сліди позаземного життя. Підкреслимо – це інфрачервоні телескопи. Їхнє завдання — уловлювати космічне теплове випромінювання, яке у багатьох ділянках свого діапазону взагалі не спостерігається із Землі, бо його поглинає земна атмосфера.

Чому ж астрофізики покладають свої головні сподівання саме на інфрачервоні космічні обсерваторії? Очевидне світло, яке ми сприймаємо на власні очі, випромінюють досить гарячі зірки, як наше Сонце. Від холодніших об'єктів теж виходить випромінювання, тільки не видиме, а інфрачервоне. І ось зараз найбільші загадки, що хвилюють астрофізиків, криються якраз не в звичайних, видимих на небі зірках і галактиках, а в об'єктах, які є чи здаються холоднішими.

Машина часу з холодильником

Почнемо з останніх. Що означає "здаються холоднішими"? Всесвіт — найбільший ілюзіоніст. Він все навколо нас відкидає у минуле та охолоджує. І що далі ми вдивляємося — то сильніша космічна ілюзія.

Світло поширюється не миттєво, і з кінцевою швидкістю. Тому всі об'єкти ми бачимо не такими, якими є зараз, а такими, якими вони були в минулому, із затримкою на той час, який знадобився світлу, щоб дійти від них до нас. Сонце ми бачимо таким, яким воно було вісім хвилин тому. А галактики на краю Всесвіту, що спостерігається, ми бачимо в мільярдах років тому. На даний момент найдальшою виявленою галактикою вважається GN-z11 у сузір'ї Великої Ведмедиці. Ми бачимо її такою, якою вона була 13,4 млрд років тому — лише через 400 млн років після Великого вибуху, в якому народився Всесвіт. Утворена GN-z11 дуже молодими та гарячими блакитними зірками раннього покоління, їх вік всього близько 40 млн років.

Оскільки Всесвіт після Великого вибуху розширюється, то що далі галактики, то швидше вони тікають від нас. Галактики на краю Всесвіту, що спостерігається, тікають від нас з величезними швидкостями, порівнянними зі швидкістю світла. Через це їхнє світло відчуває дуже сильне червоне зміщення. Блакитне світло перших зірок приходить до нас зміщеним в інфрачервону область спектру. Хоча ці зірки дуже гарячі, але нам вони здаються ледь теплими. Так, галактика GN-z11 була виявлена в 2016 р. за допомогою космічного телескопа Hubble тільки завдяки тому, що він здатний бачити в ближньому інфрачервоному діапазоні.

Телескоп Webb за чутливістю до інфрачервоного випромінювання перевищує Hubble у 100 разів. Вчені розраховують, що це дозволить заглянути ще далі в минуле, в епоху 100-250 млн років після Великого вибуху. Там можна буде виявити народження перших зірок і докладно вивчити весь процес формування галактик.

Коли саме утворилися перші зірки, наразі невідомо. Це одне з питань, на які Webb має дати відповідь. Теорія передбачає, що перші зірки були в 30-300 разів масивніші за наше Сонце і в мільйони разів яскравіші, горіли всього кілька мільйонів років, перш ніж вибухнути як наднові і перетворитися на чорні діри.

Розуміння перших зірок має вирішальне значення для розуміння формування галактик. За останні десятиліття вчені переконалися, що у центрі кожної галактики знаходиться величезна чорна діра. Одна з гіпотез каже, що ці надмасивні чорні діри утворилися в результаті злиття безлічі чорних дір, на які перетворилися перші зірки. Чи це так, допоможе з'ясувати Webb.

Крім того, безпрецедентна інфрачервона чутливість Webb дозволить астрономам порівнювати найраніші крихітні зародки галактик із сьогоднішніми грандіозними спіральними та еліптичними формами, допомагаючи нам зрозуміти, як галактики формувалися протягом мільярдів років.

Найтемніші таємниці

Це, у свою чергу, дасть нам нову інформацію про темну матерію — найважливіший компонент галактик, поряд із зірками та чорними дірами. Комп'ютерні моделі, створені вченими для розуміння утворення галактик, показують, що вони створюються, коли темна матерія зливається в згустки. Темна матерія — це невидима форма матерії, загальна маса якої у Всесвіті в п'ять разів більша, ніж у звичайної матерії (тобто у зірок, планет та міжзоряного газу).

Вчені намагаються визначити, із чого складається темна матерія. І тут має прийти на допомогу телескоп Roman. Він внесе ясність, досліджуючи структуру та розподіл як звичайної, так і темної матерії у просторі та часі.

Хоча темна матерія невидима, вона взаємодіє зі звичайною матерією гравітаційно. Саме так вона і була виявлена ще у минулому столітті. Roman шукатиме прояви гравітаційного лінзування, коли згустки темної матерії спотворюють видимі форми далеких галактик. Місія вимірюватиме місце та кількість як звичайної, так і темної матерії в сотнях мільйонів галактик. Отримані дані дозволять вибрати між різними гіпотезами про природу темної матерії.

Якщо темна матерія складається з важких частинок, вона має за короткий час розбитися на грудки під дією власного тяжіння. У такому випадку Roman має побачити формування зародків галактик на самому початку космічної історії. Якщо темна матерія складається з більш легких і швидких частинок, потрібно більше часу, щоб осісти в згустки. У такому разі Roman зафіксує розвиток великомасштабних структур у пізнішу епоху. Якщо астрономи зможуть звузити коло кандидатів на частинки темної матерії, ми на крок ближче до того, щоб нарешті виявити їх безпосередньо в експериментах на Землі.

Ще одна загадка, яку допоможе розгадати Roman, це темна енергія, яка становить 72% від усієї енергії Всесвіту. Саме вона відповідальна за те, що Всесвіт прискорюється з розширенням. Це відкриття, зроблене шляхом виміру далеких наднових, було удостоєно Нобелівської премії з фізики за 2011 р. Але природа темної енергії досі викликає суперечки. Від того, хто має рацію, залежить ні багато ні мало термін життя Всесвіту. Згідно з однією популярною гіпотезою, через пару десятків мільярдів років під дією темної енергії Всесвіт може зазнати Великого розриву — феєричного апокаліпсису, в результаті якого все на світі (включаючи зірки, планети і навіть атоми) розірветься на частини.

Маючи таку ж різку роздільну здатність, як у Hubble, але поле зору в 100 разів більше, Roman буде створювати небачені раніше великі зображення Всесвіту. Нова місія проведе дослідження таємниці темної енергії способами, недоступними іншим телескопам, шляхом картування структури та розподілу матерії в космосі, а також шляхом вимірювання великої кількості далеких наднових. Результати покажуть, як темна енергія діє у Всесвіті і як він змінювався за космічну історію. І це дозволить визначити, який сценарій кінця світу найправдоподібніший.

Конвеєр для пошуку інопланетян

Крім світових таємниць, Webb і Roman будуть зайняті ще одним хвилюючим для людства питанням: чи самотні ми? Обидва телескопи шукатимуть екзопланети (тобто планети в інших зірок), які можуть бути придатними для життя.

На даний момент в результаті космічних та наземних спостережень зареєстровано вже 4846 екзопланет, що входять до складу 3582 планетних систем. Обсерваторія Webb візьметься за цю проблему ґрунтовно. Інфрачервоні спостереження дозволять досконально вивчити процес народження зірок та формування протопланетних дисків. Також Webb буде зайнятий пошуком екзопланет, визначенням їх мас та діаметрів. А головне, він розповість нам більше про їхні атмосфери та, можливо, навіть знайде будівельні блоки для життя.

Коли планета проходить перед зіркою, зоряне світло проходить через атмосферу планети. Атоми та молекули атмосфери залишають на спектрі світла своєрідні "відбитки пальців" — лінії поглинання. Перевага інфрачервоних спостережень у тому, що на інфрачервоних довжинах хвиль молекули у атмосферах екзопланет мають найбільше спектральних характеристик. Можна сподіватися, що Webb знайде планети з атмосферою, як у нас на Землі, і виявить сліди складних органічних молекул. Чим складнішими виявляться ці молекули, тим вища ймовірність, що їх виробили живі істоти.

Далі візьметься за справу телескоп Roman. Він просуне наше розуміння екзопланет за трьома додатковими напрямками.

По-перше, він перевірить на ефекти гравітаційного мікролінзування 200 млн зірок у напрямку центру нашої галактики. Астрономи очікують, що в результаті огляду будуть виявлені тисячі планет у зоні їх зірок.

По-друге, телескоп буде оснащений "зірковими окулярами" — коронографом, здатним блокувати відблиски зірок. Він дозволить отримати фотографії планет довколишніх зірок.

По-третє, Roman використовуватиме транзитний метод, відстежуючи зміни світності зірок. Астрономи очікують, що телескоп виявить до 100 тис. екзопланет, які періодично затуляють свої зірки, через що їхнє світло тьмяніє.

Космічне оригамі

James Webb Space Telescope – це спільний проєкт NASA, Європейського космічного агентства (ESA) та Канадського космічного агентства. Вони отримають відповідно 80, 15 та 5% робочого часу обсерваторії. Проєкт місії був розроблений ще 1996 р. Телескоп названий на честь Джеймса Вебба (1906-1992), який очолював NASA у 1961-1968 рр. та відповідав за реалізацію програми "Аполлон".

Спочатку запуск планувався на 2007 р., надалі багаторазово переносився. Складання апарату було закінчено лише у 2019 р. Період різноманітних випробувань завершився наприкінці серпня 2021 р.

8 вересня NASA, ESA та компанія Arianespace призначили запуск обсерваторії у космос на 18 грудня. Апарат буде запущений за допомогою ракети Ariane-5 із європейського космодрому у Французькій Гвіані.

Телескоп має велетенські розміри і завдав безліч турбот інженерам. 18 шестикутних дзеркал з берилію загальним діаметром 6,5 м покриті тонким шаром золота для оптимізації їх відбивної здатності в інфрачервоному діапазоні. Заслоняти обсерваторію від сонячного випромінювання буде розгортаємий п'ятишаровий сонцезахисний екран розміром 21 на 14 м. Телескоп настільки великий, що його будуть змушені скласти, як оригамі, щоб вмістити в ракету, діаметр якої становить 5,4 м.

Після виведення в космос телескоп розпочне чотиритижневий політ до другої точки Лагранжа в системі Сонце — Земля, де й працюватиме. Коли Webb досягне пункту призначення, його сегменти будуть розкриті один за одним. Приладам потрібно буде охолонути, це займе чимало часу. Потім вони пройдуть низку "тренувальних вправ" і лише після цього будуть введені в експлуатацію. Сумарно між запуском та отриманням першої наукової інформації пройде близько пів року. Термін роботи телескопа має становити не менше п'яти років.

Nancy Grace Roman Space Telescope — проєкт NASA, розроблений у 2010 р. Телескоп названий на честь Ненсі Грейс Роман (1925-2018), яка пропрацювала в NASA 21 рік і вважається матір'ю космічного телескопа Hubble. Головне дзеркало телескопа Roman діаметром 2,4 м готове. Очікується, що польотне обладнання буде готове у 2024 р., після чого розпочнеться складання всього телескопа та його випробування.

Запуск обсерваторії Roman планується здійснити не пізніше травня 2027 р. за допомогою американської ракети з космодрому на мисі Канаверал (штат Флорида). Термін роботи телескопа повинен становити теж не менше п'яти років.