Уникальный аппарат возвращает России научное лидерство в космосе

Запущенная в субботу российская рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» шла к своему запуску больше тридцати лет. По многим параметрам этот аппарат либо первый, либо вообще уникальный. В случае успешного выведения в заданную точку телескоп подарит исследователям такие возможности исследования Вселенной, о которых ученые еще недавно могли только мечтать.

Начнём с простого вопроса – а зачем человечеству нужен рентгеновский телескоп, причём именно такой, как «Спектр-РГ»? Ведь большинство из читателей встречались с рентгеном только на регулярных походах за флюорографией лёгких. Немногие знающие специфику современных исследований космоса даже вспомнят, что ещё в 1999 году на геоцентрическую орбиту был запущен рентгеновский телескоп «Чандра», который работает там и поныне.

Всё дело в том, что рентгеновский диапазон очень интересен именно из-за того же эффекта, из-за которого врачи регулярно отправляют вас на флюорографию. Рентгеновское излучение – очень коротковолновое и может буквально «протискиваться» между атомами, проникая даже через достаточно плотную материю – ваше тело. Подобный эффект присутствует и в дальнем космосе. Там, где видимый свет или даже ультрафиолет блокируется громадными облаками межзвёздной пыли и газа, рентгеновские лучи свободно проходят, донося до нас информацию о самых далёких галактиках.

Отсюда, кстати, проистекает и принципиальная разница между «ветераном» рентгеновского фронта «Чандрой» и российским «Спектром-РГ»: новый аппарат работает в самом жёстком рентгене (с энергией до 30 кэВ), в то время как «Чандра» и более новый европейский аппарат XMM-Newton работают с мягкими рентгеновскими лучами, имеющими энергию до 10 кэВ. Такой рабочий диапазон позволит «Спектру-РГ» заглянуть туда, куда «Чандра» и XMM-Newton просто «не достают»: чем жёстче рентген – тем более затенённые пылью и газом объекты может зарегистрировать телескоп.

Кстати, работа в таком жёстком рентгене задаёт и ещё одно требование – в отличие от американского и европейского телескопов, «Спектр-РГ» должен разместиться в уникальном месте гравитационной системы «Земля – Солнце», а именно в точке Лагранжа L2. Точки Лагранжа – это точки естественного гравитационного равновесия, в которых притяжение Земли и Солнца особым способом уравновешивается, после чего попавший в эту область предмет сохраняет своё положение относительно Земли и Солнца.

Точка L2 расположена «за» нашей Землёй, дальше от Солнца, и её существование не совсем очевидно – ведь по обычной логике в этом случае и Земля и Солнце «тянут» аппарат в одну сторону. Однако на деле ситуация сложнее – по законам небесной механики, располагаясь чуть дальше от Солнца на гелиоцентрической орбите, любое тело должно было бы обращаться чуть медленнее Земли (именно поэтому, например, год на Марсе составляет 687 дней, а на Меркурии – всего 88 дней). Однако Земля не даёт телу в точке L2 замедлиться – и увлекает его за собой по орбите, обеспечивая всё тот же период обращения вокруг Солнца за 365 дней.

Расположенная почти в 1,5 млн километров от Земли (в пять раз удалённее, чем наша Луна), точка Лагранжа L2 очень удобна для космических телескопов – в ней угловые размеры Солнца и Земли почти совпадают, и наша планета организует там постоянную тень, которая блокирует любое излучение, в том числе и самый жёсткий рентген. Поэтому более удобного места для нового телескопа просто не было. В точке L2 для него самой природой было создано «самое тёмное небо» в окрестностях Земли, на котором нет самого яркого рентгеновского объекта на земном небе – нашего собственного Солнца.

До самого начала времён – через косое падение

Жёсткий рентген, который излучают все звёзды, интересен сам по себе – поскольку позволяет увидеть те из них, которые в других диапазонах, например, в видимом свете, закрыты от нас теми же облаками межзвёздной пыли и газа. Однако основная «небесная охота», которую проведёт «Спектр-РГ», касается совсем других объектов – чёрных дыр, активных ядер молодых галактик и квазаров, удалённых квазизвёздных объектов. Все эти загадочные небесные артефакты можно увидеть во всей красе только в рентгеновском свете – либо из-за их удалённости, что верно для квазаров или ядер активных галактик, либо же из-за того, что они практически не излучают в видимом диапазоне, как это делают чёрные дыры.

По сути дела, от таких объектов до нас доходит самый коротковолновый, жёсткий рентген – только он может «убежать» от чёрной дыры за счёт нескольких эффектов от падающей на неё массы, либо же только он может «пробиться» через миллионы и миллиарды световых лет от квазаров и ядер активных галактик, «просветив насквозь», как на флюорограмме, это безумное расстояние.

Однако такой рентген очень трудно использовать в телескопе – через обычные линзы или зеркала такое сверхжёсткое излучение тоже пройдёт насквозь, даже не заметив их на своём пути. Что же делать?

Для такого излучения была придумана очень оригинальная схема телескопа: вместо линз или параболических зеркал, которые используются в оптических или ультрафиолетовых телескопах, в «Спектре-РГ» была применена схема с косым падением рентгеновских лучей на систему плоских зеркал. Проще всего представить такую схему, как аналог детской игры в «жабки», когда плоский камешек надо запустить максимально параллельно водной глади, чтобы он не упал вниз, а несколько раз отскочил от водной поверхности. В случае рентгеновского телескопа «камушек» – это квант рентгеновского излучения, а «водная гладь» – плоское зеркало телескопа. Если квант летит очень близко к плоскости самого зеркала, то атомы на его пути оказываются практически непроходимым «частоколом», который в итоге отражает такой квант в точку фокуса телескопа.

Учитывая тот факт, что рентген «видит» за счёт своей малой длины волны даже отдельные атомы, требования к полировке поверхностей таких зеркал были просто запредельными – необходимо было выдерживать допуск в пределе единиц нанометров. Для сравнения, современные полупроводниковые технологии работают с процессами, минимум на порядок более грубыми.

Такая работа в России была проведена впервые, а столь тонкие допуски по поверхности зеркал получены впервые в мире.

Показательно, что на «Спектре-РГ» стоят два рентгеновских телескопа – российский ART-XC, созданный Институтом космических исследований РАН и РФЯЦ-ВНИИЭФ, и немецкий eROSITA, изготовленный немецким институтом Макса Планка. Для немецкого телескопа такой полировки зеркал достичь не удалось – в итоге было решено использовать его для более мягкого, длинноволнового рентгена, с энергиями 0,3-10 кэВ. А вот российский ART-XC будет работать в диапазоне, где до него никто не видел нашу Вселенную – за счёт качества исполнения телескопа ему будут доступны энергии от 6 до 30 кэВ.

Впрочем, в таком «разделении труда» есть своя польза – немецкий телескоп более «широкоугольный», его поле зрения составляет 1°, а угловое разрешение – 15″ дуги. А вот его российский собрат смотрит на более узкий участок, всего в 0,3°, с меньшим угловым разрешением – лишь 45″ дуги, его картинка более «зернистая» из-за трудностей в работе с жёстким рентгеном. А вот вместе оба телескопа позволят создать картину рентгеновского неба, которая была до этого недоступна старым рентгеновским телескопам.

В добрый путь!

До точки Лагранжа L2 телескопу «Спектр-РГ» предстоит долгий путь – туда он прибудет только через 100 дней. После этого всей команде исследователей предстоит ещё один момент волнений – аппарат должен снова включить свои двигатели и «зависнуть» в точке Лагранжа. После этого должны открыться защитные крышки обоих телескопов, которые предохраняют их от любых воздействий даже сейчас, когда телескопы летят в открытом космосе. И сразу за этим моментом стартует напряжённая работа телескопа – равновесие в точке L2 неустойчивое, и аппарату надо будет постоянно тратить драгоценное топливо для того, чтобы его сохранять.

Номинальный срок работы «Спектра-РГ» должен составить около 7,5 лет.

За первые пять лет телескопы «Спектра-РГ» должны сделать восемь полных обзоров всего неба и построить на их основе восемь последовательных карт всего неба в рентгеновских лучах. Это позволит найти на них изменяющиеся объекты, которые как раз и будут самыми интересными для дальнейшего изучения – ведь нас интересуют именно изменения в нашей Вселенной. После этого на протяжении последних двух лет работы «Спектр-РГ» должен пронаблюдать всё то, что он сам найдёт на общих картах – в такое исследование должен попасть точечный обзор отдельных активных галактик и наиболее интересных чёрных дыр. Так что ждите вскорости настоящих снимков окрестностей чёрных дыр, сделанных с помощью телескопов, а не компьютерным моделированием.

Ну а нашу страну поздравим с успешным возвращением на самый передний край исследований самого дальнего космоса!

Наблюдение KA Спектр-РГ и разгонного блока ДМ-03 с Земли

Первое прохождение космического аппарата (КА) Спектр-РГ над территорией России с 21:18 до 02:40 МСК наблюдал заведующий обсерваторией Кубанского Государственного университета (КубГУ), руководитель центра астрономии и космонавтики КО РГО (Русского географического общества) Александр Иванов (https://vk.com/id253483691), с помощью телескопа МАК 254 мм/1200 мм, установленного в обсерватории  КубГУ. На видео показано прохождение разгонного блока ДМ-03 и  космического аппарата Спектр-РГ, движение проходило по созвездию Лисички, густонасёленному участку Млечного пути:

Усредненное изображение разгонного блока и КА Спектр-РГ 13 июля 2019 с 21:18 до 02:40 МСК:

 

 

 

Ракета-носитель «Протон-М» на стартовом комплексе

Сегодня, 9 июля 2019 года, ракета-носитель «Протон-М» с российской обсерваторией «Спектр-РГ» была доставлена на стартовый комплекс площадки 81 космодрома Байконур и установлена на пусковую установку. После подвода башни обслуживания и подключения коммуникаций специалисты предприятий Роскосмоса приступили к работам по графику первого стартового дня. Ранее в монтажно-испытательном корпусе были устранены все замечания, выявленные при подготовке к пуску в июне 2019 года.

Пуск ракеты-носителя «Протон-М» с разгонным блоком «ДМ-03» и новой орбитальной обсерваторией «Спектр-РГ» запланирован на 12 июля 2019 года в 15:31 мск.

«Спектр-РГ» — российский проект с немецким участием, нацеленный на создание орбитальной астрофизической обсерватории, предназначенной для изучения Вселенной в рентгеновском диапазоне длин волн. Он предполагает создание национальной обсерватории астрофизики высоких энергий, продолжающей последовательность астрофизических спутников «Астрон» и «Гранат», также разработанных в НПО Лавочкина. Аппарат строится по модульному принципу, обладает хорошими характеристиками ориентации и стабилизации, позволяет в течение года наблюдать практически всю небесную сферу.

Космический аппарат «Спектр-РГ» будет выведен в окрестность точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля. Проведение астрофизических исследований запланировано в течение 6,5 лет, из которых 4 года — в режиме сканирования звездного неба, а 2,5 года — в режиме точечного наблюдения объектов во Вселенной по заявкам мирового научного сообщества.

https://www.roscosmos.ru/26540/

В ИКИ РАН из Сарова прибыл квалификационный образец телескопа ART-XC

В ИКИ РАН из Сарова прибыл квалификационный образец рентгеновского телескопа ART-XC, который будет использоваться для подготовки и отработки команд в телескоп на Земле, для снижения рисков при проведении летных испытаний телескопа в составе космического аппарата на этапе перелета в окрестность точки либрации L2 системы Солнце-Земля и последующего обзора всего неба.

Российский «Спектр» составит полную карту Вселенной

Вся Вселенная как на ладони. К старту с космодрома Байконур готовится уникальная космическая обсерватория «Спектр-РГ». Запуск намечен на грядущую пятницу, и его с нетерпением ждут астрофизики со всего мира. Ведь российский аппарат, разработанный при участии немецких инженеров, должен составить самую полную в истории карту видимой Вселенной.

Science: X-ray telescope keeps Russia’s space science hopes alive

Russia’s beleaguered space science program is hoping for a rare triumph this month. Spektr-RG, an x-ray satellite to be launched on 21 June from Kazakhstan, aims to map all of the estimated 100,000 galaxy clusters that can be seen across the universe. Containing as many as 1000 galaxies and the mass of 1 million billion suns, the clusters are the largest structures bound by gravity in the universe. Surveying them should shed light on the evolution of the universe and the nature of the dark energy that is accelerating its expansion.

First proposed more than 30 years ago as part of a Soviet plan for a series of ambitious “great observatories” along the lines of NASA’s Hubble Space Telescope, Spektr-RG fell victim to cost cutting in cash-strapped, post-Soviet Russia. But the roughly €500 million satellite, which will carry German and Russian x-ray telescopes, was reborn early last decade with a new mission. Its original goal was to scan the sky for interesting x-ray sources, such as supermassive black holes gorging on infalling material; now, by mapping galaxy clusters, it would find out what makes the universe tick. The new goal meant further delays. “There have been many ups and downs,” says Peter Predehl, leader of the team at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) in Garching, Germany, that built one of the satellite’s two telescopes. “Whenever we thought we were out of the woods, a new one came along.”

Spektr-RG was born in the late 1980s. Glasnost was encouraging Soviet researchers to collaborate with Western colleagues, and studies of SN 1987A, the nearest supernova in modern times, had demonstrated the power of x-rays for tracing such violent events. Rashid Sunyaev of Moscow’s Space Research Institute (IKI) proposed an x-ray observatory to orbit above Earth’s atmosphere, which blocks x-rays. The 6-ton mission soon bristled with five telescopes and involved 20 institutes in 12 countries, including the United States. But after the collapse of the Soviet Union, Roscosmos, Russia’s space agency, struggled to keep its Mir space station aloft and contribute to the growing International Space Station (ISS). “They told us the spacecraft was too large for Russia, too ambitious,” says Sunyaev, now at the Max Planck Institute for Astrophysics in Garching. “It just died.”

Resurrection began in 2003 with plans for a smaller mission that would carry a U.K.-built all-sky x-ray monitor and MPE’s x-ray survey telescope, called ROSITA—which had been destined for the ISS but was grounded by the Challenger space shuttle disaster. The new impetus was cosmology. Studies of distant supernovae in the 1990s had revealed that the expansion of the universe is accelerating. Researchers wanted to know more about dark energy, the mysterious force that was causing it, and whether it varied in space or over time. Galaxy clusters are among the best indicators, says x-ray astronomer Andrew Fabian of the Institute of Astronomy (IoA) in Cambridge, U.K. “Clusters are the most massive objects in the universe, the pinnacle of galaxy formation, and are very sensitive to cosmological models.”

They are best seen in x-rays because the gaps between galaxies are filled with gas that is heated to millions of degrees as the galaxies jostle together in a cluster. By mapping the clusters, Spektr-RG “will study the evolution of the structure of the universe,” says Esra Bulbul, of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, who recently joined the MPE team.

The challenge was to boost the capabilities of the existing ROSITA telescope, which could only garner up to 10,000 galaxy clusters. Discussions led to a €90 million “extended” eROSITA, paid for by MPE and the German Aerospace Center, DLR. It is an array of seven identical telescopes with five times the effective collecting area of the original instrument. Russia and Germany signed an agreement in 2007 with launch penciled in for 2012.

But mission development was not smooth. The U.K. instrument failed to win funding and was replaced with a Russian telescope that will complement eROSITA by detecting scarcer “hard” x-rays. Though harder to collect, those higher energy photons are particularly useful for seeing the supermassive black holes at galactic centers, because they pierce the clouds of gas and dust that shroud them.

Making the mirrors for eROSITA posed another challenge. Because x-rays would penetrate a flat telescope mirror, focusing them requires cylindrical mirrors that gather the photons in glancing, low-angle reflections off inner surfaces. Each of eROSITA’s seven scopes contains 54 gold-plated cylindrical mirrors, nested inside one another, that must be shaped precisely to bring the photons to a focus. Making them proved so hard that the MPE team had to fire its main contractor part way through. “It almost killed us,” Predehl says.

A decision to site the telescope at a stable, gravitationally balanced point beyond the moon, outside the shelter of Earth’s magnetic field, meant electronics had to be hardened against solar radiation. Incompatibility between the German and Russian electronics delayed the launch, as did problems with the spacecraft’s communications system and a change in launch rocket.

Now that Spektr-RG is finally ready, expectations are high. “It’s going to be revolutionary in terms of numbers,” says IoA astronomer George Lansbury, taking x-ray studies into “the big data regime.”

It may also be a rare high point for Russia’s great observatories program. Previously, only one has made it into orbit: 2011’s Spektr-R, a radio astronomy mission that fell short of expectations and could not be revived after malfunctioning earlier this year (Science, 29 July 2011, p. 512).

Astronomers may face a long wait for Spektr-RG’s successors: the ultraviolet telescope Spektr-UV and Spektr-M, a millimeter-wave radio telescope. Spektr-UV has survived moments of near-death, most recently in 2014 when Russia’s annexation of Ukraine’s Crimean peninsula caused major Ukrainian partners to withdraw. The mission is now slated for a 2025 launch, but, Sunyaev says, some collaborators, including a German team supplying a spectrograph, have dropped out. Spektr-M, which would come next, is not yet fully funded, he says. And in the meantime, rival telescopes launched by other countries may scoop up the science the Russian missions aim to do.

“Russia is doing as much as possible with the budget available,” says Spektr-RG chief Mikhail Pavlinsky of IKI. He notes that Roscosmos’s lean budget, worth $20.5 billion over 10 years, faces multiple demands. Russia is building the landing system for the European ExoMars rover, due to launch next year, and like other countries it hopes to return to the moon, with the Luna 25 lander in 2021. For Russia’s astrophysicists, Pavlinksy says, “It means slow progress.”

Science  14 Jun 2019:
Vol. 364, Issue 6445, pp. 1020-1021
DOI: 10.1126/science.364.6445.1020

PDF: X — ray telescope 1020