«Спектр-РГ». Обсерватория для нового обзора неба
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
13 июля 2019 года с космодрома Байконур стартовала космическая обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма».
История проекта «Спектр-РГ» драматична. Идею создания большой космической рентгеновской обсерватории предложил во второй половине 1980-х годов академик Рашид Алиевич Сюняев, который впоследствии стал научным руководителем миссии. В 1987 году международная группа специалистов уже подготовила концепцию обсерватории с пятью узконаправленными телескопами и ещё рядом приборов общей массой 2750 кг. В проекте участвовали 20 институтов из 12 стран, включая США, хотя НАСА собиралось запускать свои «Большие обсерватории» («Хаббл», «Комптон», «Чандра» и «Спитцер»).
Но львиная доля средств, выделяемых в те годы в России на космические исследования, уходила на миссию «Марс-96» и поддержание работы орбитальной станции «Мир». Отрицательно на ходе работ сказалась и подготовка к запуску в 2002 году Европейским космическим агентством (ЕКА) в сотрудничестве с Роскосмосом и НАСА обсерватории «Интеграл», имевшей сходные задачи. Поэтому, несмотря на то что уже была изготовлена часть приборов, в 2002 году работы приостановили. Стоит отметить, что в 2001 году Росавиакосмос обратился к EКA за финансовой поддержкой, но получил отказ. Правда, почти сразу работу возобновили, но уже над более дешёвым, усечённым проектом.
Несколько лет создатели определялись с тем, какие приборы следует установить в обсерватории. Сначала хотели оставить два телескопа из предыдущей версии проекта: рентгеновский JET-X (Великобритания, Россия, Италия, Германия) и ультрафиолетовый TAUVEX (Израиль, Россия), добавив к ним английский рентгеновский монитор с забавным названием Lobster. Однако в конечном счёте в 2006 году решено было поставить совершенно новые телескопы: российский ART-XC и немецкий eROSITA. О них расскажем дальше.
Любопытно, что первоначально немцы хотели предоставить телескоп ROSITA, который был построен для МКС, но его установка не состоялась из-за приостановки более чем на два года полётов шаттлов после катастрофы космического челнока «Колумбия» в 2003 году. Но этот прибор не мог быть установлен на платформу «Спектра-РГ», поэтому его планировалось установить на отдельный спутник (субспутник), который должен был сопровождать основную обсерваторию и работать по самостоятельной программе. Но в итоге немецкие партнёры из Института внеземной физики Общества Макса Планка согласились доработать телескоп, чтобы его можно было установить на основном космическом аппарате. Этот прибор и получил название eROSITA.
Запуск российско-немецкой обсерватории первоначально был намечен на 2012 год. С тех пор старт неоднократно переносился по различным причинам. Так что «Спектр-Радиоастрон» («Спектр-Р»), исходно планировавшийся к запуску вторым из серии аппаратов «Спектр», не только первым в 2011 году поднялся в космос, но даже успел в мае 2019 года официально завершить свою работу.
Проблемы преследовали «Спектр-РГ» до момента старта. Когда ракета-носитель уже была готова к старту 21 июня, тестирование выявило, что разрядился один из элементов питания. Это некритичная неисправность, но всё же было решено его заменить, для чего пришлось слить топливо и отвезти корабль опять в сборочный цех.
Теперь, после успешного старта, будем надеяться, что все свои проблемы обсерватория оставила на Земле.
Программа полёта
«Спектру-РГ» предстоит трёхмесячный полёт к пункту назначения — к так называемой точке Лагранжа L2, или точке либрации. Она расположена на расстоянии 1,5 млн км от Земли в направлении, противоположном Солнцу. В этой точке суммарная гравитация Солнца и Земли такова, что находящийся там объект будет относительно них неподвижен и сделает один оборот вокруг Солнца синхронно с Землёй, то есть за один год. Другими словами, движение происходит так, что Солнце, Земля и объект всегда находятся на одной прямой.
Однако положение объекта в точке Лагранжа неустойчиво — стоит ему немного сместиться, как изменившиеся силы тяготения уведут его ещё дальше. Поэтому обсерватория не будет находиться точно в точке Лагранжа. Она будет совершать вокруг этой точки витки перпендикулярно плоскости эклиптики (плоскости орбиты Земли) диаметром до 400 000 км и периодом в шесть месяцев. При этом придётся решать достаточно сложную задачу своевременной корректировки орбиты с помощью двигателей. Неустойчивость объектов в точке Лагранжа имеет свой плюс, не позволяя накапливаться там космическому «мусору».
За время перелёта будут выполнены настройка и тестирование телескопов, а также пробные наблюдения. Следующие четыре года отводятся на проведение обзора всего неба и составление подробной карты видимой Вселенной в диапазоне энергий излучения 0,3—11 кэВ.
Сканирование неба возможно благодаря тому, что помимо обращения вокруг Солнца обсерватория будет вращаться и вокруг оси, совершая шесть оборотов в сутки. Ось вращения соответствует направлению на Солнце, поэтому наше светило не будет попадать в поле зрения телескопов. Подобное сканирование похоже на то, как если бы вращающийся на карусели человек смотрел в бинокль, поворачивая его вверх-вниз и обозревая по мере вращения карусели всё окружающее пространство. В результате за четыре года должно быть получено восемь полных обзоров всего неба. Следует понимать, что в диаметрально противоположных точках орбиты телескоп сканирует одни и те же участки неба. Многократные обзоры неба позволят не только повысить их точность, но и обнаружить изменения космических объектов за время наблюдения.
После картографирования Вселенной следующие по крайней мере 2,5 года отведены наблюдениям выбранных участков неба и отдельных источников рентгеновского излучения по заявкам как российских, так и зарубежных исследователей. Эта работа охватит более широкий диапазон энергий — 0,3—30 кэВ.
Сроки указаны в соответствии с планируемой длительностью работы космического аппарата — 6,5 лет. Но будем надеяться, что он станет снабжать астрофизиков информацией и после этого срока. Ведь запущенная в 1999 году рентгеновская обсерватория «Чандра» (НАСА) с планируемым сроком деятельности 5 лет продолжает работать и по сей день.
Оборудование обсерватории
«Спектр-РГ» оснащён двумя телескопами — немецким eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array — расширенные рентгеновские исследования с помощью матричного телескопа) и российским ART-XC (Astronomical Roentgen Telescope — X-ray Concentrator — астрономический рентгеновский телескоп — концентратор рентгеновских лучей). ART-XC изготовлен Институтом космических исследований РАН совместно с Российским Федеральным ядерным центром (г. Саров). Эти уникальные зеркальные телескопы работают по принципу рентгеновской оптики косого падения.
В оптических зеркальных телескопах используется свойство параболического зеркала сводить отражённые от него параллельные лучи света в одну точку. Аналогичный принцип используют и радиотелескопы. Но кванты рентгеновского излучения слишком энергичны. Они проникают внутрь материала зеркала, который поглощает их, не отражая. Не годятся и обычные линзы, работающие за счёт преломления света. Рентгеновское излучение практически в них не преломляется. Поэтому построить рентгеновские телескопы, подобные оптическим, невозможно.
Тем не менее не очень энергичное рентгеновское излучение всё же может отражаться от полированной металлической поверхности, если падает на неё практически параллельно, под углом менее одного градуса, так сказать, косо. Это похоже на известные всем «блинчики». Упавший в воду камень утонет, но брошенный по касательной к поверхности воды будет отскакивать от неё — отражаться. Поэтому рентгеновское зеркало косого падения представляет собой немного сужающуюся к концу трубу, от стенки которой отражается излучение, фокусируясь на её оси. Однако в этой трубе работает только узкое кольцо вдали от входа, куда добираются лишь лучи, почти параллельные её оси. Оно отражает только малую часть принимаемого излучения. Если составить телескоп из большого числа зеркальных оболочек, вложенных одна в другую, это значительно увеличивает долю отражённого излучения. Но такой телескоп очень сложен в изготовлении из-за высоких требований к точности. Первой обсерваторией, использующий подобный прибор, стала HEAO-2 (НАСА), запущенная в 1978 году. Специалисты из ВНИИЭФ (г. Саров) освоили технологию, позволяющую изготавливать зеркала с погрешностью поверхности в миллионную долю миллиметра. Однако геометрия этих зеркал слегка отличалась от расчётной, и для экономии времени штатные зеркала заказали в Центре космических полётов им. Джорджа Маршалла (НАСА).
Основной инструмент «Спектра-РГ» — телескоп eROSITA массой 815 кг. Именно он будет получать обзор всего неба в диапазоне энергий 0,3—11 кэВ и с достаточно высоким угловым разрешением 18 угловых секунд. Он имеет 7 зеркальных модулей длиной 30 см с 54 оболочками диаметром от 76 до 358 мм. Зеркала изготовлены из никеля, покрытого золотом. Поле зрения телескопа eROSITA беспрецедентно большое — оно составляет 0,81 квадратного градуса.
Телескоп ART-XC работает в более широком диапазоне энергий 5—30 кэВ, но имеет несколько худшее угловое разрешение 45 угловых секунд и поле зрения 0,3 квадратного градуса. Диапазоны энергий телескопов перекрываются, что повышает надёжность результатов. Он тоже имеет 7 зеркальных модулей, но в них по 28 оболочек. Длина модулей 58 см, диаметр 49—145 мм. Изготовлены они из никеля и кобальта, покрытых иридием. Масса телескопа 350 кг. Кстати, всего космический аппарат несёт 1210 кг полезной нагрузки при общей массе 2712 кг.
Для спектральных измерений, то есть измерений интенсивности излучения для разных частот, на ART-XC применяется калибровка детекторов с помощью источников гамма-излучения, использующих радиоактивные изотопы америций-241 и железо-55.
Чтобы правильно определить природу обнаруженных «Спектром-РГ» рентгеновских объектов и расстояния до них, необходимы наблюдения в других диапазонах электромагнитных волн, прежде всего в оптическом диапазоне. Эту задачу будут решать наземные телескопы. С российской стороны в наблюдениях участвуют самый большой телескоп Евразии БТА специальной астрофизической обсерватории РАН (диаметр зеркала 6 м), Кавказская горная обсерватория Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ, российско-турецкий телескоп РТТ-150 в государственной обсерватории Турции (ИКИ РАН и Казанский университет) и Саянская обсерватория Института солнечно-земной физики СО РАН. С немецкой стороны наблюдениями займутся 4 телескопа Европейской Южной обсерватории, расположенные в Чили.
Научные задачи миссии
Объекты Вселенной могут излучать в различных диапазонах электромагнитных волн, отличающихся длиной волны или частотой. Существует достаточно много источников, излучающих в самых коротковолновых, высокоэнергетических рентгеновском и гамма-диапазонах: длина волны менее 10-8 м, частота более 3·1016 Гц (значения даны примерно, поскольку точной границы диапазонов нет). У части источников наибольшая интенсивность излучения приходится именно на эту часть спектра. Источниками мощного рентгеновского и гамма-излучения служат процессы, происходящие там, где имеются сильные гравитационные и магнитные поля, огромные температуры, например в скоплениях галактик, около нейтронных звёзд, чёрных дыр и некоторых звёзд. Вклад в рентгеновское излучение дают и различные катастрофические явления, на которые богата Вселенная: взрывы сверхновых, столкновения космических объектов и прочее. Всё это представляет большой интерес для астрофизики и космологии.
Однако наблюдение таких объектов с поверхности Земли невозможно, так как волны этих диапазонов полностью поглощаются атмосферой. Для их изучения необходимо подняться на достаточную высоту, например, на ракете или высотном аэростате (стратостате). Впервые рентгеновское излучение Солнца было обнаружено в 1948 году с помощью ракеты, взлетевшей на высоту 200 км. Несравненно лучшие условия для подобных исследований созданы на орбитальных обсерваториях, первой из которых стала UHURU (НАСА), запущенная в 1970 году. В нашей стране тоже имеется богатый опыт космической рентгеновской астрономии. Рентгеновские телескопы стояли на орбитальных станциях «Салют-4» (1974), «Мир» (модуль «Квант», 1987) и «Гранат» (1989), астрофизических станциях «Астрон» (1983) и «Гамма» (1990). «Спектр-РГ» продолжает традиции отечественной космической астрономии, представляя собой обсерваторию нового поколения.
Первоочередной научной задачей «Спектра-РГ» станет получение подробной карты видимой Вселенной с точностью, которая ранее при картографировании была недоступна. «Спектр-РГ» составит полный каталог скоплений галактик с массой больше 3·1014 масс Солнца. Это самые крупномасштабные структуры во Вселенной. Их число оценивается в 100 000, а на сегодня известно более 10 000. Эволюция этих объектов представляет большой интерес для космологии и поиска тёмной материи. Ведь после Большого взрыва вещество было распределено достаточно равномерно, и его разлёт не должен был позволить образоваться галактикам в ту эпоху. Но мы их наблюдаем, что получило название галактического парадокса. Только учёт тёмной материи, неоднородности которой привели к тому, что вокруг них стало собираться вещество, эволюционировавшее впоследствии в галактики, позволяет разрешить проблему. Как проходил этот процесс — один из главных вопросов, на который должен ответить «Спектр-РГ».
Практически все богатые скопления галактик — сильные источники рентгеновского излучения, мощность которого может достигать 1035—1037 Вт. Для сравнения: Солнце во всех диапазонах излучает 4·1026 Вт. Излучает в скоплениях горячий межгалактический газ, который нагревается различными процессами до температур в миллионы градусов. Масса этого газа может на порядок превосходить массу самих галактик. Подобные источники имеют большую протяжённость, так что их обнаружение будет сигнализировать о наличии в данном направлении скопления галактик. Далее его изучением займутся телескопы, работающие в других диапазонах. С их помощью астрономы попытаются определить массу скопления и расстояние до него.
Большой интерес представляет также изучение горячего газа в так называемых филаментах — плотных «нитях», состоящих из пыли и газов, простирающихся в космосе на миллионы световых лет. Предполагается, что они формируются вокруг потоков тёмной материи и многое могут рассказать об эволюции космической структуры.
Другая задача «Спектра-РГ» — детальное изучение ядер активных галактик, в которых находятся сверхмассивные чёрные дыры. Их астрономы ожидают обнаружить около трёх миллионов. Длительное наблюдение позволит изучить также переменность их излучения. Российский телескоп ART-XC способен регистрировать достаточно жёсткое рентгеновское излучение, которое поглощается в межзвёздной среде в меньшей степени, чем мягкое, а это даст возможность увидеть то, что обычно скрыто от нас за облаками космической пыли.
Не обойдёт обсерватория своим вниманием и десятки тысяч галактик, в которых идёт звёздообразование, и сами протозвёзды, а также самые яркие события во Вселенной — гамма-всплески и их рентгеновское послесвечение.
Но «Спектр-РГ» займётся не только далёкими галактиками. Найдутся для него объекты исследования и в Млечном Пути (даже в Солнечной системе) и в соседних галактиках. В первую очередь это, разумеется, чёрная дыра в центре нашей Галактики.
Традиционные объекты изучения — пульсары и двойные рентгеновские системы, где излучение порождается падением вещества (аккрецией) от одного из тел системы на другое. Высокая чувствительность телескопов обсерватории позволит им исследовать даже достаточно слабые источники, которых наберётся не одна сотня тысяч, например звёзды с активными коронами.
Большой интерес для астрофизиков представляют так называемые транзиентные (временные) источники рентгеновского излучения. Их излучение появляется на некоторое время, а затем исчезает. У некоторых оно может появиться снова спустя годы, а то и десятилетия, другие пропадают навсегда. Примеры таких источников — вспышки новых и сверхновых звёзд, слияние чёрных дыр и так далее. Но, возможно, удастся обнаружить и неизвестные ранее явления, например приливные разрушения звёзд чёрными дырами.
Сравнивая «Спектр-РГ» с другими рентгеновскими обсерваториями, следует иметь в виду, что разные научные задачи предполагают разные требования к оборудованию. Детальное изучение отдельных объектов требует инструментов с высоким угловым разрешением, но с малым полем зрения (областью, которую видит телескоп в данный момент). Именно таковы ныне действующие рентгеновские обсерватории — американская «Чандра» и европейская XMM-Newton с угловым разрешением соответственно 0,5 и 5 угловых секунд.
Однако в случае обзора всего неба необходимо, наоборот, иметь достаточно большое поле зрения, позволяющее за короткое время просматривать значительные участки неба. А это приводит к снижению углового разрешения. Представьте, что вы делаете фотографию с определённым не очень большим числом пикселей. Если вы сфотографируете лицо человека, то на фото вы увидите его мелкие детали. Но если вы сфотографируете огромную толпу народа, то детали каждого лица вам станут недоступны.
Хотя eROSITA значительно уступает «Чандре» по угловому разрешению, она имеет уникально большое поле зрения, позволяющее быстрее просматривать небо. Там, где «Чандре» понадобится несколько недель, eROSITA справится за сутки.
По чувствительности «Спектр-РГ» не уступает «Чандре» и XMM-Newton, зато позволяет принимать значительно более жёсткое рентгеновское излучение: до 30 кэВ против 10—12 кэВ. Обзоры неба в жёстком рентгене делались и ранее, например аппаратами RXTE, «Интеграл» и Swift, однако «Спектр-РГ» по чувствительности превосходит предшествующие телескопы в 30—40 раз, что сделает новый обзор неба значительно полнее. Ни один из прежних телескопов не содержал семи зеркальных модулей.
Два оставшихся аппарата серии «Спектр», пока ещё разрабатываемые — «Спектр-УФ» («Ультрафиолет») и «Спектр-М» («Миллиметрон»), — будут запущены в лучшем случае во второй половине 2020-х годов.
Статьи по теме
- Телескоп имени Э.Хаббла: 20 лет на орбите
- РЕНТГЕНОГРАММА МЕТАГАЛАКТИКИ
- «Ломоносов» и «Мастер» увидели край Вселенной
Читайте в любое время
