25 декабря 2021 года NASA и ESA сделали прекрасный подарок учёным по всему миру: запустили в космос телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST, James Webb Space Telescope). Эта сверхдорогая и ультрасовременная обсерватория должна была начать новую главу в истории астрономии. С того дня прошло больше четырёх лет, и теперь можно подвести предварительные итоги. Насколько оправдались ожидания учёных и что нового мы узнали благодаря этому инструменту?
Первые концепты будущей обсерватории и её отправку в космос разделяют целых 25 лет. Это была сложная и полная неожиданных поворотов история. И если бы Голливуд снял про неё кино «по мотивам реальных событий», хеппи-эндом наверняка стала бы сцена запуска, а за ней мы бы увидели стандартные для таких фильмов титры с кадрами актёров, исполнивших главные роли, и их прототипов.
Но реальность всегда намного сложнее. Старт с космодрома — один из решающих этапов в реализации космического проекта, но не финальный. Конечно, ракета Ariane 5 выполнила свою часть работы, причём весьма важную, на отлично. Она настолько точно вывела телескоп на заданную траекторию, что получилось сэкономить массу топлива, которое затем использовали при коррекциях курса с помощью собственных двигателей аппарата. Но даже после такого успешного и эффективного запуска специалистам миссии оставалось решить ещё три ключевые задачи.
Первой задачей было вывести телескоп на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L2 системы Солнце — Земля. Рабочую позицию выбирали так, чтобы исключить любое влияние отражённого от Земли и Луны солнечного света на тепловой баланс «Джеймса Уэбба». Перелёт к выбранной точке занял ровно 30 дней, и в это время инженеры занимались двумя другими задачами: развёртыванием его теплозащитного экрана и зеркал, основного и вторичного.
Благодаря точности ракеты-носителя Ariane 5 удалось сэкономить много топлива, которое позволит телескопу проработать гораздо дольше запланированного
NASA
Операции развёртывания считались ключевыми. Отказ любого компонента
привёл бы к тому, что многомиллиардный комплекс оказался бы полностью
бесполезен, причём к нему не получилось бы отправить ремонтную экспедицию, как
в случае с «Хабблом».
Многочисленные наземные тесты, проверки и перепроверки дали результат. Все положенные процедуры развёртывания были выполнены безукоризненно, так что инженеры приступили к охлаждению научных инструментов телескопа до рабочих температур и их калибровке. Это заняло много месяцев, и неспроста. JWST ведёт наблюдения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, из-за чего действует как своеобразная машина времени. Он «видит» небесные тела с экстремально большим красным смещением — они находятся на огромном расстоянии от Земли, и длина волны испускаемого ими света увеличилась настолько, что он превратился в инфракрасное излучение.
К тому же инфракрасное излучение, в отличие от видимого света, проходит через межзвёздную пыль, и благодаря этому JWST может «смотреть» сквозь заполняющие центр нашей галактики пылевые облака и наблюдать во всех подробностях регионы активного звездообразования. Однако, чтобы уловить это самое инфракрасное излучение, в сенсорах телескопа должны поддерживаться сверхнизкие температуры. Этого добиваются методами пассивного и активного охлаждения: установкой теплозащитного экрана и использованием хладагента — жидкого гелия.
Скопление галактик SMACS J0723.3-7327 — это первое «официальное» фото, полученное от JWST
NASA, ESA, CSA, and STScI
К маю 2022 года инженеры закончили охлаждать инструменты «Джеймса Уэбба» и фокусировать его оптику. Но в конце того же месяца произошёл неприятный инцидент: в один из сегментов главного зеркала врезался микрометеороид. Конечно, при строительстве JWST инженеры исходили из того, что столкновения с такими частицами неизбежны — однако этот удар оказался сильнее среднестатистического и повредил зеркало. К счастью, инженерам удалось скорректировать форму сегментов так, чтобы компенсировать искажение.
В июне 2022 года телескоп начал выполнять свою научную программу, и уже в следующем месяце NASA опубликовало первые официальные и очень красивые изображения, сделанные JWST. Инструмент, которого так долго ждали астрономы, наконец-то заработал на полную мощь.
Солнечная система
Хоть «Джеймс Уэбб» работает на порядок меньше времени, чем тот же «Хаббл», он уже собрал значительный массив данных. По результатам его наблюдений были опубликованы более трёх тысяч научных статей, и список, безусловно, пополняется. Вот почему описать все итоги работы JWST мы не сможем даже вкратце. Зато в наших силах перечислить некоторые из его наиболее весомых достижений. Начнём с наших космических окрестностей — Солнечной системы.
Инфракрасные портреты планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) позволили учёным изучить их атмосферные процессы и лучше оценить строение их кольцевых систем
NASA
Наблюдения объектов Солнечной системы не считались приоритетом научной программы JWST: телескоп больше заточен под космологические исследования. Но это вовсе не означает, что ему не нашлось тут никакого применения. Наиболее активно JWST задействуют для изучения газовых гигантов. Телескоп успел сделать детальные инфракрасные портреты Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и их колец. Кроме того, «Джеймс Уэбб» первым среди телескопов запечатлел полярные сияния на Нептуне. Конечно, учёные небезосновательно предполагали, что это явление должно наблюдаться и на восьмой планете, но JWST первым подтвердил гипотезу.
Нашлось «Уэббу» применение и в изучении спутников планет-гигантов. В частности, он запечатлел выбросы гейзеров Энцелада и обнаружил шлейф углекислого газа на Европе, который, видимо, связан с её подповерхностным океаном.
Ещё одно важное достижение телескопа — изучение ледяных тел на внешней окраине Солнечной системы. «Уэббу» удалось получить спектры ряда транснептуновых объектов, включая Седну, Квавар и Гунгун, что позволило определить состав их поверхности.
А таким астероид 2024 YR4 увидел Очень Большой Телескоп
ESO/O
А в начале 2025 года JWST на некоторое время взял на себя роль космического детектива: астрономы с его помощью изучали 60-метровый астероид 2024 YR4. В обычной ситуации тратить драгоценное наблюдательное время телескопа на столь небольшой объект считалось бы верхом расточительства — но тогда на это была веская причина. Вскоре после открытия 2024 YR4 астрономы обнаружили, что есть небольшая вероятность его падения на Землю в 2032 году — до 3,1 %. За всю историю астрономических наблюдений опаснее выглядел лишь астероид Апофис.
Более детальные наблюдения позволили практически исключить такой вариант развития событий — однако некоторая интрига сохраняется. Есть вероятность 4,3 %, что 2024 YR4 столкнётся с Луной. Впрочем, даже в таком случае наша планета вне опасности. Конечно, из-за удара в космос могут улететь обломки и в теории достичь Земли, но и они полностью сгорят в атмосфере. Зато потенциальное падение астероида будет отлично видно даже в небольшие телескопы (а возможно, и невооружённым глазом), а сформировавшийся кратер позволит узнать много нового о подобных событиях.
Впрочем, пока это не более чем умозрительная перспектива. Скорее всего, астероид всё же разминётся с Луной. В 2028 году 2024 YR4 посетит окрестности Земли, и астрономы смогут точнее рассчитать его траекторию. И вероятно, «Уэбба» вновь привлекут к наблюдениям этого астероида.
Звёздные ясли и планеты-изгои
Южное Кольцо первым из туманностей попало в объектив «Джеймса Уэбба»
NASA, ESA, CSA, STScI
На значительной части наиболее зрелищных снимков «Джеймса Уэбба» запечатлены различные туманности Млечного Пути. Но сделаны эти снимки были отнюдь не для красоты. Поскольку инфракрасное излучение спокойно проходит через межзвёздную пыль, «Уэбб» способен фиксировать ранее неизвестные структуры и скрытые в недрах туманностей объекты. Это позволяет астрономам лучше изучить и понять процессы рождения и смерти звёзд во Вселенной.
Одной из первых JWST сфотографировал туманность Южное Кольцо (NGC 3132) — своеобразный погребальный саван, также называемый планетарной туманностью. Некогда на её месте находилась солнцеподобная звезда, которая в какой-то момент исчерпала запасы водородного топлива, начала расширяться и превратилась в красного гиганта. Затем она сбросила внешние слои своей атмосферы (их-то и заснял «Уэбб»), оставив после себя остывающее ядро. В далёком будущем похожая судьба ждёт наше Солнце.
JWST неоднократно фотографировал звёздные ясли — регионы звездообразования наподобие туманности Орла или молекулярного облака Ро Змееносца, где прямо сейчас рождаются новые светила. Также телескоп фиксировал проявления активности новорождённых звёзд вроде тех, что происходят в объектах Хербига — Аро.
В регионах вроде объектов Хербига — Аро звезды формируются, когда выбрасываемые протозвездами джеты сталкиваются с окружающими межзвездными облаками
ESA/Webb, NASA & CSA, T. Ray (Dublin Institute for Advanced Studies)
Таким же образом в сверхскоплении Westerlund 1 обнаружилась популяция маломассивных звёзд. Их наблюдение и исследование окрестностей наиболее крупных светил помогло астрономам понять, как «ветра» и вспышки сверхновых влияют на окружающую среду и общие процессы звездообразования в газопылевых облаках.
Разумеется, астрономы не удержались от искушения с помощью «Уэбба» заснять некоторые знаковые объекты Млечного Пути. Например, Столпы Творения, которые некогда сфотографировал «Хаббл». Инфракрасные снимки предоставили совсем иной взгляд на эти завораживающие газопылевые структуры.
Наблюдения звёздных «колыбелей» позволили определить нижний предел массы объектов, которые рождаются в подобных регионах в результате гравитационного коллапса: 2–3 массы Юпитера. Таков размер самых маленьких из недавно сформировавшихся тел в туманности Пламя. Они всё ещё разогреты до больших температур и активно излучают в инфракрасном диапазоне — благодаря этому можно наблюдать их напрямую. Позже они превратятся в свободнолетящие планеты (или планеты-изгои). По некоторым оценкам, таких объектов в нашей галактике больше, чем обычных планет, которые обращаются вокруг какой-нибудь звезды.
Эти данные важны тем, что помогают провести довольно чёткую границу. По всей видимости, любые свободнолетящие объекты в Млечном Пути, чья масса не превышает массу Юпитера, изначально сформировались как планеты и уже затем были выброшены из своих систем.
В поисках жизни на экзопланетах
Горячий юпитер в системе Wasp-39 находится в приливном захвате относительно материнской звезды
NASA, ESA
На стадии раннего проектирования JWST экзопланеты ещё казались чем-то экзотическим: астрономы уже находили первые внесолнечные миры, но знали о них крайне мало. К моменту запуска телескопа ситуация изменилась. Были открыты тысячи экзопланет и установлены их базовые характеристики вроде размеров и массы. Далее следовало детально изучить их атмосферу — и здесь большие надежды возлагались именно на JWST. И пока что в целом они оправдываются.
«Джеймс Уэбб» помог найти подтверждение тому, что у планет в приливном захвате (всегда обращённых к своей звезде одной стороной) есть значительные атмосферные особенности. Например, наблюдения газового гиганта WASP-39 b показали, что его «вечерняя» часть (зона вечного заката) горячее примерно на 200 °C «утренней» (зоны вечного рассвета) и на ней меньше облаков. Это связано с циркуляцией атмосферы между дневным и ночным полушариями. На горячем газовом гиганте WASP-43 b — который тоже, скорее всего, находится в приливном захвате — дуют ураганные ветра, со скоростью до 8000 км/ч. Планета WASP-107 b крайне «раздута»: плотностью она в двенадцать раз меньше Юпитера — на ней есть облака из силикатных частиц (по сути, из песка), и они время от времени проливаются каменными дождями. А мир GJ 9827 d оказался «паровым»: его атмосфера более чем на 30% состоит из водяного пара. Конечно, ничего подобного и близко не встречается в Солнечной системе.
Данные «Уэбба» также пролили свет на процессы в других звёздных системах и их эволюцию. Например, 20 лет назад астрономы обнаружили в молодой системе беты Живописца облако пыли — а вот JWST не зафиксировал никаких признаков его существования. Астрономы считают, что относительно недавно там произошло крупное столкновение с участием объекта, сопоставимого по размерам с 530-километровым астероидом Веста. Так сформировалось пылевое облако, которое быстро рассеялось под действием излучения молодой звезды.
JWST сумел получить прямое изображение газового гиганта у эпсилона Индейца
NASA, ESA, CSA, STScI, E. Matthews (Max Planck Institute for Astronomy)
Благодаря высокой чувствительности инструментов JWST способен фиксировать инфракрасное излучение, исходящее не только от горячих, но и от холодных экзопланет, находящихся на большом расстоянии от своей звезды. Так ему удалось получить прямой снимок одного из ближайших к нам внесолнечных миров — газового гиганта с расчётной температурой поверхности 2 °C. Он вращается вокруг эпсилона Индейца в 12 световых годах от нас, что совсем немного по космическим меркам.
«Уэббу» также удалось обнаружить следы нескольких экзопланет, которые сумели пережить превращение материнской звезды в красного гиганта и теперь обращаются вокруг оставшегося от него белого карлика. Это открытие подтверждает, что Юпитер и другие газовые гиганты, в отличие от планет земной группы, вполне способны уцелеть после гибели Солнца.
А вот во внушительном пылевом диске, окружающем Вегу, «Уэббу» с «Хабблом» не удалось найти никаких заметных возмущений, которые бы свидетельствовали о наличии там экзопланет. Впрочем, в науке отсутствие чего-либо тоже считается открытием.
Но, конечно, в первую очередь всех интересует ответ на главный вопрос: одни ли мы во Вселенной. Многие наблюдения «Уэбба» как раз напрямую связаны с этой темой. Например, ему удалось зафиксировать метан в атмосфере одной из экзопланет — а этот газ считается важным биомаркером, даже несмотря на то, что может образовываться в ходе и биологических, и абиогенных процессов. А изучая протопланетный диск вокруг звезды d203–506 (1300 световых лет от Земли), JWST обнаружил метил-катион (CH₃+). Это соединение играет ключевую роль в формировании предпосылок для появления жизни: оно инициирует образование более сложных молекул на основе углерода — и астрономы уже давно искали его в космосе.
Экзопланета K2-18 b может быть суперземлёй (по массе), мини-нептуном (по плотности) или даже планетой-океаном (по наличию водяного пара в атмосфере)
ESA / Hubble, M. Kornmesser [CC BY 4.0]
Но главной сенсацией стала K2–18 b — экзопланета, обращающаяся вокруг красного карлика в 124 световых годах от Солнца. Она в 2,6 раза больше Земли, при этом её орбита пролегает в зоне обитаемости: K2–18 b получает от своей звезды всего на 5% больше света, чем наша планета. Что ещё любопытнее, её средняя плотность — 2,4 г/см³: заметно меньше, чем у каменистых планет, но куда больше, чем у планет-гигантов Солнечной системы. Вкупе со следами водяного пара в атмосфере всё это намекает на то, что этот мир может представлять собой огромную планету-океан.
Но и это ещё не всё. В апреле 2025 года были опубликованы результаты спектрографического исследования атмосферы K2–18 b, выполненного JWST. Телескоп обнаружил в ней следы диметилсульфида и диметилдисульфида. Это произвело эффект разорвавшейся бомбы: эти вещества образуются на Земле исключительно при биологических процессах, а потому считаются довольно надёжными биосигнатурами.
Впрочем, многие учёные не согласились с выводами исследовательской группы: по их мнению, полученные данные недостаточно надёжны и их можно интерпретировать по-другому. Даже NASA свой комментарий на эту тему формулировало с осторожностью: «Обнаружение единственной потенциальной биосигнатуры не означает открытия жизни».
Художественное представление экзопланеты K2-18 b
Даже если в атмосфере K2–18 b действительно есть эти вещества, это не гарантирует существование там жизни. В Солнечной системе нет подобных планет, так что нам неизвестно в точности, какие на их поверхности могут проходить процессы и какие соединения могут образовываться. В конце концов, если верить результатам исследования, в атмосфере K2–18 b содержится в тысячи раз больше диметилсульфида и диметилдисульфида, чем в атмосфере нашей планеты.
Но, что бы ни показали последующие наблюдения, JWST более чем наглядно подтвердил, что современные технологии уже позволяют обнаруживать сложные вещества в атмосферах внесолнечных миров. И даже если K2–18 b необитаема, находки телескопа дают надежду на то, что однажды человечество отыщет мир со множественными биосигнатурами — и что этот день может наступить быстрее, чем нам кажется.
Кого люди повстречают на других планетах — зелёных человечков, воинственные треножники или разумный океан?
Грань прошлого
Квазар — это активное галактическое ядро, где скрывается сверхмассивная черная дыра, поглощающая очень много вещества
Все исследования выше касались нашей локальной, нынешней Вселенной. Но что насчёт эпохи космического рассвета, когда она только начала принимать привычные очертания, а свет первых гигантских звёзд рассеял облака заполнявшего её водородного тумана? Что нового рассказал «Джеймс Уэбб» о тех временах? Если кратко, выяснилось, что теоретические модели, описывающие юность нашей Вселенной, содержат массу пробелов и нуждаются в значительной доработке.
Начнём с того, что «Уэббу» удалось превзойти достижение «Хаббла» и сфотографировать ещё более далёкую галактику. Система MoM-z14 уже существовала всего через 280 миллионов лет после Большого взрыва. С учётом расширения Вселенной в действительности её от нас отделяют ошеломительные 33,8 миллиарда световых лет.
MoM-z14 — галактика крошечная: её диаметр около 500 световых лет, что сопоставимо с шаровым скоплением. Несмотря на это, она в двадцать раз ярче типичных галактик той эпохи, а её масса оценивается в 100 миллионов масс Солнца. При этом наблюдения не выявили следов активного ядра, а значит, огромную яркость ей обеспечивали сверхмассивные звёзды. Судя по результатам спектрального анализа, галактика рождала новые светила с гигантской скоростью. А вот химический состав её газа напоминает структуру древних шаровых скоплений Млечного Пути. Это свидетельствует о том, что в MoM-z14 и в нашей галактике звёзды рождались в схожих условиях.
Далёкая-далёкая галактика MoM-z14
JWST
По свойствам система MoM-z14 во многом напоминает JADES-GS-z14–0 — эта галактика, открытая тем же JWST в 2024 году, существовала всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва и ранее носила титул самой далёкой галактики во Вселенной. Она тоже очень яркая, содержит намного больше тяжёлых элементов (включая кислород), чем ожидалось, притом не демонстрирует следов активности чёрных дыр.
Вполне возможно, это ещё не предел, и мы сможем заглянуть ещё дальше в прошлое. Изучая снимки «Уэбба», учёные обнаружили признаки галактик, которые сформировались всего через 200 миллионов лет после рождения Вселенной. Впрочем, это открытие не получило независимого подтверждения, так что звание самой далёкой из известных нам галактик пока что носит MoM-z14.
Кроме того, «Джеймс Уэбб» обнаружил ряд ранних галактик с куда более сложной структурой и куда большей массой, чем они должны были бы обладать по нынешним космологическим моделям. Самые молодые из них существовали в эпоху реионизации, когда облака нейтрального водорода, заполнявшие новорождённую Вселенную, рассеивались излучением первых звёзд. Раньше считалось, что эта эпоха завершилась примерно через миллиард лет после Большого взрыва.
«Джеймсу Уэббу» удалось разглядеть квазар, который существовал 11,5 млрд лет назад
Однако «Уэббу» удалось найти галактики, которые ярко сияли уже через 330 миллионов лет после формирования Вселенной — словно их мощное излучение очень быстро рассеяло окружающий водородный туман. Это даёт основания предполагать, что реионизация проходила не совсем так, как предсказывают модели, и завершилась куда раньше, чем считается.
JWST обнаружил и другие неожиданные феномены. Например, галактику, которая скоропостижно «умерла», перестав формировать новые звёзды, всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва, что в корне противоречит современным представлениям. Или галактику со сложной спиральной структурой, которая образовалась через два миллиарда лет после рождения Вселенной, хотя предполагается, что такие процессы должны занимать куда больше времени.
Разумеется, данные «Уэбба» использовали и для того, чтобы измерить скорость расширения Вселенной. Они подтвердили находку «Хаббла» — так называемое «напряжение Хаббла»; скорость расширения Вселенной, измеренная по флуктуациям реликтового излучения, не совпадает со скоростью расширения, установленной по телескопическим наблюдениям. Недавняя гипотеза объясняет это тем, что Вселенная медленно вращается, совершая примерно один оборот в 500 миллиардов лет. Если вращение подтвердится, это станет самым важным космологическим открытием со времён, когда было обнаружено ускорение расширения Вселенной.
Также JWST сфотографировал самую далёкую известную нам звезду — её назвали Эарендель. Она существовала 12,9 миллиарда лет назад — и с учётом гигантской дистанции она была бы недоступна для наблюдений даже при помощи «Уэбба». К счастью, метод гравитационного линзирования позволил усилить свет звезды в четыре тысячи раз.
«Уэбб» обнаружил самые далёкие пары сталкивающихся галактик и сливающихся чёрных дыр, а ещё рекордные по удалённости квазары, существовавшие всего через 600–700 миллионов лет после рождения Вселенной. Некоторые из них сияют буквально в космической пустоте. Рядом с ними нет «источников питания», так что непонятно, что именно обеспечивает их высокую активность.
Вообще, вопрос эволюции сверхмассивных чёрных дыр — один из ключевых в современной космологии. Судя по наблюдениям, они выросли куда быстрее, чем предполагалось раньше, — и данные JWST подтверждают это. Если добавить к этому открытие галактик с очень сложной структурой и более внушительным возрастом, чем следует по моделям, вывод очевиден: как именно росли и формировались первые галактики, звёзды и чёрные дыры, мы точно ещё не знаем. Нынешние теории нуждаются в существенной доработке.
Будущее «Джеймса Уэбба»
Вполне вероятно, что «Джеймс Уэбб» будет радовать нас новыми грандиозными снимками и открытиями еще пару десятков лет
Northrop Grumman
Как видите, JWST успел совершить немало открытий. Что же тогда ждёт телескоп в будущем? Сколько времени осталось у астрономов на наблюдения?
Сейчас у NASA всё очень непросто с финансами, поэтому создание и запуск космических телескопов следующего поколения вроде инфракрасной обсерватории Roman под вопросом. Конструкция самого JWST не предполагает возможности обслуживания и ремонта, к тому же этот телескоп, в отличие от других орбитальных обсерваторий, находится очень далеко от Земли (1,5 миллиона километров) — вряд ли у кого-то найдутся деньги, чтобы запустить к нему отдельную миссию. Так что срок жизни «Уэбба» ограничен запасом его невосполнимых ресурсов: хладагента и топлива.
Хотя жидкий гелий циркулирует в замкнутом контуре, утечки всё же неизбежны. Когда он иссякнет, «Уэбб» не сможет вести наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне — только в ближней части инфракрасного спектра. Например, Spitzer исчерпал запасы гелия за шесть лет, после чего работал в «урезанном» режиме. Впрочем, «Уэбб» — куда более современный и совершенный инструмент, так что гелия ему, скорее всего, хватит на куда больший срок.
А вот без топлива «Уэббу» никак: оно позволяет телескопу удерживать рабочую позицию в окрестностях точки L2. Основная научная миссия «Уэбба» рассчитана на пять лет, и её можно продлить ещё на столько же: под такой срок были рассчитаны запасы топлива. Но, как мы отметили в начале статьи, ракета Ariane 5 сработала исключительно точно, благодаря чему удалось сэкономить много топлива. Оставшегося объёма «Уэббу» хватит как минимум на 20 лет, а возможно, и больше. Миссии NASA и до этого демонстрировали высокую надёжность и функционировали намного больше запланированного, так что такая цифра выглядит вполне реалистично.
Конечно, всегда остаётся вероятность, что случится что-то непредвиденное: откажет какой-то инструмент или оборудование повредит тот же микрометеороид. Но если всё пойдёт как надо, в запасе у JWST будет много лет. Он наверняка совершит ещё массу открытий, которые позволят переписать учебники астрономии и пересмотреть многие теоретические модели.
Как люди впервые посмотрели на звёзды из-за пределов атмосферы, как появился «Хаббл» и какие ещё проекты — в том числе российские! — ждут нас в будущем.
Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.