Космический телескоп Джеймса Уэбба был разработан для того, чтобы ответить на многие из основных вопросов, которые волновали астрономов на протяжении последних полувека. С ценником в 10 миллиардов долларов он является одной из самых амбициозных инженерных инициатив, которые когда-либо предпринимались. Но для того, чтобы он смог реализовать свой потенциал — не что иное, как переписать историю космоса и изменить положение человечества в нем, — необходимо, чтобы многие вещи работали правильно.

Чтобы заглянуть в прошлое, в зарождение космоса, и увидеть, как мерцают первые звезды, нужно сначала отшлифовать зеркало размером с дом. Его поверхность должна быть настолько гладкой, что если бы зеркало было размером с континент, то на нем не было бы ни одного холма или долины высотой больше лодыжки. Только такое огромное и гладкое зеркало может собрать и сфокусировать слабый свет, исходящий от самых далеких галактик в небе — свет, который давно покинул свой источник и поэтому показывает галактики такими, какими они были в древнем прошлом, когда Вселенная была молодой. Самые слабые, самые далекие галактики мы увидим еще в процессе рождения, когда таинственные силы сговорились в темноте и засияли первые урожаи звезд. 

Но чтобы прочитать эту раннюю главу истории Вселенной — узнать природу этих первых, возможно, гигантских звезд, узнать о невидимой материи, чья гравитация заставила их появиться на свет, о роли магнетизма и турбулентности, о том, как огромные черные дыры росли и прокладывали себе путь в центры галактик — исключительного зеркала недостаточно.

Причина, по которой никто не видел эпоху формирования галактик, заключается в том, что свет древних звезд, пройдя к нам через расширяющуюся ткань космоса за многие миллиарды лет, стал растянутым. Ультрафиолетовый и видимый свет, извергаемый самыми далекими звездами на небе, во время путешествия сюда растянулся до примерно в 20 раз более длинных волн, превратившись в инфракрасное излучение. Но инфракрасное излучение — это тот вид света, который мы называем теплом, тем самым теплом, которое излучают наши тела, атмосфера и земля под нашими ногами. Увы, эти локальные источники тепла затмевают жалкое пламя первобытных звезд. Чтобы увидеть эти звезды, телескоп с его большим идеальным зеркалом должен быть очень холодным. Его нужно запустить в космос.

Загвоздка в том, что зеркало размером с дом слишком велико, чтобы поместиться в любой ракетный обтекатель. Поэтому зеркало должно быть способно складываться. Зеркало может складываться, только если оно сегментировано — если вместо единой, непрерывной поверхности оно представляет собой сотовую решетку из зеркальных сегментов. Но для того чтобы все вместе создавали четкие изображения, сегменты зеркала после автономного раскладывания в пространстве должны быть практически идеально выровнены. Для достижения хорошей фокусировки необходимы сверхточные двигатели — двигатели, способные сдвигать каждый сегмент зеркала с шагом в половину ширины вируса, пока все они не встанут на место.

Способность видеть слабые инфракрасные источники не только открывает доступ к началу формирования Вселенной — примерно периоду от 50 миллионов до 500 миллионов лет после Большого взрыва — но и открывает другие, возможно, не менее важные аспекты космоса, от свойств планет размером с Землю, вращающихся вокруг других звезд, до вызывающей много споров скорости расширения пространства. Но для работы телескопа необходим еще один элемент, помимо безупречного зеркала, которое автономно разворачивается и фокусируется после запуска в небо. 

Даже в открытом космосе Земля, Луна и Солнце слишком сильно нагревают телескоп, чтобы он мог воспринимать тусклое мерцание самых далеких структур в космосе. Если, конечно, телескоп не направится к особой точке, расположенной в четыре раза дальше от Земли, чем Луна, и называемой точкой Лагранжа 2. Там Луна, Земля и Солнце лежат в одном направлении, что позволяет телескопу блокировать все три тела одновременно, возводя солнцезащитный экран размером с теннисный корт. Затененный таким образом, телескоп может, наконец, войти в глубокую прохладу и наконец-то обнаружить слабое тепло космического рассвета. 

Солнечный щит — это одновременно и единственная надежда инфракрасного телескопа, и его ахиллесова пята.

Чтобы развернуться до достаточно больших размеров и не утяжелить ракету, солнцезащитный экран должен состоять из тонкой ткани. (Вся обсерватория, включая зеркала, камеры и другие приборы, передатчики и источники энергии, должна иметь лишь около 2% от типичной массы большого наземного телескопа). Построить гигантский, но легкий инфракрасный зондирующий космический аппарат не так-то просто, но неизбежное использование ткани делает это дело изначально рискованным. Ткань, по словам инженеров, является «недетерминированной», ее движения невозможно идеально контролировать или предсказывать. Если солнцезащитный щит зацепится при разворачивании, весь телескоп превратится в космический мусор. 

В настоящее время телескоп, который, что невероятно, уже построен, сложен и готов к установке на ракету Ariane 5. Старт ракеты запланирован на 22 декабря из Куру (Французская Гвиана), более чем через 30 лет после того, как была впервые задумана и нарисована полезная нагрузка — космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). Телескоп отстает от графика на 14 лет и в 20 раз превышает бюджет. «Мы работали так усердно, как только могли, чтобы исправить все наши ошибки, проверить и отрепетировать», — сказал Джон Мазер, лауреат Нобелевской премии по астрофизике, который уже 25 лет является главным научным сотрудником проекта под руководством НАСА. Теперь, по его словам, «мы собираемся поставить наш телескоп стоимостью в 10 миллиардов долларов на стопку взрывчатых веществ» и отдать все на волю судьбы.

История развития JWST за последние три десятилетия параллельна огромному прогрессу в нашем понимании космоса, не в последнюю очередь благодаря предшественникам Уэбба. С помощью космического телескопа «Хаббл» мы узнали, что звезды, галактики и сверхмассивные черные дыры существовали гораздо раньше в космической истории, чем все ожидали, и что с тех пор они претерпели радикальные изменения. Мы узнали, что темная материя и темная энергия формируют космос. С помощью телескопа «Кеплер» и других телескопов мы увидели, что всевозможные планеты украшают галактики, как рождественские елки, включая миллиарды потенциально пригодных для жизни миров только в нашем Млечном Пути. Эти открытия поставили перед нами вопросы, на которые сможет ответить космический телескоп «Джеймс Уэбб». Астрономы также надеются, что, как и в случае с другими телескопами, его наблюдения вызовут новые вопросы. «Каждый раз, когда мы создаем новое оборудование, — сказал Мазер, — мы получаем сюрприз». 

Запуск начнется с того, что астроном Натали Баталья назвала «шестью месяцами булавок и иголок», поскольку ошеломляюще сложный телескоп будет пытаться развернуться и сфокусироваться в сотни этапов. Обсерватория проведет месяц, пролетев 1 миллион миль до точки Лагранжа 2. По пути она превратится в небесную водяную лилию, расположив свой гигантский цветок из позолоченных зеркальных сегментов на еще большем серебряном листе.

Это будет наш собственный момент «дерзания на могучие дела», — сказал Грант Тремблей, астрофизик из Гарвардского университета, который входил в комитет по распределению времени телескопа. «Он будет делать удивительные вещи. Мы будем в «Нью-Йорк Таймс» рассказывать о том, что это свидетели рождения звезд на краю времени, это одна из самых ранних галактик, это история о других Землях». 

«Пожалуйста, работайте», — добавил Тремблей, его глаза метнулись вверх.

От гладкого к комковатому

Последний раз, когда НАСА запускало обсерваторию такого значения — космический телескоп «Хаббл» в 1990 году, — это была катастрофа. «Абсолютная катастрофа», — сказала мне ветеран астрономии Сандра Фабер. Фабер входила в группу, разбившую лагерь в Центре космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, чтобы диагностировать расстройство. По тому, как звезда на одной из фотографий Хаббла выглядела как кольцо, она и ее коллега сделали вывод, что первичное зеркало — большое, вогнутое, которое отражает свет на вторичное зеркало, которое затем отражает его на объектив камеры — не было отшлифовано до нужной вогнутости, чтобы сфокусировать свет; оно было на полволны толще по краю. Если бы первичное и вторичное зеркала были протестированы вместе перед запуском, эта аберрация была бы замечена, но в спешке, связанной с задержкой запуска телескопа и превышением бюджета, это тестирование так и не было проведено.

Некоторые руководители НАСА призывали отказаться от телескопа, который и так был спорным проектом. Вместо этого сенатор Барбара Микульски из Мэриленда добилась выделения средств на спасательную операцию. Починка телескопа стала возможной потому, что, будучи оптическим телескопом, чувствительным к цветам радуги, а не к инфракрасному свету, Хаббл может получить четкий вид с низкой околоземной орбиты, находясь на высоте всего 340 миль, вместо того, чтобы лететь за миллион миль. В 1993 году космический челнок пристыковался к «Хабблу», и астронавты установили на него своего рода контактную линзу. В дальнейшем телескоп произвел революцию в астрономии и космологии.

Вклад НАСА в исследовании космоса бесценны. Именно НАСА впервые представило всему миру красивые и деталезированные фотографии глубин космоса — тем самым подтолкнув миллионы людей по всему миру к изучению космоса и зарождению жизни на Земле — последние десятилетия именно космос стал одной из главных тем в кино (2001 год: Космическая одиссея), в анимации (Тайна третьей планеты), в дизайне и в одежде посвященной космосу (https://keltr.ru/futbolki/kosmos/).

Возможно, самым важным вопросом о Вселенной на протяжении большей части 20-го века был вопрос о том, было ли у нее начало или она всегда была такой. Для британского космолога Фреда Хойла и других приверженцев последней теории «устойчивого состояния» «убедительной логикой была простота», — говорит Джей Галлахер, астроном и заслуженный профессор Висконсинского университета в Мэдисоне. «То, что в какой-то момент что-то изменилось и Вселенная создала материю, — почему это должно было произойти?» Хойл, сторонник стабильного состояния, приписывал веру своих соперников в «Большой взрыв» (как он его окрестил) влиянию Книги Бытия.

Затем появилось шипение в радиоантенне в лаборатории Bell Labs в Нью-Джерси в 1964 году. Шипение было вызвано микроволнами, приходящими отовсюду с неба, как и предсказывала теория Большого взрыва. (Свет был испущен во время раннего фазового перехода, когда горячая, плотная Вселенная остывала). Открытие космического микроволнового фона, как его назвали, не сразу положило конец дебатам — сторонники стабильного состояния, такие как Хойл, не доверяли его интерпретации и придерживались своей теории еще многие десятилетия. Но для других, кто распознал послесвечение Большого взрыва, когда увидел его, CMB стал загадкой. Почти идеальная однородность микроволн, приходящих со всех концов неба, указывала на то, что новорожденная Вселенная была удивительно гладкой — пюре из материи. «Загадка заключается в том, что сегодня мы видим очень неровную Вселенную», — говорит Фабер, который в конце 60-х годов был аспирантом, изучавшим галактики. «Поэтому первая задача в понимании галактик — понять, как Вселенная превращается из гладкой в комковатую».

Космологи знали, что под действием гравитации атомы должны были постепенно слипаться друг с другом, в конечном итоге разбиваясь на структуры, такие как звезды и галактики. Но на бумаге казалось, что рост структуры должен был быть необычайно медленным. Изначально материя была не только равномерно распределена и, следовательно, не имела определенного направления под действием гравитации, но и расширение пространства и давление, создаваемое самим светом, должны были разделять материю, противодействуя ее слабому гравитационному притяжению.

В 1970-х годах Вера Рубин из Вашингтонского института Карнеги заметила, что окраины галактик вращаются гораздо быстрее, чем ожидалось, как будто их подталкивает какой-то дополнительный, невидимый источник гравитации. Это свидетельство наличия существенной недостающей материи в галактиках и вокруг них, получившее название темной материи, соответствовало наблюдениям Фрица Цвикки, сделанным в 1930-х годах, согласно которым галактики притягиваются друг к другу сильнее, чем должны, исходя только из их светящейся материи. Также в 70-х годах Джим Пиблз и Джерри Острикер из Принстонского университета рассчитали, что вращающиеся галактические диски, состоящие только из звезд, газа и пыли, должны стать нестабильными и раздуться в сферу; они предположили, что невидимая материя должна создавать более сильный гравитационный колодец, внутри которого вращается видимый диск. В 1979 году Фабер и Галлахер написали влиятельную статью, в которой собрали все доказательства существования темной материи, которая, по их мнению, составляет около 90% материи во Вселенной. (Современная оценка составляет около 85%). 

Эти исследователи поняли, что темная материя, обладающая значительной гравитацией и невосприимчивая к давлению света, могла сравнительно быстро скопиться в ранней Вселенной. Пиблз, получивший половину Нобелевской премии по физике 2019 года за вклад в космологию, разработал качественную картину, в которой частицы темной материи сцеплялись в сгустки (известные как гало), которые затем объединялись во все большие и большие сгустки. Британский астрофизик Саймон Уайт продемонстрировал этот процесс «иерархической кластеризации» в примитивных компьютерных симуляциях 1980-х годов. Хотя в то время видимая материя была слишком сложна для моделирования, исследователи предположили, что объединяющаяся темная материя должна была захватить с собой светящуюся материю: Загнанные в ореолы темной материи, атомы сталкивались друг с другом, нагревались, опускались к центру и в конце концов гравитационно коллапсировали в звезды и дискообразные галактики.

Хотя большинство космологов убедились в правильности этой картины, большой вопрос заключался в том, каким образом изменения в плотности материи первоначально привели к скачкообразному запуску процесса гравитационного скопления. «У людей не было четкого представления о том, каковы разумные начальные условия формирования космической структуры», — сказал мне Уайт, который сейчас находится на пенсии и живет в Германии. «Вы могли запустить эти симуляции, но у вас не было никакого представления о том, что вы должны поставить в начале». 

«СПЕКТАКУЛЯРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ», — нацарапал в своем блокноте космолог Алан Гут в 1979 году. Он подсчитал, что если в начале Большого взрыва пространство вдруг надулось, как поверхность воздушного шара, то это объясняет, как оно стало таким огромным, гладким и плоским. Космическая инфляция, как Гут назвал первобытный скачок роста, быстро стала популярным дополнением Большого взрыва. Космологи вскоре отметили, что во время инфляции квантовые флуктуации в ткани пространства должны были застыть, поскольку пространство раздувалось, создавая тонкие вариации плотности во всей Вселенной. Предполагаемые плотные пятна, образовавшиеся в результате инфляции, могли послужить зачатками будущих структур.