«Джеймс Уэбб»: 35 лет от задумки до первого снимка
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
Часть 2. 1985–1990. Задумка
Часть 3. 1996–2002. Планирование
Часть 4. 2003–2009. Уточнение конструкции
Часть 5. 2010–2011. Сроки и бюджеты
Часть 6. 2012—2021. Сборка и запуск
Часть 7. Жизнь после запуска
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».
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».
Удалённость от Земли несовместима с полётами по обслуживанию телескопа, поскольку шаттлы слишком высоко не летают. Теоретический «потолок» круговой орбиты шаттла — 643 км.
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.
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 распо
