О чем рассказать 8 февраля — в День российской науки? Полагаем, что лучший выбор —рекорды российского научного проекта в дальнем космосе, рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ». О проекте рассказал Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН и научного руководителя телескопа ART-XC имени М. Н. Павлинского, специально для медиа Pro Космос.
8 декабря 2021 г. исполнилось два года успешной работе российской рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2. Она включает два телескопа: российский ART-XC имени М. Н. Павлинского и немецкий eROSITA, которые наблюдают небо в жёстком (4—30 кэВ) и мягком (0,3—10 кэВ) рентгеновском диапазоне, соответственно. Уникальность инструментов состоит в том, что хорошее разрешение они сочетают с большим полем зрения.
Примерно каждые полгода «Спектр-РГ» проводит полный обзор всего неба, а после 8 обзоров планируется перейти к точечному изучению самых интересных объектов. В конце декабря 2021 года был завершён четвёртый обзор. А к концу 2023 г. ожидается создание рентгеновской карты всего неба в 30—40 раз детальнее существующих на данный момент. Затем обсерватория перейдёт к исследованиям отдельных объектов или наиболее интересных областей неба.
Pro Космос: Можно ли сравнить «Спектр-РГ» с рентгеновскими обсерваториям Chandra и XMM-Newton?
Александр Лутовинов: Предыдущая карта неба в мягком рентгеновском диапазоне была сделана немецкой обсерваторией ROSAT (1990-1998 гг.) в начале 90-х. Мы предполагаем, что к концу 4-летнего обзора неба, когда мы сделаем 8 обзоров, карта неба в мягком диапазоне будет в 30-40 раз более чувствительна, чем полученная ROSAT. Если говорить про наш телескоп ART-XC, то он работает в более жёстком диапазоне и сделает карту в принципе лучше всего, что было до этого сделано. Мы за первый год работы уже зарегистрировали столько объектов, сколько другие обсерватории, работающие примерно в этом же диапазоне энергий, зарегистрировали за десятилетия работы.
Первый обзор неба СРГ/еРОЗИТА с указанием наиболее ярких и примечательных объектов и протяженных структур. Темная полоса на экваторе карты соответствует плоскости нашей Галактики Млечный Путь. Источник: М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)
Что касается обсерваторий Chandra и XMM-Newton, то они были созданы по тем же принципам, что и оба телескопа на «Спектре-РГ», — это зеркальные рентгеновские телескопы. Важнейшей составляющей таких инструментов являются зеркальные системы, которые фокусируют рентгеновские излучение на полупроводниковые детекторы. Отличие в том, что, несмотря на более высокую чувствительность, поле зрения Chandra и XMM-Newton достаточно ограниченное, они чисто технически из-за особенностей конструкции не могут сделать карту всего неба. Соответственно, оба телескопа обсерватории «Спектр-РГ» это сделать могут, — у них у обоих широкие поля зрения. И делают это лучше, чем инструменты предыдущих поколений, поскольку обладают большей чувствительностью.
Pro Космос: Какие космические объекты и явления «Спектр-РГ» может наблюдать? Тень чёрной дыры, процессы звездообразования, ядра галактик сквозь звёздную пыль, квазары на далёких красных смещениях/больших космологических расстояниях. Может быть, вы что-то выделите?
Александр Лутовинов: Основная цель — построить лучшую в мире карту Вселенной в рентгеновских лучах, то есть постараться увидеть максимально возможное число светящихся в рентгене объектов. Планируется увидеть все массивные скопления галактик, несколько миллионов сверхмассивных чёрных дыр, постараться заглянуть в глубины Вселенной как можно дальше.
Тень чёрной дыры мы, конечно, не увидим. Пару лет назад было опубликовано знаменитое изображение такой тени, но оно было получено в рамках глобального проекта Event Horizon Telescope, EHT (Телескоп горизонта событий). Проект объединил несколько телескопов и интерферометров, работающих в миллиметровом диапазоне, по всей Земле. Полученное угловое разрешение существенно превосходит любые единичные инструменты. В рентгене мы, конечно, такого не увидим. А вот различные процессы, связанные со звездообразованием, со вспышками сверхновых, с приливным разрушением звёзд под воздействием гравитации чёрных дыр… Вот это всё мы должны и уже видим, как и вспышки на звёздах, вспышки чёрных дыр, на нейтронных звёздах. Все эти самые высокоэнергетические процессы мы наблюдаем.
Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН и научный руководитель телескопа ART-XC имени М. Н. Павлинского. Фото: И. Соловей
Pro Космос: Были ещё обнаружены горячие короны в звёздах…
Александр Лутовинов: Звёзды светят и в рентгеновском спектре, в т.ч. и наше Солнце, хотя в нём оно не очень яркое. Но есть звёзды, которые светят [в рентгене] на несколько порядков ярче. У них очень мощное корональное излучение, вспышки которого мы также видим.
Pro Космос: Какие наиболее интересные переменные источники удалось увидеть в ходе проведённых четырёх обзоров?
Александр Лутовинов: Даже постоянные источники каким-то образом меняются, нет источника, который бы светил на абсолютно одинаковом уровне. Соответственно, переменность от разных объектов может наблюдаться на разных масштабах, от миллисекунд до нескольких лет. Когда мы сканируем небо, мы в течение нескольких десятков секунд проходим по объекту. За это время мы можем увидеть какую-то переменность на таком масштабе времени. Далее примерно в течение суток мы несколько раз возвращаемся к этому объекту через каждые четыре часа, а дальше мы эту область неба снова наблюдаем уже через полгода. Поэтому любые процессы, которые переменны на таких временных масштабах, мы можем отслеживать, изучать. И они могут быть совершенно разными. Если говорим о коротких периодах, то это, например, могут быть вспышки на нейтронных звёздах. Когда у вас есть нейтронная звезда, а рядом есть обычная звезда, чьё вещество под действием гравитации перетекает, падает на нейтронную звезду и постепенно накапливается на ее поверхности, то в какой-то момент там создаются условия для термоядерного взрыва, когда примерно за 10–15 секунд сгорает несколько масс Луны. Это безумная энергетика, которую на Земле, конечно, не достичь. И такие вспышки мы регистрируем, это позволяет нам лучше понять и измерить параметры нейтронных звезд, в частности, их радиусы.
Есть другие объекты, к примеру, переменные чёрные дыры или нейтронные звёзды. Из-за каких-то эволюционных процессов в обычной звезде, соседствующей с таким объектом, в двойной системе может начаться процесс аккреции, когда вещество со звезды начинает падать на нейтронную звезду или черную дыру, при этом сильно разогреваясь, до температур в десятки или даже сотни миллионов градусов. И тогда вдруг на небе неожиданно вспыхивает очень яркий рентгеновский источник. Такие процессы могут длиться неделями—месяцами.
Изображение участка близкой галактики Большое Магелланово Облако в направлении на туманность Тарантул, полученное телескопом eROSITA. Диаметр изображения 1 градус. Цвет характеризует жесткость спектра рентгеновского излучения. Источник: Роскосмос
А есть события приливного разрушения звёзд сверхмассивными чёрными дырами. Как правило, такие процессы происходят за несколько месяцев—полгода-год. Исследуя изменения на небе на разных масштабах времени, например, сравнивая карты, полученные каждые полгода, можно видеть такие переменные объекты, которые съедают обычные звёзды, т.е. видеть процессы приливного разрушения. К настоящему времени обсерватория Спектр-РГ уже зарегистрировала несколько десятков таких событий, идёт дальнейшая работа над анализом данных.
Pro Космос: «Спектр-РГ» находится в точке либрации L2. Чем был обоснован её выбор?
Александр Лутовинов: Точка Лагранжа L2 для нас довольно необычна, ни один отечественный космический аппарат ещё туда до «Спектр-РГ» не летал. Хотя другими космическими агентствами эта точка уже давно начала активно использоваться. Её преимущество в том, что вы находитесь в очень комфортных фоновых и тепловых условиях. Для того, чтобы получить самую подробную и чувствительную карту неба, вы должны регистрировать очень слабые объекты. И эти интересные для нас, буквально штучные, фотоны необходимо обнаружить на фоне излучения Галактики, да и самого аппарата (о него самого, например, бьются заряженные частицы, которые или сами попадают в детекторы или вызывают излучение вторичных рентгеновских и гамма-квантов), что страшно мешает наблюдениям. Поэтому чем стабильнее и меньше фон, тем его намного легче вычитать и убирать, как-то с ним работать. Вторая особенность точки L2 — стабильные и предсказуемые тепловые условия. Немецкий телескоп eROSITA работает при температуре примерно -85°С, т.е. при криогенных температурах. Чтобы достичь таких условий вам необходимо куда-то излучать, сбрасывать тепло, поэтому на телескопе стоят мощные радиаторы. И они, естественно, чрезвычайно чувствительны к изменению тепловых условий. В точке L2 можно создать стабильные тепловые условия, когда и Солнце, и Земля у нас находятся с одной стороны, примерно на одной линии. Это и было основными преимуществами, определившими выбор L2.
Делать обзор неба, летая возле Земли, конечно, тоже можно, и ROSAT именно так и работал. Там достаточно хорошие фоновые условия, когда вы летаете под радиационными поясами, но там есть свои тонкости с обеспечением других условий. В этом плане точка L2 очень комфортна, особенно для таких обзорных миссий. Туда летали телескопы «Планк» (реликтовое излучение) и «Гершель» (ИК), сюда же летит и «Джеймс Уэбб». В ближайшее десятилетие планируется еще несколько миссий для работы в этой области космического пространства. Но пробки там не будет, каждый КА летает по своей собственной гало-орбите, мы, например, летаем на орбите размером 800 000 км вокруг точки L2 .
Рабочая орбита обсерватории «Спектр-РГ». Источник: Роскосмос/DLR/СРГ
Pro Космос: Какие зарегистрированные объекты больше всего заинтересовали учёных?
Александр Лутовинов: На карте eROSITA уже несколько миллионов объектов, на карте ART-XC около тысячи объектов. Разница вполне понятна, потому что это разные диапазоны, они дополняют друг друга, позволяя построить целостную картину Вселенной. Природа устроена так, что в подавляющем большинстве случаев мягких фотонов на порядки больше, поэтому и объектов в таких лучах видно также значительно больше Объекты, которые нас в первую очередь заинтересовали, — это те, которые видит ART-XC, но не видит eROSITA. Это так называемые сильно поглощенные сверхмассивные черные дыры в центрах других галактик (поглощаются не черные дыры, а излучение от них пылью и газом). Пространственная ориентация этих объектов относительно наблюдателя такова, что испускаемое центральным объектом излучение проходит через огромное количество галактической пыли и газа. При этом мягкое рентгеновское излучение практически полностью поглощается в такой среде, а более жесткое проходит без значительных изменений. Обнаружение и полная перепись таких поглощенных объектов очень важна, потому что в зависимости от соотношения, сколько таких объектов на небе, мы можем правильно оценить общее количество сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной.
Что ещё интересно? Например, самые далёкие объекты, которые зарегистрировал «Спектр-РГ». Это, в частности, квазар, который светил, когда Вселенной было буквально 800—900 млн лет (для справки – современный возраст Вселенной оценивается примерно в 13,7 млрд лет). И таких объектов, обнаружено уже довольно много, они очень интересны с точки зрения понимания того, как на таком малом масштабе Вселенной смог образоваться такой огромный и яркий объект.
Кроме того, в нашей Галактике телескоп ART-XC обнаружил несколько новых систем, одной из которых оказался микроквазар. Это чёрная дыра звездной массы, которая очень ярко вспыхнула, и продолжает сейчас светить как в радиодиапазоне, так и в инфракрасном, видимом и даже в гамма-лучах. Всё это говорит о том, что в нашей Галактике находится очень необычный объект, который до этого просто никто не видел.
Александр Лутовинов и профессор Отмар Вистлер (Otmar D. Wiestler), президент Объединения имени Гельмгольца 8 февраля 2019 года. Фото: Т. Жаркова, ИКИ РАН
Если уж говорить про обнаружение тёмной материи и энергии, то для того, чтобы попытаться сделать какие выводы об их возможных свойствах, необходимо, в первую очередь, чтобы у вас было много объектов. Например, тех же самых скоплений галактик. Наши немецкие коллеги, работающие с данными телескопа eROSITA, недавно выпустили статью по результатам наблюдений небольшого участка неба во время предварительной фазы калибровочных наблюдений в 2019 г., т.е. перед началом обзора. Они отсмотрели участок неба размером примерно 140 кв. градусов с экспозицией, которая будет достигнута после четырёхлетнего обзора, чтобы понять, сколько вообще там будет скоплений галактик, как они буду распределены. И нарисовали замечательную трёхмерную картину, какие скопления галактик на каких космологических расстояниях находятся и какие у них массы.
Собственно говоря, исследуя распределения скоплений галактик во Вселенной на разных расстояниях и с разными массами, предполагается, что можно будет оценить вклад тёмной энергии в эволюцию Вселенной. Вселенная же сейчас расширяется с ускорением, при этом считается, что раньше этот процесс проходил вообще без ускорения, либо с меньшим, чем сейчас. В зависимости от того, как сформировались скопления галактик, на каких расстояниях они находятся, какие у них массы, можно будет получить оценки вклада тёмной энергии в историю Вселенной.
Pro Космос: То есть тёмная энергия, — это та, которая отвечает за расширение Вселенной?
Александр Лутовинов: Да. И про тёмную материю тоже можно говорить. Она содержится внутри галактик, внутри скоплений галактик. Если построить карту сливающихся скоплений, можно увидеть, например, что барионная составляющая движется по одному, а не барионная составляющая — по-другому. Отсюда можно получать прямые оценки тёмной материи, её вклада в общую массу Вселенной.
Pro Космос: А может ли «Спектр-РГ» применяться для исследования чего-то близкого, например, ближайшей звезды?
Александр Лутовинов: На самом деле мы очень много занимаемся изучением и нашей собственной Галактики. Мы смотрели и на сверхмассивную чёрную дыру в центре Млечного пути. Просто сейчас мы делаем обзор всего неба, который в первую очередь имеет, скажем так, внегалактическую, космологическую направленность. Но в этом обзоре мы регистрируем и огромное число галактических источников. В чём проще работать вне Галактики? Если вы находитесь внутри Галактики, измерить расстояние до объекта в ней чрезвычайно сложно. А вот измерить расстояние до источника, находящегося в какой-нибудь другой галактике, особых проблем не представляет (по спектру, по красному смещению). Тем не менее, внутригалактических объектов мы тоже видим очень много, — их сотни тысяч. По ним должна быть проведена отдельная большая работа, потому что изначально необходимо ещё определить их природу. Для того, чтобы, к примеру, определить природу внегалактического объекта, можно провести корреляцию между рентгеновским и видимым спектром. А дальше, если у вас есть оптические данные в разных диапазонах длин волн, вы можете получить псевдоспектр, по которому предсказать, является ли это активным ядром или звездой в нашей Галактике.
Обсерватория «Спектр-РГ». Источник: Роскосмос
Например, усилиями наших молодых коллег, на основании методов машинного обучения и нейронных сетей, была создана «машина», которая просматривает миллионы таких объектов, отбрасывает объекты нашей Галактики, проводит корреляцию с данными рентгеновского обзора, отбирая таким образом потенциально интересные внегалактические объекты для дальнейшего изучения. Сейчас мы работаем над второй стороной этой задачи, в которой надо отбросить все внегалактические объекты, постаравшись сосредоточиться на внутригалактических, чтобы провести корреляцию с тем, что у нас есть в рентгене и оптике.
Ну а ближайшие к нам звёзды, — они есть, особенно хорошо видны телескопом eROSITA, так как они светят в мягком диапазоне. Этот телескоп видит сотни тысяч звёзд, далёких и близких, в т.ч. в непосредственной близости к Солнечной системе.
Pro Космос: Была новость, что стратегию обзора хотят немного поменять, чтобы после проведения четырёх полных обзор перейти к точечным исследованиям наиболее интересных мест. С чем это связано?
Александр Лутовинов: На официальном уровне это пока не обсуждалось. Пока наша изначальная цель остаётся неизменной — провести восемь полных обзоров неба, получить самую глубокую карту и только потом переходить в режим точечных наблюдений.
