Илья Мереминский — Спектр-Рентген-Гамма

ART-XC — год на орбите

Карта первого обзора ART-XC в диапазоне 4-12 кэВ, в Галактических координатах. Подписаны несколько наиболее ярких и интересных объектов и область Галактического центра.

Год назад, 13 июля 2019, с космодрома Байконур была запущена обсерватория СРГ. Для команды ART-XC это был напряженный год, со множеством бессонных ночей — долгая работа по включению и настройке телескопа, первый свет от рентгеновского пульсара Центавр X-3, масштабная калибровочная программа, в том числе по ярчайшим источникам на небе — Крабовидной туманности и Лебедь X-1, глубокие наблюдения центральной области Галактики, открытие новых переменных источников. С помощью телескопа ART-XC была продемонстрирована возможность осуществления «рентгеновской навигации».

В декабре 2019 года начался долгожданный обзор всего неба; он завершился всего месяц назад, но первый и главный результат — карта всего неба в диапазоне 4-12 кэВ уже готова (интерактивный вид). Продолжаются и детальные исследования наиболее интересных объектов на небе, таких как скопление галактик в Волосах Вероники. В общем, работа кипит.

Сегодняшняя годовщина запуска омрачена безвременной кончиной Михаила Николаевича Павлинского, создателя ART-XC — первого российского зеркального рентгеновского телескопа. Однако его телескоп продолжает работать и получать новые данные о нашей Вселенной. Уверены, что работа с этими данными принесет еще много интересных научных результатов, которыми мы обязательно с вами поделимся.

Научный руководитель проекта Спектр-РГ академик Р.А.Сюняев выступил с предложением увековечить память о М.Н.Павлинском, назвав созданный им телескоп его именем — ART-XC им. М.Н. Павлинского. Это предложение получило безусловную поддержку у российского научного сообщества.

Телескоп ART-XC обсерватории СРГ осмотрел полнеба

1 апреля 2020 года проводимый телескопом ART-XC обсерватории СРГ обзор неба в жестких рентгеновских лучах достиг важной вехи – осмотрена половина неба! На представленной (в галактических координатах) карте нанесены все рентгеновские фотоны с энергиями 4-12 кэВ, зарегистрированные телескопом начиная с 8 декабря.

На этой карте можно увидеть лишь самые яркие рентгеновские источники на осмотренной половине неба. Однако если рассматривать отдельные участки карты в увеличенном масштабе, то начинает раскрываться богатство рентгеновского неба. Особый интерес для ученых представляет центральная область нашей Галактики. Напомним, что в августе-сентябре 2019 года, еще во время перелета обсерватории СРГ в район точки Лагранжа системы Солнце-Земля, телескоп ART-XC провел уникальный обзор центральной зоны Галактики общей площадью около 40 квадратных градусов (примерно одна тысячная неба). Во время регулярного сканирования неба в марте 2020 года с помощью телескопа ART-XC удалось осмотреть гораздо большую область неба в этом направлении, пусть и с несколько меньшей чувствительностью. На отдельном рисунке показана свежая карта центральной области Галактики площадью около 400 кв. град в жестких рентгеновских лучах. В результате сравнения этой карты с той, которая была получена телескопом ART-XC полгода назад, оказалось, что некоторые астрофизические объекты стали намного ярче, а другие, наоборот, практически погасли. В основном, речь идет о черных дырах и нейтронных звездах, рентгеновская переменность которых связана с непостоянным темпом «заглатывания» вещества со звезды-компаньона.

Обзор продолжается. Ожидается, что уже в июне 2020 года будет получена первая карта всего неба.

Три месяца обзора неба телескопом SRG/ART-XC

Представлена карта в галактических координатах, полученная после трёх месяцев обзора неба телескопом ART-XC обсерватории СРГ. На карту нанесены все события, зарегистрированные за этот период в диапазоне энергий 4-12 кэВ.

При проведении обзора нам необходимо всегда «держать» Землю в пределах диаграммы направленности рупора антенны космического аппарата для ежедневного сброса на Землю накопленной информации. В период с 8 декабря 2019 по 8 марта 2020 года угол между Землей и Солнцем превышал угол полураствора рупора, и ось вращения космического аппарата приходилось смещать от направления на Солнце в сторону Земли. Усреднённая суточная скорость поворота оси вращения аппарата оказалась 0.77 градуса в сутки и, как результат, за первые три месяца удалось осмотреть не половину всего неба, а только 39%, т.е. 16 тыс. кв. градусов. Следующие три месяца обзор неба пройдет в ускоренном режиме, с усреднённой скоростью поворота оси вращения 1.2 градуса в сутки. С 9 марта по 7 июня 2020 года предстоит осмотреть около 25 тыс. кв. градусов неба.

Некоторые детали на карте:

На карте видны несколько ярких полос, которые возникли из-за необходимости повторения обзоров этих участков неба.

В «северной» части неба выделяется ярчайший галактический источник Скорпион X-1 (Sco X-1). Именно с его открытия 58 лет назад началась внеатмосферная и внесолнечная рентгеновская астрономия. Этот источник для жителей Земли является вторым по яркости постоянным небесным рентгеновским источником после Солнца. Прекрасное временное разрешение и малое «мёртвое» время детекторов телескопа ART-XC позволяют им не “слепнуть” при наблюдении даже таких ярких источников, как Скорпион. Более того, яркие источники регистрируется детекторами ART-XC даже вне поля зрения телескопа – благодаря однократным отражениям фотонов от зеркальных систем. Именно из-за этого Скорпион X-1 выглядит на карте как протяжённый объект размером 2 кв. град.

На представленной карте неба невозможно увидеть все зарегистрированные телескопом ART-XC источники, отличающиеся в десятки тысяч раз по яркости. При построении этой карты пришлось более чем в сто раз увеличить исходный размер пикселя изображения, в результате чего слабые источники оказались “замыты” фоном. Такие источники, однако, можно увидеть на увеличенных картах небольших участков неба. В правом нижнем углу показано поле, содержащее катаклизмическую переменную TW Живописца — двойную систему, в которой вещество перетекает со звезды-компаньона на белый карлик. Этот слабый источник наблюдался буквально только что — 8 марта. Размер пикселя на этом изображении соответствует 20 угловым секундам, в то время как на карте всего неба размер пикселя в 20 раз больше.

Первый «учебный» месяц ART-XC

Чтобы получить хорошие научные результаты, требуется не только создать уникальную научную установку — нужно еще приобрести достаточный опыт в её использовании, выяснить все тонкости и научиться максимально использовать ее сильные стороны.

Основной задачей нашей команды в этом сентябре было научиться проводить обзоры неба с ART-XC. Конечно, перед запуском мы занимались компьютерным моделированием и оптимизацией предстоящих наблюдений, но в этих симуляциях оставалось достаточно много неучтенных факторов — так, например, никто никогда не измерял влияние фона заряженных частиц в районе точки 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. В начале сентября был проведен глубокий обзор спирального рукава Галактики в созвездии Наугольника — области богатой массивными двойными рентгеновскими системами. Затем, мы переключили свое внимание на проведение большого — 40 квадратных градусов! (т.е. занимающего на небе площадь в 200 больше чем площадь Луны) — обзора Галактического центра. Поскольку большая часть массы Млечного Пути лежит в этом направлении, плотность рентгеновских источников в Галактическом центре наибольшая. А так как многие из этих источников сильнопеременные, то в эту область всегда интересно смотреть — а вдруг что-нибудь новое вспыхнет!

Кроме двух этих глубоких обзоров, совместно со вторым телескопом обсерватории СРГ — eRosita — были проведены наблюдения, имитирующие предстоящий обзор всего неба. Во время этих тренировочных наблюдений космический аппарат сделал несколько полных оборотов вокруг оси, соединяющей Солнце и Землю (при таком вращении солнечные батареи аппарата все время смотрят на Солнце), сначала в одну, а потом и в другую сторону — всего эти обороты покрыли на небе полосу шириной в 1.5 градуса. Данные, полученные во время этих тренировочных оборотов помогли проверить как работает система ориентации обсерватории в таком режиме.

Всего, за сентябрь ART-XC покрыл наблюдениями несколько процентов неба — многообещающий старт! Для наглядности, мы построили карту неба в галактических координатах, на которую нанесли все зарегистрированные рентгеновские фотоны: чем ярче цвет на карте, тем больше фотонов пришло с этого направления на небе. Желтыми звездочками на карте показаны полюса эклиптики — каждый оборот обсерватории во время обзора будет проходить рядом с ними, так что после окончания четырехлетнего обзора в этих областях будет накоплена наибольшая экспозиция, а пока через них прошли только наши пробные «сканы». Яркие площадки, разбросанные по карте соответствуют точечным источникам, которые наблюдались в режиме прямого наведения, а узкие «дорожки», их соединяющие — следы перенаведений телескопа. В центре карты — Галактический центр, прямо над ним — Sco X-1 — ярчайший рентгеновский источник на небе, с которого и началась история рентгеновской астрономии, слева от него — 3C390.3, яркий квазар, а справа, под плоскостью Галактики — Крабовидная туманность, один из наиболее часто используемых калибровочных источников.

Близкие барстеры и Мышка в центре Галактики или несколько слов о важности углового разрешения

Одной из важнейших характеристик рентгеновского телескопа является его угловое разрешение — способность разделить две близкие звезды. При этом, поскольку рентгеновские телескопы всегда работают в тяжелых радиационных условиях, с большим фоном заряженных частиц, хорошее угловое разрешение позволяет видеть более тусклые объекты. Зеркала, работающие в стандартном рентгеновском диапазоне (0.5-10 кэВ), используются давно: еще в 1978 году была запущена Обсерватория им. Эйнштейна с первым зеркальным рентгеновским телескопом. Однако изготовление зеркал для более жесткого рентгеновского диапазона долго оставалось недосягаемой мечтой астрофизиков. Чем выше энергия фотона, тем под меньшим углом он должен упасть на поверхность зеркала, чтобы отразиться — точно так же, как брошенный камень отражается от поверхности воды. Из-за этого такие телескопы получаются длиннее и тяжелее. К тому же появляются дополнительные проблемы, связанные с подбором оптимального покрытия зеркал и их тонкой полировкой.
В 1989 году была запущена астрофизическая обсерватория ГРАНАТ, на борту которой работал рентгеновский телескоп АРТ-П, разработанный в ИКИ РАН. Вместо зеркал в нем использовалась кодирующая апертура — специальный метод, позволяющий получать неплохие изображения неба, полагаясь вместо сложной оптики на не менее сложную математику. Тогда удалось достичь углового разрешения в 5 минут дуги в диапазоне 3-20 кэВ. Чтобы сравнить АРТ-П с ART-XC, мы построили изображение участка неба вблизи центра Галактики, где расположены две яркие и близкие (на небе, на самом деле эти объекты весьма далеки друг от друга) маломассивные рентгеновские двойные системы — SLX 1744-299 и SLX 1744-300. Угловое расстояние между ними — всего 2.6 минуты, так что АРТ-П не мог их разрешить: вместо двух «звездочек», он показывал одну, но вытянутую в правильном направлении. ART-XC же, за счет гораздо более совершенной оптической системы, легко разделяет оба источника. А благодаря существенно возросшей чувствительности видит в этом поле еще один источник — плерион (туманность, подпитываемую ветром энергичного пульсара, расположенного в ее центре) Мышка, названный так за длинный хвост, хорошо видимый в радиодиапазоне.

Также, для сравнения мы привели данные телескопа NuSTAR, запущенного в 2012 году. NuSTAR обладает самыми совершенными зеркалами, предназначенными для жесткого рентгеновского диапазона — вплоть до 78 кэВ! Его угловое разрешение — 18 угловых секунд (FWHM — полная ширина пятна на половинной амплитуде), в то время как у ART-XC — около 30 секунд. Впрочем, у этих телескопов совершенно разные задачи — главной задачей ART-XC является проведение обзора всего неба — именно поэтому у него большое поле зрения — 36 угловых минут в диаметре, тогда как у NuSTAR, который создавался для изучения отдельных, самых интересных источников, поле зрения в семь раз меньше. И мы, конечно, надеемся, что в числе целей NuSTAR уже скоро появятся источники открытые ART-XC.

Кстати, обе эти маломассивные системы являются барстерами — компактными объектами в них являются нейтронные звезды, на поверхностях которых иногда происходят термоядерные взрывы. И один такой взрыв, от SLX 1744-300, мы уже увидели с помощью телескопа ART-XC.

Что в имени тебе моем? Первый рентгеновский источник, открытый SRG/ART-XC

На всем небе известно около миллиона рентгеновских источников. Около сотни из них имеют свои собственные имена: «Быстрый барстер», «Великий аннигилятор» и.т.п., а все прочие называются единообразно — короткая аббревиатура, в честь обсерватории, которая первой открыла этот источник, и координаты — обычно в экваториальной системе. Так и получаются имена типа GRS 1915+105 — источник обсерватории «Гранат», с координатами 19 часов 15 минут прямого восхождения и 10 градусов cклонения.

После продолжительного периода калибровок ART-XC наконец приступил к выполнению своей ранней научной программы. И в первом же сканирующем наблюдении балджа (центрального «утолщения») Галактики удалось обнаружить новый рентгеновский источник — теперь уже названный SRGA J174956-34086 (SRGA — источник обсерватории SRG, открытый телескопом ART-XC). Впрочем, в рентгеновской астрономии открыть новый источник — это как правило лишь первый шаг на длинном и тернистом пути определения его физической природы — источник может оказаться как далеким квазаром, свет от которого добирался до нас многие миллиарды лет, так и близкой звездной системой с компактным объектом — нейтронной звездой или черной дырой. Для того, чтобы решить подобную загадку астрофизики стараются сначала максимально хорошо локализовать найденный объект, а потом осмотреть это место телескопами, работающими на других длинах волн — в радио, оптическом, инфракрасном или гамма-диапазонах. Так, ничем не примечательная тусклая звездочка, видимая только в большой телескоп может оказаться ярчайшим на всем небе объектом, если посмотреть на неё рентгеновскими «глазами».

Для того, чтобы точнее локализовать обнаруженный объект было выполнено короткое наблюдение на другом космическом рентгеновском телескопе — XRT обсерватории Swift имени Нейла Герельса, обладающем лучшим угловым разрешением. В мягких рентгеновских лучах SRGA J174956-34086 оказался тусклее, чем в жестких, что обычно встречается у источников, расположенных за облаками межзвездного газа и пыли, что впрочем не помешало XRT определить его координаты с точностью в несколько секунд дуги. В данных инфракрасного обзора VVV в области локализации источника оказалось две достаточно яркие звезды. Теперь предстоит работа по получению их оптических спектров и определению, может ли какая-нибудь из них быть источником рентгеновского излучения, которое увидел ART-XC, или нужно искать другие, более слабые объекты. Это, однако, дело будущего, а свой след в каталогах рентгеновских источников ART-XC уже оставил.

И, конечно, большое спасибо команде Swift, за выполненные по нашей заявке наблюдения.

Слева — изображение источника по данным ART-XC в диапазоне 4-11 кэВ, справа — по данным Swift/XRT (0.3-10 кэВ). Зеленым кружком показана область локализации источника по данным XRT.