Француз Гвианасидаги «Куру» космодромидан 25 декабрь куни соат 17:20 да «Ариан-5» ракетасида инсоният тарихидаги энг қиммат қурилма — Жеймс Уэбб космик телескопи (JWST — «James Webb Space Telescope») космосга жўнатилди. 30 йил ва 10 миллиард доллар талаб қилган ушбу космик телескоп ўзида энг янги технологияларни жамлаган, унинг асосий вазифаси — ўтмишга назар ташлаш. JWST осмондаги деярли барча объектларни кўра оласа-да, унинг асосий мақсади коинотда порлаган биринчи юлдузлардан келаётган нурни ўрганиш. Ушбу космик телескоп орқали Катта портлашдан тахминан 100–200 миллион йил кейин ҳосил бўлган юлдузларни кўриш имкони бор. Хуллас, Жеймс Уэбб «биз қаердан пайдо бўлдик?» каби фундаментал саволларга жавоб излайди.

«Bugun.uz» колумнисти, физик олим Рустам Ашуров телескоп мақсади, лойиҳаси, жойлашуви ва унда ишлатилган технологиялар ҳақида батафсил ҳикоя қилади.

Ўтмишга саёҳат

Бугунги кунда қабул қилинган космологик моделга кўра, бундан 13,8 миллиард йил аввал, Катта портлаш натижасида сингуляр ҳолатда бўлган борлиқ кенгайишни бошлади. Сўнгра портлаш сабабли ҳосил бўлган ядровий бўтқа совуб бориши натижасида аввал водород ионлари, сўнгра атомлар ҳосил бўлди. Ёруғлиқ ушбу бўтқани тарк этиб, борлиқ бўйлаб ҳаракатлана бошлади. Бутун борлиққа сочилиб бораётган фотонлар ёруғликдан ташқари ўзлари ҳосил бўлган давр ҳақида информацияни ҳам ўзлари билан олиб келишади. Ушбу фотонларни кўра олиш орқали биз ўтмишни кўра оламиз.

Маълумки, ёруғлик фазода секундига 300 000 километр тезликда тарқалади (аниқроғи, 299 792 458 м/с). Бу тезлик билан ёруғлик Қуёшдан Ергача бўлган масофани 8 дақиқада босиб ўтади. Яъни, агар Қўёш бирдан ўчиб қолса, биз бу ҳақда 8 дақиқа хабарсиз қоламиз. Худди шунингдек, бизга энг яқин бўлган «Альфа центавр» галактикасидан ёруғлик ергача 4 йилда етиб келади. Биз ҳар сафар «Альфа центавр» галактикасига қараганимизда ушбу галактикадаги 4 йил олдинги тарихни кўрамиз. Демак, биз имконини топсак, катта портлаш томонга назар солиб, ҳаммаси қандай бошланганлигини ўз кўзимиз билан кўришимиз мумкин. Бу худди фантастик кинолардаги вақт машинаси кабидир.

Шу сабабли инсонлар осмонга қуролланган кўз билан назар ташлашни бошлашди. 1607 йил Иоанн Липперсгей таклиф қилган илк телескоп 20 асрнинг иккинчи ярмигача эволюцияланиб борди ва айнан 20 асрда революция содир бўлди. Ер атмосфераси электромагнит нурланишнинг инфрақизил диапазони каби диапазонлар учун шаффоф эмаслиги Ерда жойлашган телескоплар томонидан катта информация тўлиқ қайд этилмайди.

Шунингдек, атмосфера қатламидаги турбулент оқимлар ҳам телескоп аниқлигига таъсир ўтказади. Телескопни Ер орбитасига олиб чиққан ҳолда унинг тасвири аниқлигини 7–10 баробарга ошириш мумкин. Шу сабабли астрономлар Ер орбитасига телескоп олиб чиқиш устида ишлашди. 1990 йилга келиб, илк космик телескоп — Хаббл телескопи космосга қараб йўл олди. 31 йил ичида Хаббл бизни космология соҳасида кўплаб илмий янгиликлар билан хурсанд қилди.

Фото: «Bugun.uz» / Рустам Ашуров

Кейинги босқич тадқиқотлари учун эса Хабблнинг натижаларини тўлдирувчи ва кенгайтирувчи инфрақизил диапозонда оптималлаштирилган янги космик обсерваторияга эҳтиёж сезилди. Чунки Хаббл коинотни, асосан, яқин инфрақизил ва ультрабинафша оптик диапозонда ўрганганлиги сабабли инфрақизил диапазонда кўринадиган қадимий ва совуқ объектларни кузатишда муаммога дуч келар эди. Шу тариқа «Жеймс Уэбб космик телескопи (JWST)» лойиҳасига старт берилди. JWST тўлқин узунликлари қамрови катта ва сезувчанлиги юқори бўлганлиги сабабли янада узоқ ўтмишга саёҳат қилиш имкониятини беради.

Лойиҳа тарихи

1995 йил Хаббл телескопи орқали ёнида бизнинг қўёшимиз каби юлдузга эга экзопланета аниқланади. Бу кашфиёт илмий жамжамиятни жумбушга келтиради. Аҳир, қаердадир бизнинг сайёрамизга ўхшаш шароитга эга ҳаёт бўлиши мумкин. Шу сабабли 1996 йил астрономлар «HST and Beyond» номли доклад тайёрлашади ва унда келажакда астрономия қаерга қараб ривожланиши кераклиги таҳлил қилинади.

Шу тариқа янги космик телескоп яратиш ғояси илгари сурилади ва бу телескоп шунчаки «Янги авлод телескопи» деб аталади. Янги телескоп 2002 йил NASA’нинг олтин даврида (1961–1968) директор бўлган Жеймс Эдвин Уэбб хотирасига қайта номланди. Илк старт 2007 йилга белгиланди, аммо Хаббл каби ўйланган ишлар ўз вақтида бажарилмади.

Биринчи ойна сегменти фақатгина 2015 йилга келиб ўрнатилди. JWST’ниннг молиялаштириш масаласида ҳам Хабблга ўхшаш жойи бор. 1997 йил ярим миллиард доллар миқдорида ажратилган бюджет 2021 йилга келиб 10 миллиард долларга кўтарилди. 2011 йилда эса АҚШ Конгресси лойиҳанинг қимматлиги сабабли молиялаштиришни тўхтатиш масаласини ҳам кўтарди, аммо кейинчалик лойиҳа молиялаштиришда давом этилиши эълон қилинди. Шу тариқа Жеймс Уэбб космик телескопи инсоният тарихидаги энг қиммат космик қурилмага айланди.

Телескопнинг жойлашуви

Жеймс Уэбб Хабблдан фарқли ўлароқ, Ер орбитасига эмас, 2-Лагранж нуқтасига (L2) жойлашади. Бу нуқта Ердан 1,5 миллион километр узоқликда.

Фото: «Bugun.uz» / Рустам Ашуров

Бу нуқтада телескоп ва сунъий йўлдош каби кичик объектлар гравитацияни келтириб чиқараётган объектларга нисбатан узоқ вақт бир жойда ўрнини сақлаб қолган ҳолда ҳаракатлана олишади. Бундан ташқари, айнан L2 Лагранж нуқтаси Қўёш радиациясидан максимал ҳимояланган. Жеймс Уэбб учун бу муҳим, чунки у инфрақизил диапазонда ишлайди ва Қуёш радиацияси унинг сенсорларига салбий таъсир кўрсатади.

Бундан ташқари, Жеймс Уэбб Хабблдан ўлчамлари бўйича ҳам фарқ қилади.

Фото: «Bugun.uz» / Рустам Ашуров

Жеймс Уэбб космик телескопида ишлатилган технологиялар ва қурилмалар

Жеймс Уэббда дунё бўйлаб кўплаб олимларнинг барча илмий янгиликлари бир нуқтага жамлаган десак ҳам бўлади. Телескопда ишлатилган кўплаб технологиялар турли лабораторияларда NASA буюртмаси асосида узоқ йиллар давомида яратилди. Улар билан қисқача танишиб чиқамиз.

Асосий ойна. Жеймс Уэбб асосий ойнасининг радиуси 6,5 метрни ташкил қилиши кўзда тутилган эди, аммо уни космосга олиб чиқувчи «Ариан-5» ракетасига бу ўлчам сиғмаганлиги туфайли асосий ойна 18 та секцияга бўлинган. Бу ечим орқали асосий ойна ичкарига букланиб ракетага қадоқланади ва космосга чиққанда қайта очилади. Ҳар бир секция 1,32 метр диаметрдаги олтибурчакли ойнадан иборат бўлиб, ҳар бир ойнанинг вазни 20 килограммни ташкил қилади.

Ойналар бериллий материалидан қиланган. Чунки JWST ўта паст температурада ишлайди ва ушбу температурада ўз формасини сақлаб қоладиган материал танлаш муҳим эди. Бериллий паст температураларда деформацияга учраш даражаси критик нуқтадан пастда. Беррилийдан ясалган ойналар олтин билан қопланган. Олтиннинг ёруғликни қайтариш даражаси бошқа материалларникидан юқори бўлмаса-да, унинг қоплама сифатида танланишининг асосий сабаби — олтин агрессив муҳитга чидамлилиги, яъни нурланиш натижасида реакцион активликни намоён қилмайди.

Яқин инфрақизил камера (NIRCAM). NIRCAM 0,6 дан 5 микронгача бўлган инфрақизил тўлқин узунлигини қамраб оладиган асосий тасвирлагичдир. У орқали шаклланиш жараёнида бўлган энг қадимги юлдузлар ва галактикалар, яқин атрофдаги галактикалардаги юлдузлар популяцияси, шунингдек, Сомон йўли ва Койпер камари объектларидаги ёш юлдузлар аниқланади.

NIRCam.
Фото: «NIRCam Modules — JWST User Documentation»

Қурилма ёрқин манбалар яқинидаги заиф кўринадиган объекларни суратга олиш имконини берувчи коронограф билан жиҳозланган. Aстрономлар коронограф ёрдамида яқин атрофдаги юлдузлар орбитасида айланаётган экзосайёраларнинг хусусиятларини аниқлашга умид қилишмоқда. NIRCAM ўнта симоб-кадмий-теллурид (HgCdTe) детекторлар тизимига эга. Бу оддий рақамли камераларда жойлашган SSD’ларга ўхшаш.

Яқин инфрақизил спектрометри (NIRSPEC). Спектрометр объектдан келаётган ёруғликни спектрга айлантириш учун ишлатилади. NIRSPEC ҳам NIRCAM каби 0,6 дан 5 микронгача бўлган инфрақизил тўлқин узунлиги диапазонида ишлайди. Объектнинг спектрини таҳлил қилиш орқали унинг физик хусусиятлари, жумладан, ҳарорати, массаси ва кимёвий таркиби ҳақида маълумот олишимиз мумкин. Спектрлар объекдаги атомлар ва молекулалар бармоқ излари кабидир. Спектрлар орқали атомлар ва молекулалар ҳам идентификация қилинади.

JWST ўрганадиган кўплаб объектлар, масалан, Катта портлашдан кейин пайдо бўлган биринчи галактикалардан келадиган ёруғлик шунчалик заифки, спектрни ҳосил қилиш учун етарлича ёруғлик тўплаш учун телеспокнинг улкан ойнаси уларга юзлаб соатлар давомида қаратилиб туриши керак. NIRSPEC ўзининг фаолияти давомида минглаб галактикаларни ўрганиш учун бир вақтнинг ўзида 100 та объектни кузатишга мўлжалланган. У космосдаги бундай қобилиятга эга бўлган биринчи спектрометр бўлади.

NIRSPEC.
Фото: NASA

Ўртa инфрaқизил диапазон инструменти (MIRI). MIRI — ҳам камерага, ҳам электромагнит спектрнинг ўрта инфрақизил ҳудудида ёруғликни кўрадиган спектрографга эга қурилма.

MIRI тўлқин узунлиги 5 дан 28 микронгача бўлган диапазонни қамраб олади. Унинг детекторлари узоқ галактикалар, янги пайдо бўлган юлдузлар ва заиф кўринадиган кометалар, шунингдек, Койпер камаридаги объектларнинг спектрнинг қизил томонига силжиган нурини кўриш имконини беради. MIRI камераси кенг майдонли, кенг полосали тасвирни тақдим етади. Бу қурилма орқали JWST Хабблнинг ишини давом эттиради десак ҳам бўлади.

Аниқ нишонга олиш сенсори ва яқин инфрақизил тасвирлаш мосламаси ва тирқишсиз спектрометр (FGS/NIRISS). NIRISS — 0,8–5,0 микрометр диапазонида ишлайдиган қурилма бўлиб, узоқдаги объектлардан «биринчи ёруғликни» уларга асбоб-ускуналарни йўналтириш орқали аниқлайди. NIRISS, шунингдек, экзосайёраларни аниқлаш ва ўрганиш учун ҳам фойдаланилади. FGS эса телескопнинг ўзини объект томонга қаратади.

Совутиш тизими. Совутиш тизимида бир нечта юқори инновацион технологиялардан фойдаланилган. Телескопда ўрнатилаган кўплаб нозик датчиклар ўта паст ҳароратда ишлашга мўлжалланган. Қолаверса, ҳароратнинг ўйнаши ҳам телескоп фаолиятига салбий таъсир кўрсатади.

Телескопнинг ишчи қисмида 40 К (-233 С) температура сақланиб туриши керак. Шу сабабли телеспокда пассив ва актив совутиш тизимлари мавжуд. Пассив совутиш тизими сифатида соябон ишлатилади. Соябоннинг асосий вазифаси — тўғридан-тўғри Қуёш радиацияси остида турган телескопнинг ишчи қисмини радиациядан тўсиш. Соябон қаватма-қават жойлашган маҳсус юпқа плёнкалардан иборат. Қатламлар орасида вакуум бўлгани учун иссиқлик ташиш фақат нурланиш орқали юзага келади. Шу сабабли нурланишни кесадиган ва ўзини-ўзи совутадиган материал танланган.

Аммо MIRI каби қурилмаларнинг ишчи температураси янада паст (7 К = — 267 C) бўлганлиги учун қўшимча актив совутиш тизими ҳам талаб қилинади. Мана шу ерда чинакамига қийин масала олдида турган олимлар революцион муҳандислик ечимини таклиф қилишди. Аслида, бу температурани олиш муаммо эмас. Ерда ҳатто суюқ гелий температураси олиш бугунда янгилик эмас. Лекин телескопда бу температурани олишда қувват чекланган эди.

Телескоп қувватни 2кВт қувватга эга Қуёш батареяларидан олади. Шу сабабли актив совутиш муаммосини деярли электр энергиясисиз ҳам қилиш керак эди. Ушбу креотизим қурилмасини яратиш учун NASA 150 миллион доллар сарфлади. Бу креотизим кичик бир объектни деярли қувват истеъмолисиз ўта паст ҳароратда ушлаб тура олади. Ушбу актив совутиш мосламаси ҳақида аниқ документация ҳали интернетга жойланмагани сабабли, фақатгина уни горизонтал иккита цилиндрдан ва гелий газини пульсив равишда ҳайдаб берувчи насосдан иборат система эканлигини айтиш билан чекланаман.

Хулоса:

Жеймс Уэбб космик телескопи инсоният борлиқни англаши учун энг қудратли қуролга айланади. Барчаси қандай бошланган? Биз қаердан келганмиз? Ердан ташқарида ҳаёт борми? Шу каби саволларга Жеймс Уэбб жавоб қидиради.