Вселенские «трюфели» и звездные маяки: российская обсерватория «Спектр-РГ» начинает новую жизнь

Астрофизик рассказал о «второй жизни» «Спектр-РГ»

Наша Вселенная «увеличилась» почти в 40 раз! Конечно, речь идет о количестве объектов, что видят астрофизики в самые совершенные телескопы. Если в 1990-е они насчитывали в нашем гигантском космическом доме 120 137 объектов, теперь по результатам работы российской обсерватории «Спектр-РГ» у них появилась информация о четырех с лишним миллионах! Галактики, черные дыры, звезды, землеподобные экзопланеты, квазары, пульсары… О самой свежей «переписи» Вселенной, а также о продолжении работы уникального космического аппарата, который «пошел» на удвоение своего гарантийного срока, мы побеседовали с замдиректора по научной работе Института космических исследований РАН Александром ЛУТОВИНОВЫМ. 

Спектр-РГ. Фото: ИКИ РАН.

Обсерватория «Спектр-РГ» («Спектр-Рентген-Гамма») — российская орбитальная астрофизическая обсерватория, созданная при участии немецких специалистов для построения полной карты Вселенной в рентгеновском диапазоне энергий. Она состоит из двух рентгеновских телескопов: немецкого eROSITA, работающего в мягком рентгеновском диапазоне, и российского ART-XC имени М.Н. Павлинского, работающего в жёстком рентгеновском диапазоне. К слову, жесткий обладает колоссальной энергией, свыше 10 кэВ (килоэлектронвольт), которая «видит» сквозь самые плотные сгустки материи и применяется там, где мягкий бессилен.

 Оба телескопа установлены на платформе «Навигатор», созданной в НПО им. Лавочкина, которое также управляет обсерваторией. 13 июля 2019 года она была запущена ракетой-носителем тяжелого класса «Протон-М» в окрестности точки Лагранжа L2 системы «Солнце—Земля».

Справка «МК». Точка Лагранжа – особое место в космосе, где гравитация двух массивных тел (например, Солнца и Земли) точно уравновешивает центробежную силу, действующую на малый объект. Помещенный в такую точку космический аппарат может «зависнуть» неподвижно относительно этих планет, затрачивая минимум топлива на удержание позиции.

1,5 миллиона километров  от нашей планеты до L2  аппарат достиг за три с лишним месяца, к 21 октября 2019 года. На сегодняшний день «Спектр-РГ» отработал уже почти семь лет (при гарантийных шести с половиной), вся аппаратура его работает отлично, и он продолжает обращается по гало-орбите вокруг точки Лагранжа, каждый день присылая на Землю новую информацию.

Новый инструмент

– Александр Анатольевич, расскажите немного об истории создания звездных карт.

– По сравнению с европейской обсерваторией ROSAT, которая создавала предыдущую карту Вселенной в мягких рентгеновских лучах в 90-е годы, наш «Спектр-РГ» уже собрал в 30-40 раз больше информации. 

  Нельзя не сказать про то, что в космосе в разные годы работали и работают и другие рентгеновские обсерватории, например, американская «Чандра», европейская XMM им. Ньютона или международные обсерватории «Интеграл» или «Swift». Первые используют зеркальную оптику, имеют высокую чувствительность, но при этом небольшие поля зрения, что не позволяет строить карты больших областей неба. Инструменты последних двух работают по другим физическим принципам и  имеют большие поля зрения, но существенно более низкую чувствительность и гораздо худшее угловое разрешение, нежели у зеркальных. 

 Уникальность телескопов обсерватории «Спектр-РГ» в том, что в них совмещены оба преимущества – высокая чувствительность и большие поля зрения. Также мы можем строить карты одновременно и в мягком, и в жестком диапазонах энергий.  

Справка «МК». Российская программа космических обсерваторий серии «Спектр» направлена на изучение Вселенной в разных диапазонах электромагнитного излучения, включает успешно завершенную миссию «Спектр-Р» (радиодиапазон), действующую обсерваторию «Спектр-РГ» (рентген), а также готовящиеся проекты «Спектр-УФ» (ультрафиолет), «Спектр РГН» (рентген) и «Спектр-М» (субмиллиметровый/ИК-диапазон).

– Как принималось решение обновить карту Вселенной? Ученые изучили все, что было открыто ранее?

– Любой инструмент создается для решения каких-то задач. Он получает научные данные, – с этими научными данными работает достаточно много специалистов, исследователей. Где-то в середине 2000-х годов стало понятно, что потенциал данных обсерватории «ROSAT» практически исчерпан. То есть всё, что можно было «вытащить» из них, было использовано, – построены космологические теории, определены конкретные объекты. Было понятно, что нужно заглянуть дальше, ведь Вселенная гораздо богаче, чем мы знаем, и о чем нам говорили предварительные результаты, полученные по небольшим площадкам неба узконаправленными аппаратами. 

  Поэтому под руководством научного руководителя обсерватории «Спектр-РГ» академика Рашида Алиевича Сюняева была сформулирована амбициозная научная цель обсерватории — построение самой подробной карты Вселенной в рентгеновском диапазоне. Чувствительность аппаратуры оказалась в 30–40 раз выше, чем у ROSAT, как мы и предполагали.

– И это был первый запуск российского аппарата в точку Лагранжа…

– Совершенно верно, – для отечественной космонавтики это был большой вызов. До этого мы много куда летали, даже дальше, к Марсу, Венере. Но на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли работали впервые, тем более, на ежедневной основе в течение почти семи лет. 

– Опишите, как вращается обсерватория?

Обсерватория вращается вокруг точки Лагранжа, описывая круг по сложной гало-орбите вокруг нее за 6 месяцев. При этом она вращается еще и вокруг своей оси с периодом в 4 часа. И все это время она сканирует окружающее пространство. За сутки обсерватория делает шесть оборотов, получая карту неба в полоске шириной 1 градус. Таким образом, двигаясь вместе с Землей вокруг Солнца, обсерватория может за полгода просканировать все небо.

 

Новая карта Вселенной,сделанная «Спектром-РГ». Фото: ИКИ РАН.

                                         

Характеры «небожителей»

– Так сколько же на небе объектов, вы сейчас можете сказать?

– Уточню, – мы можем сказать, сколько мы видим при помощи телескопов… В общей сложности на нашей новой карте Вселенной, сделанной при помощи восьми обзоров неба «Спектром-РГ», насчитывается около 4 миллионов объектов, видимых в мягком излучении (это звезды, планеты, галактики, скопления галактик и т.д.) и около 4000 объектов в жестком диапазоне рентгеновских волн (это самый полный каталог рентгеновского диапазона на сегодняшний день, описывающий нейтронные звезды, черные дыры, активные ядра галактик и другие объекты). Наша карта ещё уникальна тем, что объекты видны детально благодаря высокому угловому разрешению. То есть, если раньше источники на небе были как бы размыты, а теперь они видны более отчетливо. 

– А можете выделить по типам объектов, к примеру, сколько на новой карте галактик, звезд, черных дыр…?

– На карте сейчас оказалось примерно 50-60 тысяч скоплений галактик, несколько сотен тысяч звезд и около 3 миллионов сверхмассивных черных дыр, которые находятся в центрах далеких галактик. 

– Внушительные количества…

– Да, но это лишь начало. Теперь множеству ученых предстоит исследовать все эти объекты в оптике, измерив расстояние до них, оценив массу. Это очень трудоёмкая и большая работа. Иными словами, если сравнивать нашу работу с переписью населения страны, то, узнав, сколько у нас граждан, надо теперь разобраться, какие у них характеры, где они работают и так далее… По словам Рашида Алиевича, данных «Спектра-РГ» хватит ученым для научных исследований еще лет на 15-20.

– Давайте возьмем самых многочисленных «граждан» – активные ядра галактик (они же – сверхмассивные черные дыры). Какие характеристики можно у них выделить?

— Расстояния, массы, спектры… В каталоге обсерватории «Спектр-РГ» – миллионы объектов, и вот так просто, как говорится, руками, каждый из них не проанализируешь. Тут нам на помощь приходят методы машинного обучения, или как сейчас модно говорить, искусственный интеллект. С его помощью мы можем отфильтровать объекты, оставив только потенциальных кандидатов в активные ядра галактик, сверхмассивные черные дыры. Нас особо интересуют те, которые родились в самой ранней Вселенной.

Что там, за невидимой «стеной»?

– И как далеко вам удалось «заглянуть» в просторы Вселенной?

– Самому далекому объекту Вселенной, который «увидела» обсерватория «Спектр-РГ», около 800 миллионов лет от Большого взрыва. Мало того, что он так далеко, так еще его светимость оказалась почти на порядок выше других сходных объектов.

Справка «МК». Большой взрыв, согласно общепринятой космологической модели, произошел около 14 миллиардов лет назад, дав начало образования Вселенной.

– Если свет от этой черной дыры летел к нам почти 14 миллиардов лет, можно ли предположить, что ее уже нет в природе?

– Почему? Она, вполне может существовать и сейчас, она же сверхмассивная, массой миллиард или даже больше масс Солнца. Если верить Стивену Хокингу, такие, в отличие от малых черных дыр не успевают испариться за космологическое время.

– Сколько таких, самых больших и далеких квазаров вы насчитали?

– Несколько десятков, но предполагаем, что их гораздо больше.  

– Чем важны исследования этих объектов?

– Интересно узнать, как родились эти сверхмассивные объекты? На каких временных и пространственных масштабах? Условно говоря, наша Вселенная еще ходила в детский сад, а черные дыры массой в миллиарды Солнц уже существовали. Космологи размышляют сейчас об этом феномене. Если говорить о некоторых похожих объектах, которые видит аппарат NASA «Джеймс Уэбб», те родились еще раньше – 200-300 миллионов лет от Большого взрыва. 

– А что говорят сегодня теоретики по поводу возникновения черных дыр?

– В ранней Вселенной, когда стали образовываться первые звезды, они были очень большие – каждая по 200-300 масс нашего Солнца. Эти объекты быстро прогорали и таким образом могли образовывать черные дыры звездных масс. Дальше те черные дыры могли слипаться в более крупные, массой в сотни тысяч масс Солнца, а те, в свою очередь – в сверхмассивные, массой в миллиарды масс Солнца. 

  Но есть другие гипотезы. Например, достаточно популярна гипотеза о неких первичных черных дырах, которые родились еще до того, как появилось реликтовое излучение. 

Справка «МК». Реликтовое излучение – это слабое тепловое эхо Большого взрыва, равномерно заполняющее всю Вселенную. Его представляют, как невидимый «свет» и тепло, оставшиеся от рождения нашего мира, которое сейчас доходит до нас со всех сторон. Это своеобразная фотография Вселенной в её младенчестве, когда ей было около 380 тысяч лет.

– Но после Большого взрыва?

– Естественно. Сначала был Большой взрыв, потом прошло несколько стадий развития Вселенной: она расширилась, остыла, затем стала прозрачной для излучения. С этого периода мы и регистрируем то самое реликтовое излучение. За него мы заглянуть уже не можем, потому что всё до него как будто закрыто от нас стеной. Последняя, самая дальняя информация, которая поступает к нам в электромагнитном диапазоне, это поверхность последнего рассеяния, то есть 380 тысяч лет от начала Взрыва. Так вот, те самые новые гипотезы, о которых я сказал, говорят нам о том, что сверхмассивные черные дыры родились за той самой образной стеной, за которую мы не можем заглянуть, до того, как Вселенная стала прозрачной. Такие объекты можно будет обнаружить, только если удастся зарегистрировать первичные гравитационные волны, они могут нести в себе информацию из-за этой «стены».

 Наш телескоп ART-XC, созданный в ИКИ РАН в сотрудничестве с Федеральным ядерным центром в Сарове, ведет активный поиск сверхмассивных черных дыр, окруженных в своих галактиках толщей газа и пыли, из-за которых они не видны в мягких рентгеновских лучах. А для жесткого рентгена эта пыль и газ прозрачны. 

Звездные «грибники»

– Выделите самый яркий квазар из найденных им?

– Он находится сравнительно недалеко от нас, – свет от него шел 5 миллиардов лет, всего лишь… Он очень яркий, у него большая энергетика, но при этом его не видно в мягком рентгене. Михаил Николаевич Павлинский (ушедший от нас в 2020 году руководитель нашего проекта и создатель телескопа ART-XC) сравнил как-то такие квазары с редкими трюфелями, спрятанными под землей, которые вдруг открываются грибнику после тысячи собранных опят и сыроежек. 

  Из наиболее ярких результатов телескопа ART-XC я бы еще выделил миллисекундный пульсар – быстро вращающуюся вокруг своей оси (с периодом  2,3 миллисекунды) нейтронную звезду. Это очень интересный и редкий  объект, существующий в тесной двойной системе, – он вращается вокруг центра масс вместе с обычной  звездой, которая весит всего четверть массы Солнца. Вдобавок он еще демонстрирует термоядерные взрывы на поверхности! Мы увидели при помощи ART-XC 19 таких всплесков, определили не только период вращения нейтронной звезды, но и орбитальный период в системе – чуть больше 5 часов, размер внутреннего края аккреционного диска вокруг нейтронной звезды  (он составляет всего 25 километров), химический состав вещества, которое взрывается на поверхности нейтронной звезды (основу его составляет гелий, а водорода – всего 16%). И все это – об объекте, который находится в тысячах световых лет от нас! 

 Третий объект, который хотелось бы выделить, — это новая черная дыра, которая вспыхнула в 2023 году недалеко от центра нашей Галактики и в какой-то момент стала самым ярким объектом рентгеновского неба. Мы оценили ее массу примерно в 10 масс Солнца.

Аномальная светимость «Геркулеса-Х1»

– Какие объекты больше интересны именно вам?

– Несмотря на всю таинственность черных дыр, мне более интересны нейтронные звезды. Они – стопроцентно материальные объекты, и никто до сих пор не знает, из чего они состоят. При этом они вращаются, пульсируют, у них имеется магнитное поле. Там очень интересная физика взаимодействия вещества с излучением в экстремальных условиях, недостижимые в земных лабораториях сверхсильные гравитационные и магнитные поля, сверхвысокие температура и давление, и так далее. Более того, быстровращающиеся нейтронные звезды могут оказать нам практическую пользу: их можно использовать в качестве маяков для межпланетных перелетов. Этой задачей будет заниматься наша обсерватория «Спектр-РГН», которую мы готовим к запуску в 2032 году.

– Слышала, что на состоявшемся в июне заседании Совета РАН по космосу было принято решение продлить и работу «Спектра-РГ». Расскажите, на какие исследования вы направите свои усилия и на сколько лет может хватить еще ресурса обсерватории?

– Да, действительно, академия признала выполненную за 6 с половиной лет «обязательную» программу «Спектра-РГ» успешной, отметила мировой уровень полученных результатов, а также имеющийся у обсерватории потенциал для дальнейшей работы. Я бы назвал новую программу, по аналогии с фигурным катанием – «произвольной», она рассчитана на ближайшие 5 лет. Последние полгода мы ее, практически, уже и выполняем, – проводим наблюдения определенных объектов или областей неба по заявкам ученых из разных институтов, включая зарубежные. К примеру, сейчас мы проводим очень большую программу наблюдений совместно с американской поляриметрической обсерваторией IXPE. В частности, мы предложили коллегам вместе понаблюдать нейтронную звезду Геркулес X-1 в нашей Галактике. Она сейчас находится  в некоем аномальном состоянии, которое нам интересно.

— Что за аномальное состояние?

– Светимость у источника упала на порядок. Такое бывает раз в несколько десятков лет. К примеру, в предыдущий раз наблюдалось 25–30 лет назад.

– А есть версии по поводу причин такого упадка?

– Одна, к примеру, связана с перекрытием нейтронной звезды краем аккреационного диска, над которым есть «корона» из горячей разреженной плазмы. Та самая американская обсерватория как раз специализируется на изучении геометрии излучения вблизи нейтронных звёзд. Мы планируем провести длительный мониторинг Геркулеса Х-1 в рентгеновском диапазоне, включая поляриметрические измерения и широкополосную спектроскопию.

– Вы говорите, что нейтронные звёзды можно использовать в качестве неких реперных точек на небе для навигации, но ведь мы видим на примере того же Геркулеса, что они иногда приглушают свой свет…

– Это разные нейтронные звёзды. Геркулес Х-1 – это рентгеновский пульсар, который находится в двойной системе и светит за счет того, что на него падает вещество от соседней звезды. Этот процесс нестабилен, что может приводить к неожиданным изменениям, как их яркости, так и периодов вращения. А есть пульсары одиночные, вот их периоды известны с высокой точностью и именно их предполагается использовать для навигации в космосе.

– Речь идет о тех самых пульсарах, первый из которых наделал много шума в мире ученых в 1967 году?

– Именно. Его строго периодические всплески сначала привели к гипотезе о сигналах внеземной цивилизации (объект называли LGM-1, от Little Green Men). Позже выяснилось, что это быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая узконаправленный пучок излучения.

 Но вернемся к нашей новой программе для «Спектра-РГ». Мы планируем сделать при помощи него еще 4-5 обзоров всего неба, чтобы добавить к тому, что есть. Надеемся найти к нескольким ярким квазарам в близкой Вселенной, что уже имеются в копилке, еще несколько десятков, часть из которых окажется «трюфелями». Также есть еще две отдельных программы. Первая – программа ультраглубокого (в 5-6 раз более мощного) обзора внутренних областей нашей Галактики и галактического диска, направленная на то, чтобы увидеть больше слабых объектов и приблизиться к пониманию того, как устроена эволюция звездных объектов нашего космического дома. Вторая – мониторинг пульсаров для наработки задела для навигационных объектов, в том числе, для будущей обсерватории «Спектр-РГН».

– Сколько вообще объектов в нашей Галактике «Млечный путь»?

– Это порой труднее определить, чем в других, поскольку мы являемся ее частью. По приблизительным оценкам, в нашей Галактике примерно 300-400 миллиардов звезд, не говоря уже о других телах, многие из которых еще предстоит открыть.

– Есть ли конец Вселенной?

– Есть понятие «Метагалактика» — это то, что мы видим, до чего можем «дотянуться» всеми своими телескопическими «глазами». А так, Вселенная бесконечна, как и ее тайны, малую часть из которых мы пытаемся открыть и осмыслить.

Источник: www.mk.ru