Когда в начале июля 2019 года с космодрома Байконур стартовала орбитальная астрофизическая обсерватория "Спектр-РГ", мир ученых замер в предвкушении большого открытия: у человечества появилась возможность увидеть то, что до недавнего момента было скрыто от глаз и существующей оптики, — подробную карту звездного неба, пусть и в рентгеновских спектрах.
На старт, внимание, пуск…
Над проектом трудились два научных коллектива: Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) и Института внеземной физики имени Макса Планка в Германии (Institut fuer Extraterrestrische Physik, MPE). Главная цель исследователей — построить карты всего звездного неба в мягком (0,3–8 килоэлектронвольт) и жестком (4–20 килоэлектронвольт) диапазонах рентгеновского спектра.
"Конечно же, обзоры и в оптике, и в инфракрасном диапазонах очень важны. Но главный плюс рентгеновского излучения в том, что оно обладает большей проникающей способностью. Например, центр нашей Галактики практически закрыт для оптического диапазона из-за сильного межзвездного поглощения света, идущего к нам", — рассказал один из научных руководителей проекта доктор физико-математических наук Михаил Павлинский.
Обсерватория "Спектр-РГ" оснащена двумя рентгеновскими зеркальными телескопами с беспрецедентной чувствительностью: российским ART-XC и немецким eROSITA, работающими по принципу оптики косого падения.
Запустить рентгеновских "зайчиков"
Все мы пускали в детстве солнечных зайчиков и знаем на практике, что лучи лучше всего отражаются от зеркал под прямым углом и поглощаются при косом падении. А вот с рентгеновскими лучами все с точностью до наоборот: они отражаются лучше, когда лишь скользят по поверхности зеркала, в то время как под прямым углом почти полностью поглощаются.
Самое сложно было не в том, чтобы создать такой аппарат — в этом ученым помогли специалисты федеральной космической программы и АО "НПО Лавочкина", — а в том, как научиться им управлять.
"Нужно приобрести достаточный опыт в его применении, выяснить все тонкости и научиться максимально использовать его сильные стороны", — говорит Михаил Павлинский.
Перед запуском обсерватории ученые занимались компьютерным моделированием и оптимизацией предстоящих наблюдений, но в этих симуляциях оставалось достаточно много неучтенных факторов.
"Например, никто никогда не измерял влияние фона заряженных частиц в районе точки Лагранжа (L2) на рентгеновские детекторы. А именно от величины этого фона зависит, какую стратегию проведения обзоров предпочесть: стараться увидеть больше слабых источников на небольшой площади или за то же время покрывать большие части неба, детектируя более яркие источники", — пояснил Илья Мереминский, научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.
Точка Лагранжа L2 находится за пределами орбит Земли и Луны в пределах планетарной полутени. В этом месте силы гравитации компенсируют действие центробежных сил, благодаря чему скорость вращения объекта вокруг Солнца становится равной скорости вращения Земли.
Точка L2 в системе "Солнце — Земля", располагающаяся за пределами орбиты Луны (масштаб не соблюден)
Ученые рассказали, что в жестком диапазоне рентгеновского спектра работать гораздо сложнее. И на российско-германской обсерватории установлен второй в мире телескоп, способный это делать.
"Основная идея — добавить жесткий диапазон — связана с поиском ядер активных галактик, которые скрыты от нас тором пыли, то есть имеют аномально сильное поглощение и не видны в мягком рентгене. Помимо этого, для ярких скоплений галактик мы сможем существенно помочь в определении температуры газа в скоплении по жесткому хвосту в спектре", — уточнил Михаил Павлинский.
Вдруг вспыхнет что-нибудь новое?
Первые две тестовые съемки области спирального рукава в созвездии Наугольника и Галактического центра провели в августе-сентябре 2019 года во время пролета обсерватории в район точки Лагранжа системы "Солнце — Земля". Параллельно были проведены наблюдения, имитирующие предстоящий обзор всего неба. Они были нужны для того, чтобы проверить работу системы ориентации обсерватории в космическом пространстве. Аппарат сделал несколько полных оборотов вокруг оси, соединяющей Солнце и Землю, сначала в одну, а потом и в другую сторону, что позволило рассмотреть полосу шириной в 1,5 градуса. Всего за месяц ученым удалось получить снимки более чем одного процента неба.
Карта направления прихода фотонов в галактических координатах, зарегистрированных телескопом СРГ/ART-XC в сентябре 2019 года
"Затем мы переключили свое внимание на проведение большого обзора Галактического центра в 40 квадратных градусов (это примерно в 200 раз больше, чем площадь Луны), — рассказал Илья Мереминский. — Плотность источников здесь наибольшая, и многие из них сильнопеременные, поэтому в эту область всегда интересно смотреть: вдруг вспыхнет что-нибудь новое!"
Для наглядности была построена карта неба в галактических координатах, на которую нанесли все события, зарегистрированные в жестком диапазоне спектра (4–12 килоэлектронвольт): чем ярче цвет на карте, тем больше фотонов пришло с этого направления на небе. В центре карты — Галактический центр, прямо над ним — Скорпион X-1, ярчайший рентгеновский источник на небе, с которого и началась история рентгеновской астрономии, а справа, под плоскостью Галактики, — Крабовидная туманность. Яркие площадки, разбросанные по карте, — это поля, в которых проводились измерения в режиме прямого наведения телескопа, узкие соединяющие их "дорожки" — следы перенаведений. А темно-оранжевыми кругами на карте ниже показаны так называемые полюса эклиптики — после завершения исследований наибольшее количество данных будет накоплено именно для этих областей. Плотность объектов здесь достигает 350 источников на квадратный градус.
Карта половины небесной сферы в галактических координатах, полученная телескопом СРГ/АРТ-ХС 1 апреля 2020 года
Космическая точность половины неба
К 1 апреля 2020 года удалось построить рентгеновскую карту половины неба — 20 637 из 41 253 квадратных градусов (полная площадь небесной сферы).
"Поразительно, сколько информации содержит эта карта, — рассказал научный руководитель миссии академик Рашид Сюняев. — Мы видим на ней десятки тысяч звезд с активными коронами (внешняя область звезды. — Прим. ред.), намного более яркими в рентгене, чем солнечная, остатки вспышек сверхновых звезд, пульсары, аккрецирующие белые карлики. Многие из этих объектов наблюдаются впервые".
Только в четверти неба, за обработку и анализ которой отвечают российские астрофизики, уже выявлено более 125 тысяч объектов. Среди них — ядра активных галактик и квазаров, где черные дыры поглощают все окружающее их, а также массивные скопления галактик, заполненные загадочным темным веществом. Притом что абсолютное большинство этих объектов находится в миллиардах световых лет от нас.
"Их яркость и положение на небе измерены с хорошей точностью, — пояснил Рашид Сюняев. — Например, положение большинства обнаруженных рентгеновских источников известно теперь с точностью выше десяти угловых секунд. Это позволяет нам отождествить часть открываемых объектов с источниками, которые уже были известны в оптическом или инфракрасном диапазонах спектра".
Михаил Павлинский рассказал, что после регистрации источника в рентгеновском диапазоне ученые изучают каталоги источников в оптическом и инфракрасном диапазонах и пытаются максимально быстро определить природу объекта и космологическое расстояние до него.
Поиски космических трюфелей
На полученной карте обращает на себя внимание Северный полярный шпур — ярчайшая и самая протяженная в мягких рентгеновских лучах область нашей Галактики. Также хорошо видна темная полоса, протянувшаяся вдоль Млечного Пути, где яркость излучения меньше, потому что мягкое рентгеновское излучение поглощают газ и пыль.
Карта четверти всего неба, полученная российским консорциумом СРГ/еРОЗИТА 29 марта 2020 года
Но, к сожалению, физически невозможно отобразить на такой карте положение и яркость всех обнаруженных источников — их слишком много и они сливаются друг с другом. Поэтому здесь можно увидеть лишь самые яркие объекты. Однако если рассматривать отдельные участки карты в увеличенном масштабе, то начинает раскрываться все богатство рентгеновского неба.
Например, особенно интересна для ученых центральная область нашей Галактики. В этом направлении в марте 2020 года, пусть и с несколько меньшей чувствительностью, в жестких рентгеновских лучах удалось вновь осмотреть около 400 квадратных градусов. В результате сравнения этой карты с той, которая была получена в сентябре 2019 года, оказалось, что некоторые объекты стали намного ярче, а другие, наоборот, практически погасли. В основном речь идет о черных дырах и нейтронных звездах, где "заглатывание" вещества со звезды-компаньона непостоянно.
"Рентгеновские источники, как правило, переменны. Каждый раз мы видим чуть другое распределение интенсивности, — рассказал Михаил Павлинский. — Мы планируем сделать восемь таких обзоров, то есть мы восемь раз пройдем по области Галактического центра и, конечно же, будем смотреть переменность всех видимых вспыхнувших и погасших источников. И только после перехода к фазе точечных наблюдений мы решим, за какими из объектов нам стоит отдельно понаблюдать".
Как уточнили специалисты, хотя в мягких рентгеновских лучах видно примерно в 1000 раз больше источников, многие из них присутствуют и на карте в жестких рентгеновских лучах.
Но есть источники, которые видны только в жестком спектре излучения, и именно они представляют особый интерес. Это как для сборщика грибов вдруг найти трюфель среди обычных съедобных грибов", — подчеркнул Михаил Павлинский.
Планируется, что обсерватория "Спектр-РГ" будет выполнять полный обзор всей небесной сферы каждые полгода, а первая полная рентгеновская карта будет получена к концу июня. Всего обсерватория, которая сейчас находится в полутора миллионах километров от Земли (в четыре раза дальше Луны), должна проработать в космосе не менее шести с половиной лет.
"Если все пройдет так, как мы задумывали, мы сделаем уникальную карту и каталог источников, который будет самым подробным в рентгеновском диапазоне. Очень надеюсь, что эти данные позволят нам продвинуться в фундаментальных знаниях о Вселенной, — уточнил Михаил Павлинский. — Но сначала эти данные необходимо получить. Путь очень тернистый".
