В чем уникальность российского телескопа «Спектр-РГ»
Уже год космический аппарат «Спектр-Рентген-Гамма» изучает небо в рентгеновском диапазоне. Какова его миссия и есть ли научная польза от «рентгена неба»?
Рассказывает гость программы Алексея Семихатова «Вопрос науки» — Родион Анатольевич Буренин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН.
Чем занимается обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма»?
Благодаря нашему новому космическому аппарату, который мы запустили 13 июля 2019 года при помощи ракеты «Протон-М», у нас появилась масса новых возможностей наблюдать рентгеновское небо. Он состоит из платформы и двух телескопов. Немецкий телескоп eROSITA, научным руководителем которого является ведущий научный сотрудник Института Макса Планка внеземной физики Петер Предель, наблюдает в более мягком рентгеновском диапазоне. Российский телескоп ART-XC, который был произведен в нашем институте и Саровском ядерном центре, предназначен для наблюдения в более жестком рентгеновском диапазоне с максимумом чувствительности около 10 электрон-вольт. Научным руководителем всей миссии является академик Рашид Алиевич Слюняев.
Эти телескопы отличаются от современных рентгеновских телескопов в лучшую сторону тем, что они имеют не только очень хорошую чувствительность, но и огромное поле зрения. Это дает возможность наблюдать большие участки неба и в конце концов — все небо. Это и есть основная задача миссии — сделать обзор всего неба.
Аналогичный обзор всего неба в стандартном рентгеновском диапазоне был выполнен более 20 лет назад телескопом ROSAT — тоже германского производства. Чувствительность нашего обзора в 30, а может быть, даже в 100 раз выше, чем была чувствительность того обзора
На полтора порядка! Это огромный шаг вперед. Это можно сравнить примерно вот с чем: как будто у вас был любительский телескоп небольшого размера 20 см, и вдруг вы получили в свое распоряжение телескоп с диаметром зеркала 1–2 м. Вселенную мы видим гораздо дальше. Мы рассчитываем на то, что это будет качественный шаг вперед.
Основные задачи наших обзоров связаны с наблюдениями объектов на космологических расстояниях с космологическими исследованиями. В основном это скопление галактик, активные ядра и квазары. Мы надеемся узнать, как происходит расширение Вселенной.
«Изучая излучение газа в скоплении галактик, мы получаем новую информацию, которая говорит о том, как эволюционировала Вселенная и развивалась к сегодняшнему состоянию», — отметил Алексей Семихатов.
Зачем нужен рентген в космосе?
Далеко не все светит в космосе в рентгене. В рентгене светят объекты, в которых вещество находится в предельных состояниях: оно достигает там огромных температур и огромных плотностей. Основные источники рентгеновского излучения, которые наиболее интересны, — это черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, на которые падает вещество. Этот процесс называется «аккреция», он обычно происходит в двойной системе. Объекты вращаются друг вокруг друга, и вещество перетекает на компактный объект: черную дыру или нейтронную звезду. Другими словами, маленький объект пожирает большой. И в этот момент, когда вещество падает уже близко, например, к черной дыре, оно сжимается и разогревается настолько, что основное излучение хорошо видно в рентгеновском диапазоне. Нам интересно изучать вещество в экстремальных состояниях.
Другая важная задача миссии состоит в том, что источники рентгеновского излучения на самом деле мы видим с очень больших расстояний — условно говоря, с края Вселенной. Потому что они очень яркие. Одним из основных источников по количеству рентгеновского излучения являются квазары и активные ядра галактик. Это сверхмассивные черные дыры. Они находятся в центрах галактик, на них падает еще больше вещества, они еще ярче светят, в частности, в рентгеновском диапазоне, и их видно очень далеко — буквально с края Вселенной.
Это интересно тем, что мы можем изучать космологию, то есть Вселенную как целое. Мы можем понять, как она движется, как она расширяется. Понять, что происходит вообще на таких больших расстояниях, которые сравнимы с ее размерами. Мы смотрим назад по времени, потому что фотону требуется большое время, чтобы дойти до нас с такого большого расстояния, и Вселенная там совершенно другая.
Кроме черных дыр, один из важнейших и ярких источников рентгеновского излучения — это скопление галактик. Скопление галактик — это очень интересно: светится газ, который сжат в гравитационном поле скопления. Скопление — это такое облако темной материи, яма в гравитационном потенциале. Если вы помещаете туда газ, вы должны его сильно сжать, а когда вы сжимаете газ, он нагревается. Скопление галактик состоит в основном из темной материи, также оно состоит из обычного вещества.
В нашей галактике газа, конечно, тоже много, но его меньше, чем в скоплении галактик. В небольших галактиках газ во время эволюции не задерживается, а разлетается. А вот скопления галактик настолько велики по своим размерам, что газ из них не выходит. Это словно часть Вселенной, сжатая в небольшой объем. Скопления галактик отличаются от галактик как раз тем, что они более массивные и не выпускают из себя газ. Этот газ имеет высокую температуру из-за того, что он сжат, и именно из-за этой температуры максимум излучения приходится на рентгеновский диапазон. Он очень разреженный — его плотность не достигает и одной частицы на квадратный сантиметр. При этом частицы мечутся очень быстро, как раз со скоростью движения галактик внутри этого скопления, и эта скорость соответствует рентгеновской температуре. Поскольку это плазма и ионы сталкиваются с электронами, происходит излучение в рентгеновском диапазоне.
Как устроена наша Вселенная?
Есть известная картинка, которая показывает, как расширялась Вселенная. С момента, когда рождается реликтовое излучение, фотоны летят по прямой, затем загораются первые звезды, а дальше появляются квазары. Наша Вселенная устроена таким образом, что в ней образуются сначала менее массивные объекты, а только потом более массивные. Таким образом получается, что наиболее массивные скопления галактик образовались в самое последнее время. И чувствительности наших телескопов достаточно, чтобы увидеть все наиболее массивные скопления галактик.
Наша Вселенная вообще похожа на паутинку. И узелочки в этой паутинке — это как раз и есть скопления галактик. Они содержат много материи, и ее-то как раз можно наблюдать. Все остальное наблюдать гораздо сложнее
Сейчас происходит эпоха великих космологических открытий. Самый рассвет. И мы намерены открыть все скопления галактик — это как самые большие острова во Вселенной. Скоплений галактик, которые мы увидим в телескоп, порядка 300 000. Мы намерены открыть самые массивные — их около 10 000. Число зависит от границы массы. Конечно, можно построить и более чувствительный телескоп, но, наблюдая дальше на более высоких расстояниях, мы путешествуем назад по времени, а там скопления галактик еще не образовались.
Обсерватория в точке Лагранжа
Наш космический аппарат уже достиг целевой орбиты в точке либрации Лагранжа L2 — это очень интересная орбита, наши аппараты еще на нее не летали. Это точка, которая находится на линии, соединяющей Солнце и Землю, на расстоянии от нашей планеты примерно в 1,5 млн км. Для ориентации еще можно вспомнить о том, что Луна находится на расстоянии примерно 400 000 км.
Это точка неустойчивого равновесия в системе Солнце — Земля. Если прямо в эту точку поставить какой-нибудь объект, он с нее не сойдет, а будет находится там долго и будет вращаться вместе с Землей. Но точка неустойчивая, поэтому он будет норовить оттуда выпасть. Если немножко подправлять орбиту, можно находиться около этой точки с очень небольшими энергозатратами. Топлива, которое у нас есть, хватит, чтобы удерживать там космический аппарат многие годы — десятилетиями.
Если аппарат находится в этой точке, он все время может находиться в положении, когда солнечная батарея направлена на Солнце, а антенна — на Землю. Поэтому Солнце всегда светит с одной стороны, и это дает прекрасные условия для теплового баланса внутри аппарата. Тепловой баланс — это одна из важнейших задач, которые приходится решать людям, создающим спутники.
Космическим телескопам нужна стабильность температуры, и температура должна быть определенная. Радиаторы нашего аппарата направлены от Солнца, и они рассеивают тепло в космическое пространство. Мы можем регулировать тепловой баланс и очень точно поддерживать температуру на наших фотоприемниках.
Это удивительно высокотехнологичная техника, и то, что эти телескопы есть, что они работают и передают данные, — это громадное достижение всей нашей науки и космической промышленности. Раньше была советская космическая программа. И там тоже были замечательные рентгеновские телескопы — они немножко по-другому были устроены. Я помню, например, обсерваторию «Гранат» — это исследования 1990-х годов, а сама она взлетела в самом конце 1980-х. С тех пор рентгеновских телескопов на орбиту мы не запускали. Был недавно на орбите — вы наверняка слышали — радиотелескоп «Радиоастрон», который получил замечательные научные результаты. Все решения этих задач очень сильно продвигают и технологию, и технику, и, в конце концов, всю науку.
На Земле такое оборудование поставить нельзя, так как рентгеновское излучение просто не видно с Земли, оно поглощается атмосферой. Иначе бы это производило действие на человека, а всем известно, что ионизирующее излучение очень опасно. Вообще, с Земли не так уж много видно, если сравнить со всем спектром. Поэтому телескоп лучше всего запускать в космос — это обычное дело.
От обзора неба до устройства Вселенной
Мы начали делать обзор всего неба с декабря 2019 года. Телескоп крутится и каждые сутки сдвигается на шаг шириной примерно в 1°. Таким образом, за полгода мы получаем обзор всего неба. Всего мы собираемся сделать восемь таких обзоров, то есть наблюдать будем четыре года. Это позволит получить гораздо большую чувствительность: мы увидим гораздо больше фотонов, разглядим более слабые объекты, а те, что уже увидели, рассмотрим с высокой точностью.
Что мы прямо сейчас получаем со всего неба? В частности, созвездие Волос Вероники — это ближайшее массивное скопление галактик, поэтому очень яркое. Еще мы получили изображение с области пониженного поглощения в галактике — это так называемая дыра Локмана.
Несмотря на то что наш телескоп, казалось бы, делает какое-то одно наблюдение: обзор всего неба — у него огромное количество задач, и я не взялся бы их все перечислять. Лично я занимаюсь в основном скоплениями галактик, космологией, и мне хотелось бы, чтобы мы продвинулись в понимании нашей Вселенной, уточнили космологические параметры, узнали больше о темной энергии и поняли бы, как устроена наша Вселенная.