«Джеймс Уэбб»: 35 лет от задумки до первого снимка

14.07.2022

25 декабря 2021 года ракета «Ариан-5» взмыла со стартовой площадки ELA-3 космодрома Куру в Гвианском космическом центре. Через 25 минут двухступенчатая ракета отправила полезную нагрузку по заданной траектории в глубокий космос. Через несколько минут от второй ступени ракеты отделился и начал самостоятельный полёт космический телескоп «Джеймс Уэбб». Всего через полчаса после того, как обсерватория покинула Землю, она развернула солнечные панели.

За следующие полгода телескоп прибыл в точку Лагранжа L₂, охладил свои системы и прошёл долгий процесс калибровки. 12 июля 2022 года НАСА показало первые снимки и опубликовало научные данные обсерватории.

Этому событию предшествовали долгие этапы планирования, разработки и реализации, многочисленные сдвиги сроков запуска и серьёзные намерения отменить проект полностью. О самой идее подобного телескопа задумались ещё в конце восьмидесятых, но реальностью она стала лишь 35 лет спустя.

Полномасштабная модель телескопа, которую Northrop Grumman построила в 2005 году и демонстрировала в различных городах США

Часть 1. Шаг в десятилетия

Как идея телескоп в космосе упоминается ещё в книге 1923 года немецкого специалиста Германа Оберта «Ракета для межпланетного пространства». Мечтать об астрономии на орбите на тот момент было рано. До Второй мировой войны ракеты оставались капризными и неточными созданиями, которые годились в лучшем случае в качестве экзотического вооружения, а не средства надёжной доставки дорогих и хрупких астрономических приборов.

Через два десятилетия Германия заметно продвинулась в разработке устройств на реактивной тяге, когда работала над «оружием возмездия».

«Фау-2» летает по баллистической траектории, покидает и затем обратно входит в атмосферу. Эта ракета доставляла не научные приборы на орбиту, а 800 килограммов аммотола по Антверпену и Лондону. Зато эта ракета доказала, что всё возможно — так, по крайней мере, говорил американец Лайман Спитцер, подготовивший в 1946 году для экспертно-аналитического центра РЭНД отчёт «Астрономические преимущества внеземной обсерватории».

В годы войны Спитцер работал над сонарами, а в 1947 году в возрасте 33 лет занял кресло председателя департамента астрофизических наук Принстонского университета. За свою жизнь Лайман Спитцер оставил заметный вклад в физику плазмы и исследования межзвёздной среды, но самое его большое достижение — популяризация идеи космического телескопа. Его имя носит космическая обсерватория для наблюдения в инфракрасном диапазоне, запущенная в 2003 году.

Однако в 1946 году замысел Лаймана Спитцера отдавал научной фантастикой. В телескопе Хейла на тот момент ещё строящейся Паломарской обсерватории диаметр зеркала составлял 5.08 метра. И это был крупнейший в мире телескоп, который находился на горе в Калифорнии, а не в космосе. Отчёт Спитцера же предлагал запустить на орбиту телескоп диаметром от 5 до 15 метров. Тогда не существовали технологии строительства объекта такого размера, запуска и управления его работой.

Тем не менее уже в 1946 году Спитцер разглядел два основных преимущества: возможность наблюдения тех областей спектра, которые обычно поглощает атмосфера Земли, и высокая разрешающая способность. К примеру, тот же пятиметровый телескоп Хейла, окажись он вакууме космоса, в теории обладал бы разрешающей способностью 0.02″ — это как разглядеть монету с примерно 200 км. В реальности атмосфера сводит точность телескопа до 0,5″ при самых благоприятных погодных условиях.

Десятилетие спустя, 4 октября 1957 года, советский «Спутник-1» полетел в космос. Угроза технологического отставания от СССР заставила США собрать разрозненных исследователей космоса и любителей реактивного движения в один могучий кулак. В июне 1958 года Национальная академия наук созывает совет по вопросу формирования гражданского космического агентства. В следующем месяце президент Эйзенхауэр подписывает указ о создании Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства. 1 октября 1958 года имущество, сотрудников и бюджет Национального консультативного комитета по воздухоплаванию (NACA), государственного агентства с 43-летней историей, отдают свежеобразованному НАСА.

Уже после первой встречи в июне (то есть ещё до официального формирования НАСА) учёных по всем США попросили придумать эксперименты для искусственного спутника Земли.

Посыпались заявки. В том числе откликнулся Джеймс Куппериан мл., физик Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне. Предложение Куппериана описывало проект как Orbiting Astronomical Observatories («орбитальные астрономические обсерватории»). В следующем году Куппериан закрепился в НАСА, а «OAO» взяли в работу.

По рекомендации экспертов-астрономов в качестве основной функции аппаратов серии «OAO» выбрали измерение ультрафиолетового излучения звёзд. Дело в том, что атмосфера Земли хорошо поглощает ультрафиолет, поэтому наблюдать его получалось разве что в суборбитальном полёте по пять минут выдержки за один раз. До первого успешного телескопа «OAO» за 40 полётов ракет-зондов удалось собрать всего 3 часа звёздного неба в ультрафиолете. «ОАО» передавал больше данных за сутки.

Персонал в чистой комнате проводит предполётную проверку аппарата «OAO-2», НАСА

Десятилетие ушло на реализацию. Сказывалась загруженность НАСА пожиравшей все ресурсы программой «Аполлон». От агентства в первую очередь требовали высадить американца на Луну, поэтому космические обсерватории ушли в низкий приоритет. В таких условиях разработка и запуск даже относительно небольшого двухтонного аппарата растянулись.

К тому же телескоп на орбите с первого раза не получился: запущенный в 1966 году аппарат «OAO-1» за 20 витков так и не раскрыл солнечные панели, и ни один из экспериментов на борту активирован не был.

Лишь 7 декабря 1968 года НАСА запустило первый в истории космический телескоп в ультрафиолетовом диапазоне «ОАО-2». Через три года, в 1971, СССР также запустил подобный телескоп — прибор «Орион-1» долговременной орбитальной станции «Салют-1».

Часть 2. 1985–1990. Задумка

Задумываться о проекте покрупнее в НАСА начали в 1965 году: агентство созвало комитет во главе со Спитцером и попросило указать возможные проекты. В 1970 году НАСА создаёт ещё два комитета: один для проектирования телескопа, перед вторым ставят задачу определить возможные научные цели.

Изначально запуск «Хаббла» намечали на 1979 год, но в 1974 программу телескопа попросту вычеркнули из бюджета. Ценой невероятных усилий американских астрономов и полноценного лобби-турне Спитцера и астрофизика Джона Бакала удалось выбить хотя бы половину из изначально запрашиваемого.

Полировка заготовки для главного зеркала началась в 1979 году и закончилась только в 1981. В том же году НАСА создало Институт исследований космоса с помощью космического телескопа. Этой организации отходит функция управления и организации исследований с помощью ещё не запущенного «Хаббла». Полувизионерскую должность первого директора Института доверили астрофизику Риккардо Джаккони.

Запуск телескопа год от года откладывали, но Институт уже вовсю работал.

То ли в 1986, то ли в 1987 году Джаккони вызвал в кабинет своего заместителя — Гарта Иллингуорта. Джаккони поделился мучившими его опасениями: от задумки до реализации проходит больше 15 лет — а именно таким проектировался ресурс работы «Хаббла». Чтобы не создавать паузу в несколько лет в астрономии, начинать работу над телескопом-преемником нужно немедленно, говорил Джаккони.

Иллингуорт не соглашался и даже писал позднее, что задумываться о замене «Хаббла» ещё до запуска казалось безумием. Эта беседа произошла уже после катастрофы «Челленджера» 28 января 1986 года с потерей экипажа, после которой весь флот космических челноков поставили на прикол, а «Хаббл» — в консервацию в азот. К тому же телескоп и наземные системы управления ещё нуждались в доработке.

Часть сотрудников Института, 1987 год. Слева направо: Риккардо Джаккони (второй, в пиджаке), Гарт Иллингуорт (шестой, в очках с затемнёнными линзами), Питер Стокман (седьмой)

Тем не менее идти против авторитета решений итальяно-американца Джаккони было бессмысленно — он наработал большой опыт в области спутникостроения и заложил достаточно кирпичей в основу рентгеновской астрономии, чтобы позднее, в 2002 году, хватило на Нобелевскую премию.

Поэтому Иллингуорт привлёк для мозгового штурма инженера Пьера Бели [Pierre Bely] и главу отдела исследований Института — Питера Стокмана. «Джеймс Уэбб» получился словно по избитой формуле сюжета анекдота: итальянец заставил что-то придумать австралийца, француза и американца.

Пьер-Ив Бели, 1987 год

Для начала троица определила научные цели.

Солнце неравномерно нагревает вращающийся вокруг Земли «Хаббл», но температура зеркал телескопа поддерживается равномерной и постоянной на уровне около 300 K. Это помогает избежать ненужных искажений из-за крошечных механических сдвигов — зеркала «Хаббла» предельно точные и полировались с допуском в 10 нанометров, ¹/₆₅ длины волны красного цвета. С другой стороны, выбор такого температурного режима ограничивает производительность в инфракрасном диапазоне.

Поэтому от телескопа следующего поколения хотелось больших возможностей именно в инфракрасном диапазоне. Это нужно, к примеру, чтобы посмотреть за облака пыли вблизи молодых звёзд и разглядеть их протопланетный диск, что улучшит понимание зарождения жизни.

Любой тёплый объект излучает инфракрасное излучение, длина волны которого диктуется температурой. Чтобы инфракрасный телескоп не засветил собой получаемое изображение, его придётся охладить до низких, даже криогенных температур.

Пьер Бели. Набросок на клочке бумаги указывает расположение основных элементов телескопа. Слева направо: в темноту космоса телескоп излучает тепло, охлаждая сегментированное зеркало до 50 К, укрытое теплозащитным экраном от Солнца, Земли и Луны

Так совпало, что за год до этого Пьер Бели и Иллингуорт прорабатывали кардинально новый принцип работы большого инфракрасного телескопа: пассивное охлаждение. Защищённые от лучей Солнца структуры телескопа рассеивали бы лишнее тепло в космос — без расхода хладагента гелия, как это сделано в случае инфракрасного телескопа «Спитцер».

В январе 1987 на встрече Общества оптики и фотоники инженер Пьер Бели представил работу, где предлагал 10-метровый инфракрасный телескоп с температурой работы около 130 K.

Пьер Бели, 1985 год. Ранний набросок оптимистично указывает на возможных партнёров проекта

Ещё один всплеск активности в разработке концепции «Джеймса Уэбба» случился в 1989 году, за год до запуска «Хаббла». С 13 по 15 сентября Институт, представители ЕКА (Европейского космического агентства) и нескольких центров НАСА провели воркшоп Next Generation Space Telescope, буквально «космический телескоп следующего поколения». Сокращённое название воркшопа — NGST — надолго закрепится за проектом.

Любопытно, как развивался язык: если «ОАО» получился по рекомендации учёных, «Хаббл» придумали комитеты, то «Джеймс Уэбб» родился в результате новомодного воркшопа.

1989 год, симуляция изображения спиральной галактики NGC 2903 от «Хаббла» после трёх витков вокруг Земли (около 5 часов) и 2 часов работы NGST. Изображение Джима Ганна также попало на обложку книги с результатами воркшопа

Впрочем, даже вдали от кругов астрономов и специалистов по оптике идея телескопа-последователя, казалось, витала в воздухе. За два месяца до воркшопа в 1989 году президент США Джордж Буш — старший сделал упор на лунные проекты, поэтому НАСА попросило включить в воркшоп обсуждения телескопа на поверхности Луны. Хотя телескоп с диаметром главного зеркала 16 метров для Луны обсуждался, эта идея заглохла в начале девяностых. Даже в 1989 основной фокус обсуждения был на 10-метровом космическом телескопе NGST.

Концепция 16-метрового NGST на Луне из сегментированных зеркал. Художник не забыл рельсы системы защиты телескопа, которая наезжала и накрывала бы его на время лунного дня

В рамках экспертной группы по космосу в «Десятилетнем обзоре планетарной науки» 1990 года звучит первая оценка стоимости: телескоп с диаметром главного зеркала 6 метров — всего за $2 миллиарда (около $4,3 млрд сегодня). Начать строительство предлагалось в 1998 году, запускать — в 2009.

Кстати, «Десятилетний обзор» 2000 года оценивает стоимость NGST уже в миллиард. Как предположил Иллингуорт, так сделали, чтобы угодить политической обстановке и не угробить проект раньше времени.

В «Обзоре» 1990 года даётся рекомендуемая дата запуска: начало следующего десятилетия (то есть ранние нулевые). Это был тот же 10-метровый телескоп NGST, разве что выполненный с зеркалом более скромного размера диаметром 6 метров. Мельче 6 метров идти было уже нельзя: дальнейшее уменьшение оборачивалось низким разрешением в среднем инфракрасном диапазоне.

Телескоп NGST с диаметром главного зеркала 6 метров. Изображения с концептом для «Десятилетного обзора планетарной науки» 1990 года кардинально отличается от конечного облика «Джеймса Уэбба»

4 и 5 марта 1991 года Astrotech 21 проводит в Пасадине воркшоп по NGST. Отсюда появляется рекомендация расположить телескоп подальше от Земли, а не на низкой орбите, как это сделано в случае «Хаббла».

Высокая орбита несовместима с полётами по обслуживанию телескопа, поскольку в шаттлы не заложена возможность работать настолько высоко. Теоретический «потолок» круговой орбиты шаттла — 643 км.

Часть 3. 1996–2002. Планирование

Проверенный на практике максимум высоты работы шаттла — 621 км. Его достиг «Дискавери», когда выводил «Хаббл» на орбиту в апреле 1990 года.

Даже после запуска не получилось выдохнуть и переключиться на новый телескоп. На несколько лет про NGST пришлось забыть.

Первые снимки с «Хаббла» показали катастрофический дефект главного зеркала, приводивший к сильной сферической аберрации. Производитель зеркала — фирма «Перкин-Элмер» — допустила ошибку во время монтажа главного нуль-корректора, устройства, которое помогает достичь нужного параметра кривизны поверхности. Одна из линз нуль-корректора был сдвинута на 1,3 миллиметра. В итоге зеркало получилось очень точным, но не той формы.

Все усилия были брошены на поиски решения проблемы. Убрать размытость снимков фотошопом? Не получится. Поменять на орбите зеркало? Невозможно. Спускать на Землю телескоп в грузовом отсеке шаттла для починки? Слишком дорого и долго.

К счастью, конструкция «Хаббла» предполагала техническое обслуживание, первое — уже в 1993 году. Для телескопа пришлось сделать «очки» — набор корректирующей оптики COSTAR.

Фотография «Хаббла» галактики М 100 до и после установки систем коррекции

Кроме починки «Хаббла» думать о последователе мешала экономическая ситуация в стране.

В начале девяностых из-за вторжения Ирака в Кувейт нефть подскочила в цене с $17 до $36 за баррель и оставалась дорогой около девяти месяцев. Это наложилось на ослабленную американскую экономику, зажатую строгими мерами 1988 года монетарной политики Федеральной резервной системы США, пытавшейся сдержать инфляцию восьмидесятых.

В результате сложных макроэкономических процессов произошла рецессия и рост безработицы. Например, предприятия американской оборонки сократили более 10% сотрудников — какой тут телескоп за два миллиарда?

Работы над NGST возобновились лишь к началу 1996 года, но теперь речь всерьёз зашла о бюджетах, а не набросках карандашом. В мае комитет Ассоциации университетов по исследованию в области астрономии и НАСА опубликовали длившееся 2,5 года исследование HST & Beyond (буквально «Космический телескоп “Хаббл” и дальнейшее развитие»). Отчёт рекомендовал продлить срок службы «Хаббла» до 2010 года и параллельно разработать на замену космическую обсерваторию с аппертурой 4 метра, чтобы не прерывать исследования процессов зарождения небесных тел и жизни.

Размер в 4 метра многим из участников проекта NGST показался малым улучшением относительно 2,4-метрового «Хаббла». К счастью, новый (с 1 апреля 1992 года) администратор НАСА Даниэль Голдин предложил не мелочиться. Голдин активно продвигал лозунг «быстрее, лучше, дешевле» и положительно оценил смелые решения с сегментированным зеркалом большого диаметра.

Скромность четырёхметровой просьбы удивила Голдина. Взамен он рекомендовал увеличить диаметр до 6 или 7 метров. В последующем работы по концепции продолжались на уровне 6—8 метров.

Общая конструкция

В 1997 году НАСА отбирает команды из Центра космических полётов Годдарда, компании TRW и Ball Aerospace для уточнения технических и финансовых требований телескопа. Для исследования возможности постройки такого аппарата проекты запросили у четырёх организаций: трёх из списка выше и Lockheed Martin.

Варианты облика телескопа NGST от различных организаций, 8 июня 1998 года, ЕКА

Команда под руководством Центра Годдарда предложила легковесную конструкцию с разворачиваемым зеркалом диаметром почти 8 метров. Укрывшись за солнечного света огромным защитным экраном, такой телескоп сможет охладиться до 50—90 K и увидеть 40% небосвода в любой момент времени, обещали авторы.

Проект Ball Aerospace содержал четыре экрана, уложенных слоями, за которыми прячется круглое раскладывающееся зеркало на шарнирной структуре. Если подобный аппарат будет менять свою ориентацию, закрывая инструменты от Солнца, он будет видеть половину неба в любой момент времени.

Проект компании TRW предлагал развернуть на орбите шесть шестиугольных зеркал по 3 метра между гранями, расположенных вокруг седьмого неподвижного шестиугольника. Как и в проекте Ball Aerospace, здесь обещали увидеть половину небосвода в любой момент времени.

Компания Lockheed Martin сделала упор на простоту конструкции: монолитное шестиметровое зеркало с кольцами металлического экрана защищало от лучей Солнца. Если все другие проекты развивали идеи Пьера Бели и Питера Стокмана с конструкцией без корпуса вокруг зеркала и размещением телескопа в точке Лагранжа L₂, то Lockheed Martin просила запустить свою конструкцию по высокоэллиптической орбите вокруг Солнца с апоцентром в 3 астрономические единицы — выше орбиты Марса, почти у границ астероидного пояса. Обосновывалось это тем, что на таком расстоянии интенсивность солнечного излучения в 10—30 раз меньше, чем вблизи Земли. Обратная сторона медали: аппарату на такой орбите нужны огромные солнечные панели для работы и мощные антенны связи.

В ходе оценки запуск запланировали на 2007 год. Исследование затрат утверждало, что телескоп можно изготовить за $500 млн, но только в том случае, если проект отдать одному подрядчику. Это предполагает, что одна компания занялась бы изготовлением и телескопа, и его научных инструментов. Конечно, идея с одним подрядчиком или хотя бы одним подрядчиком для научной аппаратуры со случившейся реальностью не имеет ничего общего.

Многие из компаний, занимавшихся «Уэббом», не дожили до наших дней в исходном виде. К примеру, в 2002 году Northrop Grumman закончила процедуру враждебного поглощения основного подрядчика проекта — TRW — и взяла на себя соответствующие роли в проекте. Кстати, некоторые из ветеранов TRW (к примеру, техлид, операционный директор или вици-президент по инженерному обеспечению) ушли в некий стартап Space Exploration Technologies Corp., основанный в марте того же года предпринимателем из ЮАР.

Крупнейший в мире переработчик бериллия Brush Wellman в 2011 сменил название на Materion. В 2003 году эта компания хвасталась контрактом а $15 млн на бериллий марки O-30 (оптического класса), который будут поставлять различным субподрядчикам Northrop Grumman. За этим небольшим пресс-релизом скрывается череда испытаний программы Advanced Mirror System Demonstrator (AMSD), которую НАСА провело на ранней фазе проектирования телескопа.

Фрагмент презентации сотрудника НАСА

Испытания AMSD с бюджетом $20 млн (финансированы НАСА, ВВС США и Национальным управлением военно-космической разведки США) определили архитектуру зеркал «Уэбба», их конструкцию и материалы. Воронка испытания работала на фильтр: материалы и предложения отбрасывали. В 1999 году первый этап AMSD оценивал нужную форму зеркал. Для этого у 5 компаний заказали суммарно 8 различных видов конструкций зеркал, из которых отобрали 4 архитектуры для последующих туров.

В 2000 году исследование AMSD вышло во вторую фазу конкурса, который проводили между тремя компаниями: Ball Aerospace, Goodrich и Eastman Kodak. Компании получили по $3 млн для изготовления образцов зеркал.

Хотя в прошлом Goodrich выполняла заказ на главное зеркало (0,8 метра в диаметре) инфракрасного космического телескопа «Спитцер» из бериллия, для теста инженеры компании предоставили зеркало диаметром 1,38 метра из кварцевого стекла. (Позднее Goodrich из AMSD выходит, и в испытании остаются два других образца.)

Ball выполнила шестиугольное 1.39-метровое зеркало из бериллия.

Kodak изготовила 1,3-метровый шестиугольник из специального стекла сверхнизкого расширения.

Зеркала прошли много разных тестов. По результатам полугода оценочной работы специалисты Northrop Grumman выбрали бериллий: металлу были не так страшны микрометеориты, при планируемой температуре работы телескопа (30 K) он показал преимущества в коэффициенте теплового расширения, теплопроводности и так далее. Напротив, со стеклом возникали проблемы, и вариант с ним получался тяжелее. Кроме собственно физических параметров учитывали стоимость, график производства, доступные для обработки установки и персонал.

Фрагмент презентации Центра космических полётов Годдарда

Финальный облик

Пока НАСА выбирало подрядчиков и пыталось определиться с ценой, исследователи создавали симуляции для научной работы инструментов NGST и увеличивали требования к его приборам.

Например, симуляции Массимо Стиавелли показали, что NGST нужны технические возможности для мультиобъектной спектроскопии. Изображение вида Hubble Deep Field ещё поддаётся астрономической спектроскопии с поверхности Земли телескопом с аппертурой 8 метров. Для галактик с высоким красным смещением, которые найдутся с помощью NGST в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, это работать уже не будет из-за атмосферных загрязнений. (На Тридцатиметровый и более крупные телескопы тогда никто не рассчитывал.)

Говоря проще, если интересна не только морфология (форма) или фотометрия (цвет) объекта, то спектроскопией будущий телескоп должен заниматься сам. Это ещё один научный прибор на космической обсерватории и ещё один пунктик на сотни миллиончиков в бюджете аппарата.

НАСА согласилось выделить деньги на дополнительные научные исследования по уточнению технических и финансовых требований для телескопа.

К концу девяностых проект продолжает проходить череду корректировок. Для него рекомендуют научные инструменты: широкоугольную камеру в ближнем инфракрасном диапазоне, мультиобъектный спектрограф для 100 объектов, камеру общего назначения для среднего инфракрасного диапазона и спектрограф. Идёт разработка новых технологий: приводы для работы при сверхнизких температурах, датчики и логика управления, легковесные зеркала.

«Хаббл» — совместный проект НАСА и ЕКА. Для NGST также определили кандидатов в партнёры: Европейское и Канадское космические агентства. ЕКА подпишет официальное соглашение лишь в 2007 году, но неформальное согласие на запуск «Уэбба» на ракете «Ариан-5» даст ещё на рубеже 2002—2003. В новостных рассылках о запуске на «Ариане-5» начнут говорить (стр. 3) в сентябре того же года. В обмен на ракету европейские учёные получают 15% времени наблюдений на телескопе.

Так в 1999 году представляли законченный телескоп «Джеймс Уэбб». ЕКА

К 2000 году проект NGST проводит оценку стоимости и следования графику. Выяснилось, что предлагаемая конструкция вышла за бюджет на несколько сотен миллионов долларов и к запуску даже в 2008 году готова не будет.

В декабре 2000 года закрыли проект Nexus — это был космический телескоп для демонстрации принципов работы «Джеймса Уэбба». Nexus предлагали запустить в 2004 году, но денег на маленького «Уэбба» просто не выделили. От проекта остались лишь несколько файлов Matlab и модели Simulink на сайте Массачусетского технологического института.

Как и «Уэбб», Nexus хотели запускать в сложенном состоянии. News Nine

11 сентября 2002 года TRW получает контракт на $824,8 млн на проектирование и строительство космической обсерватории для размещения в точке Лагранжа L₂, в 1,5 млн км от Земли. Запуск планируется на июнь 2010 года.

В том же месяце проект переименовывают в JWST, James Webb Space Telescope, космический телескоп «Джеймс Уэбб». При управлении Джеймса Уэбба НАСА выросло из набора небольших исследовательских центров в то, что существует сегодня.

За семь лет на посту администратора НАСА в шестидесятых Уэбб сумел сдержать напор требований сфокусироваться на программе «Аполлон» и продолжал поддерживать программы научных исследований «Маринер» и «Пионер». Уэбб — не какой-то яростный защитник науки, а типичный американский чиновник с правильными связями в Вашингтоне, но он не считал космическую программу лишь политической гонкой. Именно поэтому Уэбб оберегал беспилотные программы, ставившие целью исследование планет и межпланетного пространства.

Решение назвать телескоп в честь крупного начальника понравилось не всем. До этого астрономические аппараты получали имена астрономов.

Часть 4. 2003–2009. Уточнение конструкции

В сентябре 2003 года проект прошёл процедуру Initial Confirmation Review. 10 сентября 2003 года НАСА утвердило архитектуру зеркал «Джеймса Уэбба». На телескоп решили поставить 6,5-метровое основное зеркало из бериллия. Хотя в пресс-релизах ещё показывали старые рендеры, для «Уэбба» уже выбрали 18-зеркальную конфигурацию, которая у него и окажется в итоге. 18 сегментов убирают лишние риски и делают функцию рассеяния точки чище.

36-сегментное зеркало «Джеймса Уэбба» так, как его показывали в пресс-релизах 10 сентября 2003 года, Hubblesite

В рамках контракта Northrop Grumman обязуется изготовить основные части космической обсерватории: платформу спутника (Spacecraft Bus) и элемент, соединяющий её с оптическим инструментом Optical Telescope Element (OTE), солнцезащитный экран и механизмы его разворачивания Mid Boom Assembly.

Но вообще в проекте приняло участие много частных компаний и исследовательских институтов. На странице НАСА со списком партнёров «Уэбба» перечислены 308 организаций.

Основные элементы обсерватории, НАСА

К примеру, для производства зеркал основной подрядчик строительства — компания Northrop Grumman — рекомендовал субпорядчика Ball Aerospace. Ball изготавливает OTE и модуль с научными приборами Integrated Science Instrument Module (ISIM). Сами приборы предоставляют исследовательские институты и другие партнёры НАСА. Затем приборы интегрируют в ISIM.

Инструменты ISIM, НАСА

В ISIM находится четыре основных инструмента — NIRCam, NIRSpec, MIRI и FGS/NIRISS. Каждый из них предоставил партнёр проекта.

NIRCam

Тестовый образец NIRCam, на котором видны внутренние оптические элементы камеры

Разработку основной камеры телескопа — NIRCam — поручили Аризонскому университету, Lockheed Martin и Rockwell Scientific. Последнюю в 2006 году поглотила Teledyne Technologies. Вообще, калифорнийское подразделение Teledyne Imaging Sensors в итоге поставляет матрицы для трёх из четырёх инструментов: NIRCam, NIRSpec и FGS/NIRISS.

Схема NIRCam из отчёта. Пучок света проходит через коронограф (2) и дихроичный светоделитель (5). На его пути встречаются фильтры длинноволновых (6) или коротковолновых (9) матриц, затем он попадает в сборку длинноволновых (8) или коротковолновых (13) матриц. Линзы инструмента (7, 10), в том числе коллиматорные (4), выполнены из фторида лития, фторида бария и селенида цинка

NIRCam — основные «глаза» телескопа. Смотрит камера матрицами HAWAII, которые Teledyne разработала в сотрудничестве с Гавайским университетом. Матрицы HAWAII хорошо себя зарекомендовали в астрономии для работы с инфракрасным диапазоном: они стоят, к примеру, в Очень большом телескопе в Чили, а в инфракрасной камере Four Star 6,5-метровых Магеллановых телескопов установлены такие же матрицы, что и в «Уэббе».

Матрица HAWAII 2RG. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

В NIRCam поставили 10 матриц H2RG:

8 датчиков работают в ближнем инфракрасном диапазоне (от видимого красного, 0,6 мкм, до 2,3-мкм инфракрасного);
2 — в среднем инфракрасном диапазоне (2,4—5 мкм).

Как следует из бэкронима в названии (HgCdTe Astronomical Wide Area Infrared Imager, HAWAII), матрицы ртутно-кадмиево-теллуридные. Варьированием соотношения ртути к кадмию в материале матриц получают модели, которые регистрируют различные диапазоны инфракрасного излучения. Цифра 2 означает разрешение 2048×2048 пикселей, размер пикселя составляет 18 мкм. Буква R в названии модели указывает, что у матриц есть референсные пиксели: картинку дают квадраты по 2040×2040 пикселей, а калибровочная рамка в 4 пикселя нужна для измерения температурного дрейфа и дрейфа напряжения.

Эпитет «глаза» к месту: для повышения надёжности у инструмента две (A и B) независимых сборки датчиков, где упакованы четыре коротковолновых матрицы (1, 2, 3, 4) в комбинации 2×2 и одна длинноволновая (5). Хотя матрицы резервируют друг друга, они работают не попеременно, а одновременно, разглядывая два крошечных квадратика (2,2’×2,2′) неба рядом друг с другом словно глаза человека. Соответственно, у длинноволновой матрицы размер пикселя составляет 0,063″, а коротковолновая в два раза точнее (0,031″). Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Угол обзора NIRCam. Маски коронографа проецируют картинку на модуль A. Коротковолновый и длинноволновый датчики каждого из модулей получают один и тот же кусок неба. Четыре матрицы для ближнего инфракрасного диапазона смонтированы с зазором в ≈4″. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Четыре матрицы H2RG в смонтированном виде. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

За время разработки телескопа матрицы успели если не устареть, то по крайней мере потерять передовой статус. В 2012 году Гавайский университет отчитался об успешном получении изображения с 16-мегапиксельной матрицы HAWAII 4RG-15, в четыре раза более чёткой, чем та H2RG, что установлена в «Уэббе».

Работу каждой матрицы контролирует SIDECAR (system image, digitizing, enhancing, controlling, and retrieving). Это чип с низким энергопотреблением и криогенным режимом работы, разработанный специально для H2RG. Впрочем, последнее никак не помешало поставить его в инструмент Advanced Camera for Surveys, который работает в телескопе «Хаббл» с 2009 года.

Микросхема SIDECAR, Teledyne Imaging

SIDECAR каждой матрицы «Уэбба» получает 16 бит из каждого пикселя на скорости 100 кГц. Поскольку SIDECAR — это интегральная схема специального назначения (ASIC), то он крайне энергоэффективен. В «Уэббе» он потребляет 11 милливатт энергии при температуре работы 37 K. Именно низкое энергопотребление (то есть и тепловыделение) SIDECAR допускает его расположение в криогенной части. Большинство остальной электроники управления располагается в тёплой (300 K) секции обсерватории и управляет работой по шинам стандартов Spacebus и IEEE 1553.

У «глаз» «Уэбба» есть зрачки и фильтры. Свет для каждых из двух модулей проходит через два набора фильтров и/или линз, расположенные на двух барабанах по 12 штук. На барабанах расположены как разнообразные фильтры, так и линзы для дефокусировки источника. Барабаны вращаются, смена используемых фильтров происходит по револьверному принципу.

Схема барабанов зрачков и фильтров NIRCam, пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Конструкция NIRCam заметно развивалась ещё до привлечения Rockwell. В «Архиве Интернета» сохранилась страничка с сайта Аризонского университета от февраля 2003 года, на которой заметно, что когда-то рассматривались матрицы из антимонида индия. В последующие годы страница проекта продолжает обновляться, описание архитектуры приходит к тому виду, который реализовали в телескопе.

Вообще, в Интернете начала нулевых много докладов про прибор. Есть даже отчёт некоего Брюса Стикли, который сравнил процесс инженерного проектирования NIRCam с выпечкой лазаньи и снабдил документ соответствующими фотографиями со своей кухни.

Хотя в 2003 году в расписании значился запуск всего телескопа в 2011, даже основная камера телескопа NIRCam будет готова лишь в 2012.

MIRI

Сдвиги сроков просто так не происходят — их замечают и анализируют, а менеджеры пытаются удержать проект в дедлайнах.

В ноябре 2002 года НАСА попросило менеджеров проекта, учёных и Northrop Grumman взять под контроль план работ и рост бюджета. В начале 2003 года «Джеймс Уэбб» пересматривали, чтобы успеть хотя бы к 2011 году с оценкой в $1,6 млрд. В процессе обсуждений телескоп чуть не лишился одного из своих инструментов.

MIRI — совместный проект НАСА и ЕКА. В бюджете НАСА на тот момент он значился заметным вложением в $100 млн, поэтому вполне естественно, что прибор стал кандидатом на вылет. А ещё вычеркнуть лишнюю строку расходов стоило с политической точки зрения. На тот момент НАСА как раз было неплохо показать умение распоряжаться деньгами, поскольку при строительстве Международной космической станции агентство заметно вышло за бюджеты.

Когда зашла речь об исключении MIRI из программы, астрономы взвыли. Инструмент требовали оставить даже ценой дополнительной задержки в два года. Прозвучала просьба хотя бы проконсультироваться с научным сообществом до принятия каких-либо решений. MIRI в открытую называли критическим элементом успеха программы.

MIRI на «Уэббе» по той или иной причине остался. И это хорошо, поскольку увещевания астрономов действительно имели под собой основания.

НАСА

Нагляднее всего важность MIRI демонстрирует иллюстрация с восприятием инфракрасного диапазона инструментами «Уэбба». Три из четырёх инструментов «видят» ближний инфракрасный диапазон, и лишь MIRI «смотрит» волны от 4,9 до 28,8 мкм, то есть покрывает средний инфракрасный.

Для работы детектора в таком диапазоне нужны температуры не выше 6,7 К. Остальным приборам хватает пассивного охлаждения и температуры в 37 К, которая достигается, если укрыться от жара Солнца многослойным одеялом и охладиться, излучив свою теплоту в темноту космоса. Для MIRI такого недостаточно, поэтому в пассивно охлаждаемом телескопе всё же установлен небольшой активный криоохладитель.

В начале разработки MIRI в конце девяностых концепция включала криоохладитель производства на технологии цикла турбо-Брайтон (Turbo-Brayton) по типу того, что установлен в инструменте NICMOS в «Хаббле». В 1999 году Центр космических полётов Годдарда заказал исследование у Ball и Lockheed Martin, целью которого было выяснить возможную технологию охлаждения: либо механический охладитель, либо запас холодного тела в сосуде Дьюара. Говоря проще, на телескоп хотели поставить 250-килограммовый термос с жидким водородом.

Инженеры поломали голову над вопросами, где расположить сосуд в ISIM, как проработать 5,5 лет и как попасть в требование выдержать после заправки аппарата расходниками 78-часовое ожидание запуска на Земле, которое накладывала ракета «Ариан-5».

План MIRI с сосудом Дьюара, НАСА

Параллельно с этим в 2001 году НАСА начинает программу Advanced Cryocooler Technology Development Program (ACTDP) под контролем Лаборатории реактивного движения. Программа исследует возможность создания активного охладителя, который длительное время может поддерживать космические системы на температуре 6 К. Разнообразные концепции представили Ball, TRW, Lockheed Martin и Creare; первым трём выдали контракты на прототипы.

К 2005 году проблемы массы «Джеймса Уэбба» наложились на техническую реализуемость альтернативного решения. Охлаждение с сосудом Дьюара даже успело пройти важную веху — предварительный анализ проекта, — но через две недели для MIRI решили делать «холодильник» с движущимися частями. В апреле 2006 года $22-миллионный контракт на изготовление криоохлаждения получает Northrop Grumman. (К 2015 году этот контракт раздуется до $150 млн.)

Гибридный охладитель для MIRI учитывает требование свести вибрации к минимуму, поэтому в нём установлены два насоса с горизонтально расположенными оппозитными цилиндрами. Это улучшенная версия криоохладителя программы ACTDP от вошедшей в Northrop компании TRW. Пробную модель пришлось доработать из-за заметно более высоких требований: мощность 55 мВт вместо 20 мВт для 6 К, 232 мВт вместо 150 мВт для 18 К.

Реальный результат. Системы MIRI разбросаны по трём регионам телескопа. Например, электроника управления instrument control electronics (на рисунке — ICE) расположена во втором регионе и общается с электроникой управления научными инструментами ISIM Command and Data-Handling electronics (на рисунке — ISDH) в третьем регионе по шине стандарта MIL-STD-1553B. НАСА

Сначала предохладитель на пульсирующих трубках доводит рабочее тело установки — жидкий гелий — до температуры 17 К в три ступени: 300 К → 100 К, 100 К → 40 К, 40 К → 17 К. Хотя обычно дальше нескольких сантиметров теплообменник не уводят, финальная, четвёртая, ступень на эффекте Джоуля — Томсона расположена в 10 метрах от остальной части охладителя. Отчасти из-за этого и выросли требования по мощности.

К сборке с научными инструментами ISIM идут трубки системы охлаждения диаметром около 2 мм, выполненные из нержавеющей стали марки 304L и частично покрытые золотом.

В ISIM гелий на температуре 18 К сначала проходит через специальную камеру Cryocooler ColdHead Assembly (CHA), размером и цилиндрической формой напоминающую большую жестяную банку с золотым напылением. Здесь рабочее тело расширяется и, за счёт эффекта Джоуля — Томсона, охлаждается до 6 К. Затем гелий сообщает температуру в 6,2 К инструменту MIRI через медный теплообменник.

Сборка компрессора системы охлаждения инструмента MIRI в вакуумной камере перед испытаниями, НАСА

Не забыли и про теплоизоляцию прибора. Корпус инструмента из алюминиевого сплава марок 6061 и 6082 закреплён на ISIM с помощью шести стоек из усиленного углеродным волокном пластика и укрыт от теплоты одеялом однослойной и восьмислойной экранно-вакуумной теплоизоляции из каптона и дважды алюминизированного майлара. Конструкторы учли толщину скин-слоя волны 400 мкм на 7 К у алюминия (0,1 мкм), поэтому каптон на одной из сторон покрыт 0,5-мкм слоем алюминия.

«Холодильник» MIRI должен протянуть годы. Срок службы охладителя ограничен механическим износом насосов и надёжностью управляющей его жизнью электроники. Производитель не заложил в механическую часть избыточности, но у электроники дублирование есть.

Функционально сам MIRI — это камера, коронограф и спектрограф. В инструменте установлены три датчика из кремния с примесями мышьяка разрешением 1024×1024 пикселей производства калифорнийской Raytheon Vision Systems. Одна из матриц установлена в камере, две — в спектрометре MRS (Medium Resolution Spectroscopy).

Одна из трёх матриц MIRI, НАСА

MIRI снимает область около 112,6″×73,5″. Нужно заметить, что четырёхквадрантные маски для коронографии при использовании масок камеры корректные данные не выдают, поскольку эти фильтры включают дополнительные оптические элементы, которые требуют специальной калибровки. Коронограф Лио дополнительной оптики не имеет и в таком режиме показывает правильную (откалиброванную) картинку, не считая, конечно, точки искусственной Луны и поддерживающей её структуры.

Угол зрения MIRI. Серые фрагменты — это изображение с коронографа Лио (сверху слева) и четырёхквадрантных масок (слева ниже). Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

У камеры десять фильтров, все из которых широкополосные, кроме фильтра 11,3 мкм. Последний нужен для съёмки излучения полициклических ароматических углеводородов, которые обнаруживают при формировании космических структур. Также фильтр F2550W для надёжности продублирован в виде фильтра F2550WR.

На карусели фильтров камеры MIRI расположены четыре набора фильтров для коронографии и одна сборка для спектроскопии в низком разрешении (R ≈ 40 на 5 мкм и R ≈ 160 на 10 мкм). Вообще, в конструкции карусели фильтров ЕКА учло опыт запущенного в 1995 году инфракрасного телескопа Infrared Space Observatory.

Карусель фильтров камеры MIRI. Также подобным образом на двух каруселях закреплены фильтры спектрометра MRS. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Девять субматриц камеры MIRI предназначены для разнообразных стратегий съёмки. С помощью манипуляции паттерном опроса матрицы возможна съёмка с меньшей выдержкой, чем обычные 2,775 секунды на кадр. Четыре субматрицы (MASK1065, MASK1140, MASK1550, MASKLYOT) предназначены для коронографии, одна (BRIGHTSKY) — для яркого фона, три (SUB256, SUB128, SUB64) могут снимать яркие объекты, одна (SLITLESSPRISM) предназначена для спектроскопии в низком разрешении LRS. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Субматрицы у MIRI есть только на матрице камеры. Две другие почти идентичные матрицы установлены в спектрометре среднего разрешения MRS, поэтому субматрицы им ни к чему.

MRS — это единственное устройство «Уэбба», которое может выполнять спектроскопию в среднем разрешении (R от 1500 до 3500) для длины волны выше 5,2 мкм. Одна из матриц MRS обрабатывает короткие волны (5–12 мкм), вторая — более длинные (12–28 мкм).

Общая схема спектрометра MRS, DOI: 10.1086/682281

Обзор принципов работы MRS, последовательность слева направо. Спектрограф превращает объект в полосу с его спектром, а затем анализирует её. За одну выдержку в MRS наблюдаемый спектр для двух матриц (Detector) разбивается с помощью четырёх IFU (integral field unit) на четыре канала (Ch, Channel). Затем информация от трёх настроек решёток комбинируется в формат трёхмерного куба данных. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

К созданию MIRI приложил руку не только основной подрядчик проекта (Northrop Grumman), но и множество международных партнёров: ЕКА, Центр астрономических технологий Великобритании, Аризонский университет и команды Лаборатории реактивного движения НАСА.

MIRI проходит тестирование в лаборатории, ЕКА

MIRI будет готов лишь к 2012 году. Тогда ЕКА не без гордости отчиталось в пресс-релизе, что это первый законченный инструмент для нового телескопа.

NIRSpec

Отставания и выход за рамки бюджета пытались устранить. К примеру, презентация от ноября 2005 года указывает, почему телескоп внезапно подорожал на целый миллиард (с $3,5 млрд до $4,5 млрд):

Задержка с одобрением запуска на «Ариан-5» от ЕКА ($300 млн);
10 месяцев дополнительных задержек из-за проблем с финансированием ($250 млн);
Смена требований и другие дополнительные траты ($290 млн);
Дополнительные непредвиденные обстоятельства от руководства ($210 млн).

Затем доклад обещает, что меры приняты, планы доработаны, а телескоп непременно полетит в июне 2013 года за счёт послаблений в требованиях. Презентация отдельно отмечает: нет причин думать, что рост бюджета носит системный характер.

Рост суммарного бюджета «Уэбба», изображение из статьи в журнале Nature, 2006 год

Впрочем, ничего удивительного в перерасходах и задержках не было. По ходу проекта для телескопа изобретали и отрабатывали новые технологии, до этого в космонавтике не применяевшиеся.

Обычный спектрометр изучает свойства света объекта и спектра его излучения. Для этого в анализатор прибора направляют исследуемый луч света. Если спектрометр мультиобъектный, то для его работы готовят маску с отверстиями, выделяющими изображения исследуемых звёзд. Так приходится делать, поскольку исследуемые объекты значительно удалены от нас и оттого тусклы, поэтому нужно закрыть свет от более близких и ярких звёзд, что повысит эффективность исследования на несколько порядков.

Для работы космического телескопа в полутора миллионах километров от Земли лаборанта с масками прислать не получится. Мультиобъектный спектрограф должен уметь переконфигурироваться сам.

В требовании ISIM-463 документа с научными требованиями к проекту телескопа значится: инструмент NIRSpec должен иметь возможность получать одновременно спектр как минимум 100 объектов. И вообще, в том же документе (стр. 13) получить спектр минимум 2500 галактик призывают базовые требования успешности программы Level 1 Baseline Science Requirements. Обычный спектрометр на один объект даже за 5,5 лет столько не успеет.

Требовалась технология управляемых и переконфигурируемых масок, функционирующих в условиях криогенных температур. Такой технологии до «Уэбба» не существовало.

Под созданием технологии здесь подразумевается прохождение разнообразных ступеней ада, описанных требованиями Technology Readiness Level (TRL, уровень готовности технологии). Эта шкала оценивает готовность технологии от базовых исследований (уровень 1) до успешного использования в реальных миссиях (уровень 9). Стереотип утверждает, что НАСА доводит технологию до уровня 6 (прототипы испытаны в релевантных условиях), а затем отдаёт её частникам для коммерциализации.

Схема двух микрозатворов, размеры около 80×180 мкм. Свет падает снизу, проходит через них и поступает в выбранный дисперсер. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба».

Новая технология получила название «матрица микрозатворов» (microshutter array). На взросление микрозатворов до одобрения применения в проекте ушло несколько лет. Разработку начали в 1999 году в Центре космических полётов Годдарда, и, например, один из ранних отчётов об успехах разработки датируется февралём 2001 года. Лишь в марте 2007 года комиссия НАСА подтвердила уровень готовности TRL-6 для технологии микрозатворов.

Микрофотография затворов со стороны падающего света, пользовательская документация «Джеймса Уэбба».

В NIRSpec стоит четыре матрицы микрозатворов (четыре квадранта), каждый из которых — набор 171×365 крошечных микроэлектромеханических затворов. Четыре квадранта собраны в сборку 3,6’×3,4′ с зазором в 23″, либо 37″. В каждом из квадрантов активна область 95″×87″. Суммарно в NIRSpec используется почти 250 тысяч микрозатворов, хотя как минимум 15% уже вышли из строя.

Пользовательская документация «Джеймса Уэбба».

Вообще-то микрозатворы должны выдержать 60 тысяч циклов работы, но часть уже испытала отказ: какие-то из них навсегда закрыты, другие не закрываются. Инструкция телескопа описывает, как работать в подобных случаях. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Другой выявленный ещё в тестировании на Земле изъян работы матриц — паттерн утечки света в некоторых областях, для борьбы с которым также разработали инструкции. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Матрицы микрозатворов произведены Центром Годдарда, НАСА предоставило датчики H2RG, но в остальном прибор — плод сотрудничества исследовательских институтов нескольких западноевропейских стран. NIRSpec построила немецкая Astrium при плотном участии ЕКА и его партнёров. Например, сборку для калибровки изготовили лаборатории Университетского колледжа Лондона, зеркала из карбида кремния произвели французские компании Boostec и SAGEM, испанское подразделение Astrium CRISA писало софт и так далее.

Схема NIRSpec, Astrium

NIRSpec «видит» двумя матрицами H2RG разрешением 2048×2048 пикселей. Прибор умеет либо вести мультиобъектную спектроскопию нескольких источников из области 3,6’×3,4′, либо спектроскопию интегрального поля в квадрате 3’×3′, либо вести наблюдения за одним объектом, для чего имеет пять отверстий в сборке между матрицами микрозатворов.

Схема расположения отверстий шириной 0,2″ (S200A1), 0,2″ (S200A2), 0,4″ (S400A1), 1,6″ (S1600A1) и 0,2″ (S200B1), пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Также отверстие S1600A1 1,6″×1,6″ используется в четвёртом режиме для наблюдения за экзопланетами с длительной выдержкой (до 33,21 часов).

К концу нулевых основные технологии телескопа прошли необходимые проверки и получили одобрение для использования в аппарате. Работы шли полным ходом.

Тем не менее в новых отчётах дата запуска вела себя словно линия горизонта: отдалялась по мере приближения к ней. Дедлайн уходил на год вперёд почти ежегодно. В апреле 2010 НАСА обещало запустить телескоп в июне 2014 года с бюджетом проекта $5,1 млрд.

Часть 5. 2010–2011. Сроки и бюджеты

1 февраля 2003 года во время вхождения космического челнока «Колумбия» в плотные слои атмосферы горячие газы проникли в левое крыло орбитального самолёта. В результате последовавшего структурного разрушения аппарата экипаж из семи человек подвергся резкому воздействию горячих газов, вызвавших сильные ожоги. Оторвавшаяся от корпуса аппарата кабина начала беспорядочно вращаться в трёх осях, и ремни кресел гасили это воздействие не полностью, приводя к травмам головы и шеи из-за неплотно прилегающих к телу шлемов скафандров. После разрушения кабины последовала декомпрессия и воздушная волна, которая разорвала тела экипажа и выбросила их в разреженное пространство с низким содержанием кислорода в десятках километров над землёй. Останки экипажа упали на большие площади территории штата Техас в США.

Трагедия произошла из-за нарушения целостности теплозащитного слоя: во время взлёта челнока кусок теплоизоляции внешнего бака оторвался и ударил по силикатным плиткам, вызвав потерю нескольких из них. Эта система из нескольких типов композитных плиток защищает шаттл от горячей плазмы ударной волны во время вхождения в атмосферу при возврате шаттла на Землю. Повторное использование орбитального самолёта достигается за счёт обследования 24 тысяч плиток и, при необходимости, ремонта. Оценки утверждают, что около половины работ в Orbiter Processing Facility — это обслуживание теплозащитного слоя и замена 30—100 плиток.

Часть плиток отпала при перелёте через грозу, часть ещё не нанесена, 1979 год, НАСА

Хуже всего, что это был не единичный случай. На повреждения плиток кусками внешнего топливного бака эксперты обращали внимание ещё с начала девяностых. Плитки были проблемой даже до первого полёта шаттлов в космос: всё та же «Колумбия» потеряла сотни плиток во время транспортировки на спине «Боинга-747» в 1979 году.

С этого момента шаттлы летали исключительно к МКС. Если бы осмотр показал неудовлетворительное состояние теплозащитной системы, астронавты в теории могли вернуться на Землю на российских кораблях или спасти ситуацию иным образом. НАСА отменило любые самостоятельные полёты космических челноков, в том числе пятый полёт техобслуживания «Хаббла», в котором он так нуждался. (По совпадению последний успешный полёт «Колумбии» — это четвёртое обслуживание телескопа.)

Инженеры бросились считать оставшийся ресурс «Хаббла». Наибольшее опасение вызывали стареющие гироскопы. Ценой разработки режимов одновременной работы с двумя или даже одним гироскопом вместо необходимых трёх их расчётный ресурс удалось продлить до начала 2010 года. Постепенно снижающаяся орбита создавала опасность падения после 2013, и обновлением софта здесь ситуацию уже не спасти.

Давление когресса США заставило одобрить ещё один полёт по обслуживанию. Для страховки полёта НАСА привело в готовность второй шаттл, чтобы спасти экипаж в случае обнаружения повреждений теплозащиты первого. В 2009 году астронавты в последний раз обновили «Хабблу» инструменты и батареи, заменили все шесть гироскопов с гарантией по 2014 год (ЕКА называет замену лучшей в мире) и подняли орбиту обсерватории.

Пока в космосе астронавты тратили отпущенные природой микроморты на продление жизни «Хаббла» хотя бы до готовности замены, на Земле работы над «Джеймсом Уэббом» продолжали дорожать и затягиваться.

В сентябре 2009 года в Центр космических полётов Годдарда прибыл модуль научных инструментов ISIM производства Alliant Techsystems. Каркасная структура пока что будет пустовать, поскольку исследовательские инструменты ещё собирают. Да что инструменты — к началу 2010 года не было готово даже главное зеркало.

ISIM в 2009 году, НАСА

В ноябре 2010 года замаячили неприятные новости: в конце октября независимая комиссия установила, что проекту потребуются дополнительные $1,5 млрд, чтобы успеть к запуску хотя бы в сентябре 2015 года с суммарным бюджетом в ≈$6,5 млрд. На тот момент НАСА уже влило в «Уэбба» $3 млрд.

Что особенно пугало, комиссия не нашла путей сократить финансовые издержки, открыто называя изначальные бюджеты и сроки нереалистичными. Напротив, отчёт комиссии намекал, что в 2011 и в 2012 годах проекту нужна дополнительная подачка $250 млн/год. В запрошенном было отказано.

На «Уэбба» шли последние средства. НАСА постепенно увеличивало финансирование проекта за счёт сокращения других пунктов деятельности и закрывало дыры деньгами из своей доли пакета 2009 года для борьбы с рецессией 2008. Журнал Science ехидно называл «Джеймса Уэбба» «телескопом, сожравшим астрономию».

В августе 2011 года оценка бюджета выросла на $1,5 млрд. Теперь потратившее на телескоп $3,5 млрд НАСА обещало запустить телескоп при общей оценке бюджета $8 млрд лишь в октябре 2018 года. Ещё в $780 млн оценили пятилетнюю эксплуатацию запущенного аппарата.

До этого, в июле, зашла речь об отмене «Уэбба». Палата представителей конгресса США проголосовала за отказ от телескопа. Как и с «Хабблом», петиции и эмоциональные причитания астрономов в СМИ — как научных, так и общей направленности — имели успех: в ноябре конгресс США пошёл на компромисс и одобрил сумму в $8 млрд.

Зато урезали финансирование программы развития частного извоза для МКС, в рамках которой замену для стареющих шаттлов разрабатывали компании «Боинг», Sierra Nevada, Blue Origin и Space Exploration Technologies. На несколько лет НАСА плотно пересядет на иглу покупки кресел в «Союзах».

FGS-NIRISS

Впрочем, в 2011 году пострадали не только «Драконы» и «Лебеди».

FGS-NIRISS — это объединение двух функционально независимых устройств в одном корпусе, которые предоставило Канадское космическое агентство. В июне 2007 года $39-миллионный контракт на строительство этого инструмента ККА выдало подрядчику COM DEV International Ltd.

COM DEV участвовала в проектировании телескопа с 1998 года, и в 2016 году компанию поглотила американская Honeywell International Inc. Сменил название не только изготовитель, но и сам прибор: изначально он носил имя FGS-TFI.

Fine Guidance Sensor (FGS) — это система точного наведения на звёздные объекты, которая нужна «Уэббу» для ориентирования. Экспозиция некоторых приборов может занимать часы, поэтому критически важно уметь поддерживать постоянное положение в пространстве. В пресс-релизах точность FGS обычно сравнивают с фокусировкой на монете в тысяче километров от наблюдателя. Меняют положение телескопа или настраивают зеркала другие системы, FGS лишь следит за выбранной опорной звездой.

Вторая часть инструмента появилась не сразу.

В ноябре 2002 года менеджеры НАСА инициировали проверку программы телескопа. По сути, в плане «Уэбба» убирали ненужные риски: например, именно на этом этапе вместо 36-сегментного зеркала площадью 29,4 м² решили поставить 18-сегментник около 25 м², достаточный для выполнения поставленных научных задач.

Также в ходе этого пересмотра планов инструмент NIRCam стал полностью американским, хотя до этого планировалось, что канадцы сделают для камеры фильтры. 12 ноября 2003 года НАСА выпускает пресс-релиз о переподписании контракта NIRCam, где среди подрядчиков значатся только американские организации (Аризонский университет, Rockwell и Lockheed Martin).

Модули с настраиваемыми фильтрами NIRCam «переехали» на канадский инструмент FGS. Так и получился Tuneable Filter Imager (TFI) — прибор для поиска экзопланет и съёмки в инфракрасном диапазоне.

В 2005 году проект опять меняют. На этот раз обсуждают бюджет массы. В презентации от 29 ноября 2005 года упоминается предложение убрать некий канадский инструмент вовсе. Тем не менее в проекте TFI остаётся, но коротковолновому каналу поднимают нижнюю границу с 1,0 мкм до 1,5–1,6 мкм.

Планируемая схема TFI, отчёт 2010 года

Ключевая технология TFI — это конфигурируемый фильтр (отсюда и «tunable filter» в названии) для изолирования любого узкого диапазона, построенный на резонаторе Фабри — Перо. Технология была запланирована, но отработать для телескопа её не успевают. Летом 2011 года, в самый разгар проблем с финансированием проекта, ККА приходится уйти в сторону нескольких фиксированных фильтров.

Кроме организационных проблем на решение повлиял прогресс науки. К 2011 году космология уточнила знания о красном смещении периода реионизации. Стало очевидно, что возможности по обнаружению первого света Вселенной (окончания Тёмных веков) у TFI слишком ограничены из-за выбранной нижней границы коротковолнового канала.

1,6 мкм и выше — это уж слишком высокая нижняя граница, чтобы дать какие-то полезные данные. Наследник TFI фиксирует на фотографиях длину волны выше 0,8 мкм, на спектроскопии — выше 0,6 мкм.

Схема устройства NIRISS. Заметны два колеса с наборами фильтров (зрачки и фильтры). Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Поскольку tunable filter больше не предвидится, то TFI переименовывает в NIRISS, Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph, камеру в ближнем инфракрасном диапазоне и бесщелевой спектрограф. В документации всё ещё остаются упоминания изначального названия. Даже в более поздних отчётах встречаются (стр. 3, рис. 3) приписки вида: «Обратите внимание, что TFI = NIRISS».

В целом NIRISS наследует большую часть оптомеханической конструкции TFI. Просто вместо настраиваемого эталона Фабри — Перо в него поставят набор фильтров и гризм.

NIRISS может вести съёмку участка 2,2’×2,2′ в диапазоне волны от 0,6 до 5,0 мкм. Это как один «глаз» NIRCam, которая захватывает два квадрата такого же размера. Как и в NIRCam, используется модель матрицы H2RG разрешением 2040×2040 пикселей с калибровочной рамкой 4 пикселя. Но в NIRISS этих матриц не десять штук, а всего одна.

Схематическое изображение принципов работы NIRISS, пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

NIRISS позволяет вести широкоугольную бесщелевую спектроскопию [Wide-Field Slitless Spectroscopy] в низком разрешении (R ≈ 150) в диапазоне от 0,8 до 2,2 мкм в квадрате 2,2’×2,2′. Это особенно полезно для наблюдения за галактиками с высоким уровнем красного смещения.

В режиме бесщелевой спектроскопии с одним объектом наблюдение оптимизировано (R ≈ 700 в диапазоне от 0,6 до 2,8 мкм) для относительно ярких звёзд и обнаружения экзопланет транзитным методом.

Режим спекл-интерферометрии с маской апертуры (aperture masking interferometry) необходим для наблюдения за тусклыми объектами, которые разделены слабо (от 0,070″ и выше), например, вращающихся вокруг своей звезды экзопланет.

Схема барабанов зрачков и фильтров NIRISS. Различные комбинации нужны для выбора режима работы. К примеру, для широкоугольной бесщелевой спектроскопии нужно выбрать фильтры GR150C или GR150R, а для интерферометрии необходим зрачок NRM (Non-Redundant Mask). Съёмка изображений в диапазоне от 0,9 до 2,0 мкм идёт с помощью фильтров (маркировка F…) на барабане зрачков, от 2,7 до 4,8 мкм — на барабане фильтров. Пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

FGS — единственный инструмент на телескопе, на научные данные которого заявки не принимаются. Инструмент в первую очередь обеспечивает работу всей обсерватории, но снятые с него данные также архивируются. FGS находит и получает положение любой опорной звезды из каталога GSC 2.4.2 версии от ноября 2017 года, а затем следит за звездой и передаёт данные в подсистему управления ориентацией.

Схема устройства FGS, пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

FGS захватывает два квадрата 2,2’×2,2′ с помощью двух матриц H2RG. Фильтров или затвора у инструмента нет, матрицы всегда видят небо. Во время экспозиции научного инструмента для FGS выбирается опорная звезда, достаточно близко расположенная к центру матриц. FGS получает участок неба вокруг опорной звезды субматрицами 128×128 пикселей, затем переходит в режим слежения, то есть переодически уточняет снимком 32×32 пикселя (2,2″×2,2″) положение звезды и отдаёт данные компьютеру ориентации обсерватории. В режиме точного слежения субматрица 8×8 пикселей (0,5″×0,5″) фотографирует опорную звезду каждые 64 мс.

Угол обзора различных инструментов обсерватории с примерами получаемых данных, пользовательская документация «Джеймса Уэбба»

Часть 6. 2012–2021. Сборка и запуск

Следующий растянувшийся на десятилетие период — это строительство телескопа. Устройства и системы прибывают в Центр космических полётов Годдарда, где НАСА интегрирует их в космическую обсерваторию. Дедлайны продолжают уходить вперёд, но уже без былого драматизма и переживаний о судьбе проекта.

Строительство занимает годы даже без непридвиденных задержек и ошибок планирования. Рассмотрим его на примере вторичного зеркала телескопа.

В общем обзоре телескопа в какой-нибудь энциклопедии будет указано, что относительно небольшое (диаметр 0,74 метра) сферическое зеркало изготовила компания Ball. Но вообще-то к зеркалам приложили лапу многие субподрядчики. Производство потребовало 14 остановок в 11 локациях в 8 штатах.

Карта перемещения сегментов зеркал в процессе из изготовления и тестирования, Quantum Coating

В 2005 году Brush Wellman сообщила о завершении первого этапа изготовления болванок из бериллия: из металла отлили основу. Следующий этап — точная обработка на мощностях Axsys Technologies, которая закончится только к 2007 году. К 2011 году болванки теряют 90% своей массы: подразделение Tinskey компании L3 Integrated Optical Systems заканчивает полировку вторичного зеркала.

19 июля 2011 года заготовку вторичного зеркала из бериллия покрывают слоем золота толщиной 120 нм на производственных мощностях Quantum Coating Incorporated, что необходимо для улучшения отражения инфракрасного излучения до 99%. Теперь нужно протестировать отражаемость, проверить толщину и провести стресс-тестирование.

Вторичное зеркало «Уэбба» после покрытия золотом, 19 июля 2011 года, Ball Aerospace

Вторичное зеркало прибывает в Центр Годдарда 5 ноября 2012 года. В 2014 году готовят треногу, на которой вторичное зеркало будет установлено. На центральный оптический элемент Optical Telescope Element (OTE) зеркало монтирует компания-субподрядчик Harris Corporation, закончено это будет лишь в 2016 году.

За этим следуют испытания в вакуумной камере при симуляции криогенных условий космоса в 2017 и соединение OTE с второй половинкой телескопа в 2019 году. На всех этапах проводят много тестов.

Аналогично идёт работа над всеми остальными системами телескопа. В проекте много партнёров, субподрядчиков и сложных систем, для которых нужна максимальная надёжность и точность. Все они должны провзаимодействовать, обменяться документацией и лишь после провести работы.

В 2012 году Центр космических полётов Годдарда получает два инструмента обсерватории — MIRI и FGS-NIRISS — от ЕКА и ККА, соответственно. Их интеграция в ISIM будет завершена в 2013. Также в 2012 году заканчивают центральную часть поддерживающей конструкции для зеркал, а в 2013 готовы «крылья» по бокам.

В 2013 году закончена вторая половина инструментов, и в 2014 в ISIM интегрируют NIRCam и NIRSpec. Это не значит, что работы с модулем научной аппаратуры ISIM завершены и он будет просто лежать: теперь он проходит разнообразные криогенные тесты для демонстрации производительности инструментов и электроники вообще.

OTE в исптытательной термовакуумной камере Chamber A, 14 марта 2015 года, НАСА

К 2016 году финализированы основные этапы тестирования ISIM, а все 18 сегментов основного зеркала смонтированы на несущую структуру. В 2017 году проходит криогенные испытания OTE, то есть сборка основного и вторичных зеркал и контролирующей их электроники.

Лишь в 2018 году все компоненты «Уэбба» впервые оказываются под одной крышей в Редондо-Бич (Калифорния). Теперь Northrop Grumman и Институт исследований космоса с помощью космического телескопа — оператор будущего аппарата — проводят испытания систем связи. В 2019 году защитный экран и платформа спутника проходят акустические, вибрационные и термовакуумные испытания, которые симулируют сложные условия запуска и агрессивную среду космоса.

В 2020 году защитный экран в последний раз сложен в конфигурацию для запуска. Телескоп проходит последние испытания, чтобы доказать способность выдержать тряску ракеты-носителя. В 2021 году «Джеймс Уэбб» уходит на хранение, а Институт начинает процесс отбора исследовательских программ.

Понятно, что в октябре 2018 года телескоп никуда не полетел.

Отчасти виноваты непредвиденные обстоятельства тестирования. 3 декабря 2016 года во время виброиспытаний оптического элемента OTE и модуля научных приборов ISIM случилось, то что на бюрократическом языке НАСА называется «аномальные показания телеметрии». Тестирование на стенде пришлось прервать, поскольку акселерометры выдали слишком высокие числа. Виброиспытания закрыли на полтора месяца и возобновили лишь к середине января 2017 года.

В конце апреля агентство отчиталось о причинах: задвижку одного из крыльев главного зеркала закрыли не полностью. В элементах телескопа ничего не сломалось.

Компоненты «Джеймса Уэбба» устанавливают на вибростенд. Конечно, всё запаковано, чтобы не набрать лишней пыли. НАСА

В сентябре 2017 запуск сдвигают на весну (март–июнь) 2019 года. НАСА обосновывает это сложностями при интеграции различных элементов — процесс занимает больше времени, чем ожидалось. За год до планируемого запуска (март 2018 года) срок сдвигают на год вперёд, на май 2020. На этот раз причина — необходимость провести дополнительное тестирование интегрированных систем в лабораториях Northrop Grumman. Теперь НАСА предупреждает, что может выйти за сумму разработки $8 млрд.

Прогресс проекта пытаются взять под контроль. Кто-то связывает с этим личностью менеджеров, например, назначенного в марте 2018 году на должность главы проекта Грегори Робинсона.

В июне 2018 года очередные проблемы на майских виброиспытаниях отодвигают срок запуска на 10 месяцев, на 30 марта 2021, а бюджет разработки вырастает на $800 млн, до $8,8 млрд. Во время теста на стенде выпал один из удерживающих экран «Уэбба» винтов. Для крепления документация не указала нужное усилие затяжки, и Northrop Grumman затянула винт недостаточно сильно.

Робинсон следует рекомендациям комиссий и инициирует аудит всего проекта: инженеры ищут скрытые проблемы, которые до этого могли не заметить, заказы подрядчикам и реально поставленное по ним сравнивают. В ходе этих работ несоответствия обнаружили и исправили, хотя новый менеджер рассказывал, что ничего критического среди них не нашлось. Эффективность подняли с 55% до 95%.

Начавшаяся в 2020 году пандемия коронавируса ситуацию не упрощает. В июле 2020 года запуск «Джеймса Уэбба» откладывают на несколько месяцев, на 31 октября 2021 года. За месяц до запуска, в сентябре 2021 года, дату уточняют на 18 декабря по договорённости с Arianespace. Кажется, беспокоиться уже не о чем, поскольку телескоп прошёл все испытания и пакуется для отправки в Гвиану.

9 ноября во время закрепления телескопа на адаптере ракеты «Ариан-5» раскрылся один из зажимов, из-за чего по телескопу прошли вибрации. Немедленно созвана комиссия по расследованию этой аномалии, но журналистам ничего не рассказывают даже на двух брифингах 18 ноября. Лишь 22 ноября НАСА сообщает о сдвиге запуска на 4 суток, с 18 на 22 декабря. 25 ноября официально установлено, что обсерватория не пострадала.

Сначала 17 декабря старт сдвигают на 24 декабря из-за проблем связи, но 22 декабря из-за погодных условий его переносят на сутки, на 25 декабря.

Часть 7. Жизнь после запуска

Это было крайне раннее утро субботы по местному времени космодрома Куру — 9 часов 20 минут. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» навсегда покинул Землю.

Схематичное изображение орбиты телескопа «Джеймс Уэбб», НАСА

Ракета «Ариан-5» отправила аппарат по его траектории в точку Лагранжа L₂, куда он прибыл месяц спустя, 24 января 2022 года. Здесь он вращается не вокруг Земли, как это было в случае «Хаббла», а вокруг Солнца.

Французский математик XVIII века Жозеф Луи Лагранж нашёл несколько частных решений задачи трёх тел. На практике это значит, что в пяти точках Лагранжа около двух массивных тел, вращающихся вокруг общего центра масс, можно расположить тело с небольшой массой, которое с точки зрения массивных тел будет оставаться неподвижным.

Схема расположения точек Лагранжа, НАСА

Телескоп не находится точно в точке L₂. Вместо этого он описывает небольшую гало-орбиту вокруг неё с периодом обращения около 6 месяцев. На гало-орбите «Джеймса Уэбба» около точки L₂ большая часть излучения Солнца закрыта Землёй, при этом Земля и Луна не будут мешать наблюдениям. Это куда удобнее, чем описывать витки вокруг Земли и не получать наблюдаемый фрагмент половину времени.

Связь с телескопом идёт по сети дальней космической связи НАСА (Deep Space Network) с помощью огромных антенн в Австралии, Испании и на территории США, в штате Калифорния. В ходе научной работы «Джеймс Уэбб» два раза в сутки получает команды и передаёт данные на Землю. Впрочем, он может работать автономно. Как правило, Институт исследований космоса с помощью космического телескопа передаёт на «Уэбб» пакет задач на неделю вперёд, а затем ежедневно корректирует их при необходимости.

График температуры датчиков на научных приборах «Джеймса Уэбба» за первые полгода запуска, НАСА

В следующие несколько месяцев телескоп укрылся от Солнца, охладил свои инструменты пассивно и включил активное криоохлаждение инструмента MIRI. За этим последовала ориентация обсерватории, калибровка зеркал и инструментов.

Инженерная демонстрация успешной калибровки инструментов «Джеймса Уэбба». Здесь NIRCam снимает длину волну 2 мкм, MIRI — 7 мкм, NIRSpec — 1,1 мкм (снимок не может показывать что-то значимое, поскольку это в первую очередь спектрограф), NIRISS — 1,5 мкм, FGS фильтров не имеет. НАСА

12 июля НАСА выпускает цветные снимки с телескопа и не стесняется нагнать хайпа. Сначала объявили о предстоящем релизе и представили точное расписание выпуска информации, на сайте НАСА даже завели обратный отсчёт до заветной даты. Затем часть информации слили в виде утечки за день до обещанного во время превью-презентации в Белом доме. Не требует комментариев, что собственный телеканал NASA TV работал на полную катушку, обеспечивая круглосуточную информационную поддержку.

И это правильное решение — так НАСА получает бюджеты и общественную поддержку. Прошедшая 11 июля презентация для президента продолжилась за закрытыми дверями. Администратор НАСА Билл Нельсон рассказывает, что Байден прямо спросил: «Слушай, Билл, тебе нужны деньги?»

В марте Белый дом предлагал на 2023 фискальный год выдать НАСА $26 млрд, но в июне комитет палаты представителей по ассигнованиям (то есть структура конгресса США) урезал эту сумму до $25,4 млрд. Нельсон в ответе Байдену с юмором намекнул, что в борьбе за бюджеты может потребоваться помощь административно-бюджетного управления президента.

В проект заложили 5,5 лет основной миссии и 10 лет планируемой работы. Срок жизни обсерватории ограничен износом компонентов, но в первую очередь важно топливо для поддержания гало-орбиты около точки L₂. «Ариан-5» отработала точнее расчётных данных, и оставшегося от коррекции орбиты излишка ∆v хватит на куда больший период, чем запланированные 10 лет.

В интервью 2016 года один из менеджеров программы где-то зарядился необычайным оптимизмом и упомянул, что на кольцо для соединения с ракетой-носителем добавят метки для приближения и стыковки. Также что-то такое упоминалось в 2007 году.

Но официально «Джеймс Уэбб» не подлежит обслуживанию. Для полёта к обсерватории кораблей нет. То, что запущено, так и проработает до конца — шаттл с запасной камерой не запустить, астронавты гироскопы не поменяют, космических роботов-ремонтников пока не изобрели.

Именно поэтому надёжность оборудования усердно испытывали несколько лет, чуть не сломав на вибростендах, и предусмотрели всевозможные отказы. В сегменты зеркал телескопа даже заложен ресурс против микрометеоритов, которые уже начали царапать шестиугольники.

После окончания топлива для коррекции орбиты телескоп уйдёт с гало-орбиты на гелиоцетрическую, то есть будет вращаться вокруг Солнца. Вероятно, это окажется не внезапная новость, а запланированный уход на орбиту захоронения.

35 лет разделяют первый снимок обсерватории и историческую беседу Джаккони с Иллингуортом. 25 лет работ ушло на проектирование и реализацию. Ещё 20 лет телескоп потенциально может проработать в космосе. Наверное, кому-то из ранних сотрудников проекта работы хватит до пенсии.

Как и у «Хаббла», для «Джеймса Уэбба» уже есть потенциальный последователь. НАСА разрабатывает телескоп «Роман», названный в честь астронома Нэнси Грейс Роман. Инфракрасная космическая обсерватория c 2,4-метровым зеркалом заглянет 18 матрицами H4RG-10 в ранние этапы формирования Вселенной. Вот лишь бы не сорвать сроки для запуска 2027 году…