«Мы проведем тотальную перепись»

Двадцать первого июня с космодрома Байконур в космос отправится новая крупная российская космическая обсерватория — аппарат «Спектр-РГ», который составит обзор всего неба в рентгеновском диапазоне. Он будет вести наблюдения с помощью двух телескопов — изготовленного в Германии прибора eRosita и российского ART-XC. Редакция N + 1 с помощью Михаила Павлинского, заместителя директора Института космических исследований РАН, разбиралась, какие объекты сможет разглядеть аппарат, что нового он сможет узнать о рентгеновской Вселенной и чем новая обсерватория отличается от уже существующих.

Сначала немного физики. Человеческий глаз видит только в оптическом диапазоне спектра, покрывающем волны длиной от 380 до 740 нанометров. Со стороны волн с большей длиной, что эквивалентно меньшим частотам колебаний и энергиям одного фотона, находятся инфракрасный, микроволновый и радио- диапазоны. С противоположной стороны расположены — ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма- диапазоны.

В зависимости от механизма излучения свечение объектов во Вселенной может происходить на разных длинах волн. Из-за этого, например, радиояркость Солнца оказывается сравнимой с яркостью Млечного Пути, благодаря чему на Земле не существует «радионочи» — присутствие Солнца над горизонтом обычно не мешает наблюдениям в радиодиапазоне. В то же время в видимом спектре Солнце светит на порядки сильнее любых других объектов, а рассеяние его света атмосферой полностью исключает оптические наблюдения днем.

Существуют объекты, которые относительно ярки только в высокоэнергетических областях спектра, таких как рентгеновский и гамма-диапазон. Их исследование с поверхности Земли невозможно, так как волны столь малой длины полностью поглощаются атмосферой. Следовательно, для их изучения нужно подниматься над газовой оболочкой нашей планеты, что впервые было сделано в середине XX века при помощи аппаратуры, установленной на суборбитальной ракете.

Возможно проведение таких наблюдений и с высотных стратостатов, однако для того, чтобы условия были наилучшими, необходимо вывести детекторы на орбиту Земли или еще дальше.

Теперь обратимся к методике астрономических наблюдений. Существуют два типа наблюдений, предъявляющих разные требования к оборудованию. Один из них подразумевает проведение крупномасштабного обзора (в идеале — всего неба) с целью собрать информацию о совокупной популяции видимых объектов. Второй режим связан с детальным наблюдением конкретных объектов.

Для обзора необходимо достаточно большое поле зрения, позволяющее за разумное время покрыть значительную площадь, а для подробного изучения — наоборот, малое поле зрения и высокое угловое разрешение.

Чаще всего обсуждаются результаты инструментов с высоким угловым разрешением: «Хаббл» в оптике, «Радиоастрон» в радиодиапазоне, «Чандра» и XMM-Newton в рентгеновском. Вместе с тем исключительно важными являются обзоры, позволяющие создавать каталоги небесных объектов и проводить статистический анализ.

Известными примерами таких астрономических обзоров являются SDSS (в оптическом диапазоне) и 2MASS (в инфракрасном). Особым случаем можно назвать реликтовое излучение, которое приходит со всех направлений и, следовательно, требует обзора для изучения.

Самый значимый и единственный полноценный обзор в мягком рентгеновском диапазоне был проведен немецким спутником ROSAT, действовавшим с 1990 по 1998 год. Его основной прибор работал на энергиях от 0,1 до 2,4 килоэлекронвольта (длины волны от 12 до 0,5 нанометра), что позволило составить каталог 2RXS, куда попало около 135 тысяч объектов с потоками порядка 10^-13 эрг на квадратный сантиметр в секунду и выше. Для сравнения — обычный рентгеновский поток спокойного Солнца находится на уровне 10^-8 ватт на квадратный метр, то есть 10^-11 эрг на квадратный сантиметр в секунду.

Новые инструменты

Основной инструмент на борту «Спектр-РГ» — это телескоп eRosita (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array, или Расширенные наблюдения в рентгеновском диапазоне с помощью матричного телескопа). Ему за первые четыре года работы спутника предстоит составить обзор нового поколения. Этот обзор будет покрывать весь мягкий рентгеновский диапазон и обладать гораздо более высоким угловым разрешением на уровне 16 угловых секунд дуги.

Российский телескоп ART-XC (Astronomical Roentgen Telescope – X-ray Concentrator, или Астрономический рентгеновский телескоп – концентратор рентгеновских лучей) будет сопровождать наблюдения в более жестком диапазоне вплоть до энергий 30 килоэлектронвольт.

Рентгеновский обзор позволит обнаружить все тяжелые скопления галактик во Вселенной. Эти данные в первую очередь важны для космологии, так как предоставят новую информацию о крупномасштабной структуре распределения вещества и ее эволюции с течением времени. В свою очередь, эта информация поможет точнее определить влияние темной материи и темной энергии на обычное вещество на протяжении миллиардов лет существования скоплений галактик.

Аппарат будет запущен в точку Лагранжа L₂, которая расположена на расстоянии полутора миллионов километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу. В этой области суммарная гравитация Земли и Солнца уравновешивается центробежными силами, поэтому любой объект, оказавшийся в этой области, делает один оборот вокруг Солнца синхронно с Землей, ровно за один земной год.

В окрестностях этой точки может находиться космический аппарат, но в долгосрочной перспективе она неустойчива, из-за чего аппарату необходима периодическая корректировка орбиты при помощи двигателей.

«Спектр-РГ» будет делать один виток вокруг L₂ за полгода, при этом отдаляясь от плоскости эклиптики до 400 тысяч километров. В течение первого обзорного этапа миссии аппарат проведет наблюдение всего неба восемь раз, что позволит не только повысить точность собираемых данных, но и обнаружить долговременную переменность.

Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом происходит не так, как в оптическом диапазоне. В частности, из-за высокой энергии каждого кванта света ретгеновские фотоны почти всегда поглощаются и ионизируют вещество, что делает невозможным создание полноценных рентгеновских зеркал. Однако если угол падения очень близок к 90 градусам, то возможно отражение от некоторых металлов — на этом основан принцип функционирования зеркал косого падения, способных работать с фотонами мягкого рентгеновского диапазона.

Инструменты «Спектр-РГ» состоят из 7 зеркальных модулей, а число зеркальных оболочек в них равно 28 у ART-XC и 54 у eRosita в каждом модуле.

Научная программа

Мы поговорили о задачах нового прибора с одним из руководителей проекта Михаилом Павлинским, доктором физико-математических наук и заместителем директора ИКИ РАН по научной работе.

N + 1: Какова основная цель спутника «Спектр-РГ»?

Михаил Павлинский: Главная задача — это сделать обзор всего неба в рентгеновских лучах.

Последний обзор в рентгеновском диапазоне делал ROSAT?

Не совсем так. ROSAT работал на энергиях в единицы килоэлектронвольт — это мягкий рентгеновский диапазон. В более жестком диапазоне делалось достаточно много других обзоров. Например, европейской миссией «Интеграл» на энергиях начиная с 17 килоэлектронвольт, также делали обзоры аппараты RXTE и Swift. Тем не менее, в них используется техника кодированной апертуры и, соответственно, чувствительность у них хоть и потрясающая, но по сравнению с более мягким диапазоном не самая высокая. Нам хотелось бы делать более глубокие обзоры.

Произведенная немецким консорциумом eRosita будет примерно в 30, если не в 40 раз чувствительнее ROSAT. С ее помощью мы сделаем обзор неба и в том же диапазоне, и в несколько более жестком.

Что является основным источником излучения в данном диапазоне?

Главным образом, это скопления галактик.

В них светит горячий разреженный газ, окутывающий все скопление?

Совершенно верно. Скопление галактик — это основной элемент крупномасштабной структуры Вселенной, которая формируется под влиянием темной энергии.

Изначально вещество было распределено достаточно равномерно, но затем начали появляться неоднородности, возникновение которых связано с наличием сгустков темной материи. После этого обычное, барионное вещество в виде газа начало проваливаться в гравитационный потенциал, созданный темной материей.

При этом газ нагревается до высоких температур в миллионы градусов и начинает активно излучать в рентгеновском диапазоне длин волн. Соответствующие этим облакам газа протяженные источники будут указывать нам на наличие скопления галактик в данном направлении. При этом по массе этого газа в десяток раз больше, чем собственно галактик вместе со всеми звездами.

Наша задача — обнаружить эти скопления, дать указания оптическим телескопам навестись в этом направлении, по возможности измерить красное смещение по смещению спектральных линий и определить расстояние до этих скоплений, а также, если объект достаточно яркий, то попробовать определить его массу. Так мы проведем перепись всех скоплений галактик в нашей Вселенной. Ожидается, что их будет примерно сто тысяч.

Сколько примерно сегодня известно скоплений?

Уже тысячи скоплений известны.

То есть это проценты от того, что вы ожидаете увидеть?

Да, но дело в том, что мы сделаем перепись тотальную, стопроцентную. Других скоплений вы никогда больше не обнаружите, мы откроем все, которые сформировались во Вселенной, так как скоплений с массой больше 3 × 10¹⁴ масс Солнца ожидается считанное количество. Есть, конечно, группы галактик меньшей массы, но их поиск — это уже другая задача. В рамках миссии СРГ мы увидим все крупные скопления, которые уже сформировались на красном смещении, равном двум.

Вторая глобальная задача — это ядра активных галактик, в которых находятся массивные черные дыры. Мы хотим получить выборку в несколько миллионов таких объектов.

Они будут в относительно близких галактиках или в далеких, так же как и скопления?

Нет, они даже дальше скоплений, до красного смещения, равного семи. Фактически это первые сверхмассивные черные дыры, которые появились в нашей Вселенной.

Существуют ли рентгеновские источники в нашей Галактике, сможет ли «Спектр-РГ» рассказать что-то о них?

В обзор, конечно, попадут и галактические источники, так как мы все небо будем наблюдать. Соответственно, у нас будет и рентгеновский хребет, и центр нашей Галактики. Также будут сотни тысяч коронально активных звезд, будут десятки, сотни или даже тысячи катаклизмических переменных.

У «Спектр-РГ» хватит чувствительности, чтобы посмотреть всю нашу Галактику насквозь. По сути дела, мы сможем провести перепись всех двойных систем, где компактный объект — нейтронная звезда, черная дыра или белый карлик. Нам удастся всех их зарегистрировать и нанести на карту, то есть провести тотальную перепись «населения». Соответственно, будет зарегистрирована переменность объектов, транзиентные источники.

Исключительно интересными событиями должны стать приливные разрушения звезд черными дырами, которые мы будем видеть в качестве вспышек в рентгеновском диапазоне. Оценки показывают, что несколько сотен таких событий в год мы будем замечать.

Есть задачи и в Солнечной системе: планеты, начиная с Марса, Юпитера, Сатурна и так далее, перезарядка солнечного ветра на кометах — все это будет предметом изучения.

Всего в проекте заняты примерно 10 или 11 научных групп со своими задачами, начиная от Солнечной системы, звезд в наших окрестностях и дальше по расстоянию, пока чувствительности хватает. За пределами нашей Галактики начинается локальная Вселенная, то есть соседние галактики — Туманность Андромеды, Магеллановы облака и так далее. В них мы тоже все рентгеновские двойные будем видеть, плюс ультраяркие мягкие рентгеновские источники.

Но самое интересное — то, что мы будем наблюдать ядра активных галактик, которые скрыты от нас толстым тором газа, пыли, которые закрыты для мягкого рентгеновского излучения, но видны в жестком рентгеновском излучении. Здесь второй прибор ART-XC просто незаменим, он фактически расширяет энергетический диапазон, у него есть своя научная ниша.

Энергетическая калибровка ART-XC осуществляется при помощи радиоактивных изотопов, которые со временем распадаются. В этой связи высказывались опасения в связи с неоднократным переносом запуска. Можете их прокомментировать?

Я бы сказал, что это натянутая проблема. Действительно, у нас стоят комбинированные радиоактивные источники на основе америция-241 (период полураспада — 421 год) и железа-55 (период полураспада 2,73 года). Они были изготовлены достаточно давно, в 2011 или 2012 году Радиевым институтом им. В.Г. Хлопина в Питере.

Результаты последнего тестирования указывают, что пока идет достаточный поток для калибровок. Посмотрим, как ситуация будет развиваться дальше, но все это определяется экспозицией: мы можем выдвинуть источник для калибровки на одну минуту, а можем на час. Следовательно, не так уж и страшно падение интенсивности, потому что мы можем компенсировать его увеличением времени экспозиции.

Можно ли сравнить параметры обсерватории с параметрами самых известных сегодня рентгеновских телескопов — «Чандры» и XMM-Newton?

По угловому разрешению ничто не сможет конкурировать с «Чандрой», здесь и смысла никакого нет соревноваться. XMM-Newton — также прекрасная обсерватория. Обе они, как говорится, ударные и еще поработают.

Однако у нас своя ниша будет. В каком плане? Возьмем ART-XC — он начинает работать там, где и XMM, и «Чандра» уже перестают: «Чандра» эффективна до 7-8 килоэлектронвольт, ХММ — до 10 килоэлектронвольт. ART-XC работает до 30 килоэлектронвольт, при этом на 10 килоэлектронвольтах у него чуть ли не вдвое больше эффективная площадь, чем ХММ.

eRosita — это обзорный прибор с широким полем зрения около квадратного градуса. Естественно, это дает свои преимущества: если «Чандре» нужны миллионы секунд, чтобы покрыть достаточно большую площадку, то eRosita сможет покрыть то же поле за сутки.

По эффективной площади eRosita примерно в 5 или 6 раз больше «Чандры». По количеству рентгеновских зеркальных систем это, скорее всего, будет спутник-рекордсмен.

А что с энергетическим разрешением?

В этом плане eRosita шикарна, она не уступает ни «Чандре», ни XMM-Newton, за исключением дифракционных решеток, которые нужны для совсем мягкого диапазона. Детекторы eRosita — ПЗС-матрица и pnCCD-матрица — сделаны в Германии теми же лабораториями, что делали регистрирующую аппаратуру для XMM-Newton. Поэтому в стандартном потоке данных, в том числе при построении изображений, у eRosita все будет хорошо.

Подготовил Тимур Кешелава