Телескоп СРГ/ART-XC осмотрел четверть нашей Галактики

C марта 2022 года телескоп ART-XC им М.Н.Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» проводит наблюдения по обновленной программе. Её основные задачи — построение самой детальной карты нашей Галактики в жестких рентгеновских лучах и наблюдения наиболее интересных областей неба и отдельных источников. К 12 июня телескоп ART-XC осмотрел чуть более четверти Галактической плоскости – самого богатого участка рентгеновского неба — преимущественно в северном полушарии и продолжает ее сканирование в южном полушарии.

Научные данные обсерватории «Спектр-РГ» поступают на Землю ежедневно. Благодаря этому ученые регистрируют десятки источников жесткого рентгеновского излучения, многие из которых являются новыми, впервые обнаруженными именно телескопом ART-XC.

12.06.2022 ART-XC Milky Way one quarter survey
«Перепись» рентгеновских объектов нашей Галактики – самого богатого участка рентгеновского неба. Черным показан «вид сверху» на Галактику, хорошо видна центральная часть и спиральные рукава (Scutum-Centaurus arm — рукав Щита-Центавра, Perseus arm — рукав Персея). Масштаб 5 килопарсек (kpc). Красным показана область, наблюдающаяся телескопом ART-XC им. М.Н. Павлинского (сплошная линия соответствует уже проведенным наблюдениям, штриховая – запланированным на ближайшие месяцы), синим – границы рекордного на сегодня обзора астрофизической обсерватории ИНТЕГРАЛ (ESA). Оба контура приведены для светимостей 5х10^34 эрг с^-1

Чувствительность текущего обзора такова, что для источников со светимостью 5х1034 эрг с-1 Галактику видно «насквозь», вплоть до самого далекого края от Солнца — это примерно 25 килопарсек или 80 тысяч световых лет. Такой уникальный обзор позволит найти и исследовать множество новых, слабых источников, которые не удалось «разглядеть» в других обзорах Галактической плоскости в жестком рентгене (в их числе, например, рекордный на сегодня обзор обсерватории ИНТЕГРАЛ, ESA). И это не предел – к концу программы планируется улучшить чувствительность еще как минимум в два раза.

Что же это за источники с характерными светимостями около 1033-1035 эрг с-1? Это магнитные катаклизмические переменные, это симбиотические рентгеновские двойные (как недавно открытая ART-XC система с гигантом-миридой), это слабые рентгеновские системы с молодыми голубыми звездами-гигантами. Кроме того, на таких светимостях мы видим и совсем молодые, еще только рождающиеся звезды, и мощнейшие вспышки на «взрослых» звездах, похожих на наше Солнце, что позволит получить важную информацию о возможности существования экзопланет с приемлемыми условиями обитания у таких звезд.

Есть и более привычные для рентгеновских астрономов объекты: остатки вспышек сверхновых, новые пульсирующие источники, звездные скопления, транзиентные (вспыхивающие) объекты.

Впереди еще глубокий обзор оставшихся трех четвертей Галактики, наблюдения ближайших к нам галактик Магеллановы Облака, скоплений галактик, миллисекундных пульсаров для отработки системы рентгеновской навигации в космосе и многое другое, — говорит член-корреспондент РАН Александр Лутовинов, научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия). — Мы ожидаем, что в результате наших наблюдений удастся определить параметры значительного числа астрофизических объектов, обнаружить множество новых источников рентгеновского излучения, определить их природу и существенно продвинуться в нашем понимании физических процессов, происходящих в экстремальных условиях, недостижимых в земных лабораториях. В качестве примера таких исследований можно привести уже упоминавшуюся работу о системе с гигантом-миридой, а также статью о новом пульсирующем объекте, обнаруженном в галактике Большое Магелланово Облако. Она была принята несколько дней назад к публикации в журнале MNRAS. Особенно замечательно, что среди ведущих авторов этих работ молодые российские ученые.

Изменение программы наблюдений обсерватории потребовало оперативной и слаженной работы ученых и специалистов Академии наук и ГК «Роскосмос», которые блестяще справились с непростой задачей. Обновленная программа наблюдений обсерватории «Спектр-РГ» стала более гибкой, позволяющей не только формировать ее долговременную часть, но и проводить оперативные наблюдения уникальных сильно переменных источников, возникающих на небе. Блестяще справляется с новыми задачами и наземный комплекс управления.

Работа телескопа ART-XC на борту обсерватории «Спектр-РГ» продолжается, а его команда поздравляет всех с Днем России!

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  • Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA/еРОЗИТА (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Пылевые бури в космосе

Уникальная симбиотическая рентгеновская двойная в Галактике открыта телескопом ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ».

Ярчайшие рентгеновские источники в нашей Галактике (если не брать в расчет центральную дремлющую сверхмассивную черную дыру Sgr A*) — это рентгеновские двойные. Так называют звездные системы, в которых вещество с обычной звезды перетекает на компактный объект — черную дыру или нейтронную звезду.

Исторически в астрофизике прижилось разделение таких систем на два подкласса: массивные и маломассивные двойные. В системах первого типа (HMXB, high-mass X-ray binaries) звездой-донором выступают молодые, горячие звезды — гиганты или сверхгиганты O-B-A классов. В маломассивных двойных (LMXB, low-mass X-ray binaries) аккрецию питают гораздо более старые и легкие звезды поздних классов. Например, в системах с очень быстро вращающимися нейтронными звездами находят белые карлики с массой около одного процента от солнечной, т.е. всего в десять раз тяжелее Юпитера!

Однако уже в конце 1970-х годов выяснилось, что донорами в системах с нейтронными звездами могут быть и красные гиганты. Эти большие и достаточно рыхлые звезды теряют большýю часть своей массы в виде плотного, медленного звездного ветра, который и перехватывается нейтронной звездой.

Такие системы, названные симбиотическими рентгеновскими двойными, оказались достаточно редкими и достаточно сложными для изучения. Несмотря на то, что расчеты, проведенные в ГАИШ МГУ, показывают, что в Галактике должно быть около 300 таких объектов, к настоящему дню удалось обнаружить всего около дюжины подобных систем, включая еще не подтвержденные. Это вызвано тем, что рентгеновская светимость при аккреции вещества из ветра оказывается не очень высокой (1033-1036 эрг с-1), а сам плотный ветер эффективно поглощает мягкое рентгеновское излучение, «пряча» подобные системы. Кроме того, как и для большинства других Галактических объектов, часто оказывается сложно отождествить рентгеновский источник с конкретной звездой, наблюдаемой в видимом свете или в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне.

В апреле 2021 года, телескоп ART-XC имени М.Н. Павлинского космической обсерватории «Спектр-РГ» нашел новый достаточно яркий рентгеновский транзиент, расположенный неподалеку от Галактического балджа (центральной области). Благодаря данным второго телескопа eROSITA на борту «Спектра-РГ» удалось улучшить локализацию нового источника, что позволило предположить, что его оптическим компаньоном является яркая красная звезда, отлично видимая в инфракрасном диапазоне. Однако это предположение еще предстояло проверить.

Эта проверка стала возможна благодаря уникальным данным коллаборации Palomar Gattini-IR, которая проводит регулярный мониторинг неба используя широкопольный телескоп малой апертуры (всего 30 см!), работающий в ближнем ИК-диапазоне. Из полученных данных следовало, что предложенная красная звезда демонстрирует значительную переменность, нерегулярно изменяя свой блеск в несколько раз в течение нескольких месяцев. Оптическая спектрометрия, полученная на 60-дюймовом (1.5 м) телескопе Паломарской обсерватории, указала на наличие в спектре эмиссионной линии водорода Hɑ, а также особенностей, характерных для красных гигантов. Таким образом, свежеоткрытый источник SRGA J181414.6-225604 (аббревиатура SRGA обозначает, что источник впервые был обнаружен телескопом ART-XC обсерватории «Спектр-РГ») сразу же стал еще одним кандидатом в симбиотические рентгеновские двойные. Но оставалось еще много вопросов. Например, чем была вызвана такая сильная переменность в инфракрасном диапазоне? Наблюдался ли этот источник в рентгеновском диапазоне ранее, и если нет, то почему? Что за звезда питает аккрецию в этой системе и какова природа компактного объекта?

Ответам на эти и многие другие вопросы посвящена статья большого коллектива исследователей, включающего российских ученых из команды ART-XC, под руководством Кишалая Де (Kishalay De), лауреата стипендии им. Эйнштейна из Массачусетского технологического института (США). Благодаря проведенной наблюдательной программе, в которой было задействовано несколько крупных наземных телескопов, таких как 6.5-метровый телескоп Magellan и 200-дюймовый (5 м) Паломарский телескоп, а также несколько рентгеновских обсерваторий, удалось узнать несколько весьма любопытных подробностей об этой системе.

Во-первых, звездой-донором действительно оказался красный гигант, да не простой, а принадлежащий к классу мирид — пульсирующих звезд, которые то увеличиваются (незначительно остывая), то снова сжимаются, изменяя при этом свой блеск в разы-десятки тысяч раз. Период таких изменений составляет сотни или даже тысячи дней. Сочетание большой амплитуды переменности и длинного периода делает такие звезды особенно удобными для наблюдений (неслучайно прототип этого класса — Омикрон Кита стала в XVI веке первой открытой переменной звездой). Звезда-донор в системе SRGA J181414.6-225604 оказалась миридой с нетипично длинным периодом — чуть больше 4 лет, и очень далекой — она расположена на расстоянии в 15 кпк от Солнечной системы, т.е. почти на другом конце Галактики!

Схема симбиотической рентгеновской двойной SRGA J181414.6-225604. Изображение из статьи K.De, I. Mereminskiy, R.Soria et al., 2022
Схема симбиотической рентгеновской двойной со звездой-компаньоном — красным гигантом SRGA J181414.6-225604. Слева: состояние системы до начала пылеобразования — напрямую виден красный гигант, на компактный объект почти не идет аккреция, поэтому рентгеновская светимость низкая. В центре: начало эпизода пылеобразования, красный гигант погружен в плотную пылевую оболочку. Справа: пылевая оболочка расширилась до орбиты компактного объекта, наблюдается яркое рентгеновское излучение. Изображение из статьи K.De, I. Mereminskiy, R.Soria et al., 2022

Во-вторых, и фотометрические, и спектрометрические данные однозначно указали на наличие избыточного ИК-излучения. Чтобы объяснить этот избыток, а заодно и загадочное поведение кривой блеска в ближнем ИК-диапазоне, было выдвинуто предположение о том, что оба этих феномена связаны с мощным пылевым выбросом. Такие выбросы наблюдаются на красных гигантах и сверхгигантах, например, буквально недавно похожий пылевой выброс привел к Великому потемнению Бетельгейзе. Проведенное компьютерное моделирование подтвердило, что эволюция цвета и наблюдаемой яркости звезды действительно может быть объяснена эпизодом пылеобразования, в котором родилось около 10-5 M⊙ (2х1022 кг) силикатной пыли, с характерным размером пылинки в долю микрона. Эпизод пылеобразования начался примерно за два года до пика рентгеновской вспышки и, судя по всему, и стал её причиной. Медленный звездный ветер за несколько сотен дней «пригнал» пыль к компактному объекту (его природу пока надежно установить не удалось) и спровоцировал резкий рост темпа аккреции. Это привело к увеличению рентгеновской светимости, что и позволило телескопу ART-XC им. М.Н. Павлинского обнаружить источник. После нескольких месяцев «активной» аккреции источник опять начал затухать и почти вернулся обратно в «низкое» состояние.

«Обнаруженная система оказывается довольно редким случаем симбиотической рентгеновской двойной, в которой компактный объект расположен достаточно далеко от своей звезды-донора, из-за чего ему «достается» мало вещества, а значит и рентгеновская светимость в обычном состоянии низкая. Но пылевые выбросы, подобные тому, что произошел в системе в 2019 году могут резко увеличить темп аккреции, сделав систему более заметной — главное успеть найти её за этот не очень долгий промежуток времени!» — говорит Илья Мереминский, соавтор статьи, принятой к публикации в Astrophysical Journal.

С весны 2022 года телескоп ART-XC проводит более глубокий обзор области Галактической плоскости, а это значит, что у него есть неплохой шанс еще увеличить выборку подобных довольно редких симбиотических систем в нашей Галактике. А система SRGA J181414.6-225604 останется одной из «жемчужин» обзора всего неба, наряду с микроквазаром SRGA J043520.9+552226/AT2019wey, найденном командой ART-XC в 2020 году.

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  • Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA/еРОЗИТА (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Тысяча дней из жизни Галактики

Сегодня, 8 апреля, исполняется ровно 1000 дней со дня запуска космический астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». Тысячу дней подряд, без выходных и каникул работают платформа «Навигатор» и научная аппаратура, работают центры дальней космической связи, принимающие данные с борта, работают баллистические центры и служба управления, рассчитывая орбиту и поддерживая функционирование служебных систем космического аппарата, работают ученые, анализируя полученные данные. И вся эта колоссальная ежедневная работа не напрасна. Она дает нам — всему человечеству! — возможность увидеть небо таким, каким его еще никто не видел.

Многое удалось сделать за эти дни. Телескопы обсерватории: eROSITA и ART-XC им. М.Н. Павлинского — наблюдали удивительнейшие небесные объекты: сливающиеся скопления галактик и очень мощные молодые квазары, остатки вспышек сверхновых и звездные «ясли», открывали нетипичные микроквазары и мигающие сверхмассивные черные дыры. И, конечно, выполняли свою главную задачу — строили новые, более подробные, ретнтгеновские карты всего неба. Уже первый обзор позволил удвоить число известных на небе источников, а с тех пор завершились еще три полных обхода неба.

Глядя на звездное небо темной ночью вдалеке от города, невозможно не заметить Млечного пути — яркой, перевитой темными прожилками полосы, пересекающей небо. Именно в этой полосе, находится бóльшая часть звезд нашей Галактики, скрытая за непроницаемой для видимого света завесой из межзвездного газа и пыли.

«Мягкое рентгеновское излучение тоже поглощается на пылевых облаках, образуя контрастные “провалы” на карте всего неба СРГ/eROSITA. А вот жесткие рентгеновские лучи, в которых на Галактику смотрит телескоп СРГ/ART-XC им. М.Н.Павлинского, куда меньше подвержены их влиянию. И надо честно сказать, что всю эту тысячу дней взгляды команды ART-XC были прикованы к Млечному пути и особенно к его «сердцу» — области вблизи центра Галактики», — говорит заместитель директора ИКИ РАН, научный руководитель телескопа ART-XC им. М.Н.Павлинского Александр Лутовинов.

В самом начале миссии, осенью 2019 года ART-XC сделал первый глубокий обзор центральной части Галактики. А сейчас, весной 2022 было решено повторить глубокий обзор, но теперь не ограничиваться только центральной частью Галактики, а двинуться дальше вдоль её диска. И вот последние несколько недель, шаг за шагом, ART-XC осматривает плоскость Галактики, двигаясь с южного неба на более привычное нам северное.

Галактическая плоскость СРГ/ART-XC 08.04.2022 (с) В.А. Арефьев, Р.А. Буренин, Р.А. Кривонос, И.Ю. Лапшов, С.В. Мольков, ИКИ РАН
Галактическая плоскость СРГ/ART-XC 08.04.2022 (с) В.А. Арефьев, Р.А. Буренин, Р.А. Кривонос, И.Ю. Лапшов, С.В. Мольков, ИКИ РАН

На представленном выше изображении показана выполненная на данный момент (8 апреля 2022 года) часть этого обзора, центральные двадцать градусов плоскости.

В самой правой его части видна протяженная структура сложной формы, более подробно показанная на врезке ниже. Это G347.3-0.5 (она же RX J1713.7-3946) — остаток сверхновой, судя по всему, взорвавшейся в 393 году н.э. Этот остаток расположен достаточно близко к Земле, на расстоянии около 3000 световых лет и является одним из ярчайших на небе в жестких гамма-лучах. Это указывает на то, что на ударных волнах в нем действует природный ускоритель заряженных частиц — примерно такой же по достигаемой энергии, как Большой адронный коллайдер, только гораздо бóльший по масштабам. Телескоп ART-XC позволяет впервые подробно рассмотреть этот интереснейший объект в мельчайших деталях, можно сказать добавить «цвета» на его карту, что позволяет лучше разобраться в процессах, происходящих в области ударной волны, понять конкретные механизмы генерации зарегистрированного жесткого рентгеновского излучения. Подобная картографическая работа была недавно проведена ART-XC им. М.Н. Павлинского и по другому яркому остатку сверхновой — Корма А (Puppis A).

Центральная часть Галактики, показанная на средней врезке, — это вотчина дремлющей сверхмассивной черной дыры, названной радиоастрономами Стрелец А* (Sagittarius A*). Эволюция галактик тесно связана с жизнью и «диетой» их центральных черных дыр, и в этом плане Стрелец А* ведет себя в последнее время совершенно непримечательно. Его яркость, даже во время вспышек, не дотягивает до яркости расположенных рядом десятков Галактических рентгеновских двойных, что, учитывая в миллионы раз бóльшую массу центральной черной дыры, указывает на то, что она держит строжайший «пост». Но так было далеко не всегда. По данным предшественника ART-XC — телескопа АРТ-П, работавшего на борту обсерватории ГРАНАТ в 1989–1998 гг., были обнаружены следы того, что в недалеком прошлом, несколько веков назад, Стрелец А* был гораздо активнее, поглощая в сотни тысяч раз больше вещества в секунду и светя ярче в соответствующее количество раз. Следы этой активности теперь проявляются в виде отражения рентгеновского излучения, родившегося тогда, от молекулярных облаков, расположенных вблизи центра Галактики, которое видит и ART-XC.

Но и этот эпизод, видимо, был не самым «сытым» в истории нашей центральной черной дыры. Недавно обнаруженные огромные протяженные структуры — «пузыри Fermi/eROSITA», скорее всего, возникли в результате достаточно долгого (несколько миллионов лет) периода, когда Стрелец А* был еще в десять тысяч ярче, т.е. в миллиард раз ярче, чем сейчас. Вот уж действительно, то густо, то пусто.

Еще одна причина, по которой всегда интересно исследовать Галактические источники, — их переменность. Рентгеновское небо гораздо динамичнее, чем привычное нам небо в видимом свете. Почти каждый год на нем вспыхивают рентгеновские новые, превосходя по яркости все прочие объекты, гаснут и вновь разгораются рентгеновские пульсары в двойных системах с гигантскими звездами, меняют свои «цвета» аккреционные диски вокруг черных дыр — словом, все небо «бурлит». Даже обычные звезды, похожие на наше Солнце, нет-нет да показывают яркие вспышки.

Как раз недавно, одна из таких активных звезд попала в поле зрения телескопа ART-XC пока он наблюдал миллисекундный пульсар PSR B1937+21 — один из будущих «маяков» рентгеновской навигации. На врезке слева показаны кривая блеска этой звезды, на которой хорошо видны вспышка в поле зрения ART-XC: во время короткой вспышки звезда становится гораздо ярче пульсара, в то время как вне вспышки её практически не видно.

Илья Мереминский, научный сотрудник ИКИ РАН, отвечающий за оперативный анализ данных ART-XC им. М.Н. Павлинского, отмечает: «Эта вспышка, продолжительностью в несколько десятков минут, была на порядки мощнее, чем самые мощные вспышки, когда-либо наблюдавшиеся на Солнце. А это значит, что даже если вокруг этой или похожей звезды обнаружатся экзопланеты, наличие жизни на них будет крайне маловероятным — жесткое рентгеновское излучение родительской звезды во время таких мощных вспышек нагревает и “сдувает” атмосферу, лишая поверхность планеты защиты от разрушительного рентгеновского излучения».

Рентгеновские наблюдения очень важны и чрезвычайно информативны для исследования уникальных и впечатляющих источников: от молодых протозвезд до звездных останков — компактных объектов и остатков сверхновых, от «голодных» квазаров в ранней Вселенной до гигантских скоплений галактик, от кажущихся неинтересными коричневых карликов до полярных сияний на других планетах.

Работа обсерватории «Спектр-РГ» и первого российского зеркального рентгеновского телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского на ее борту продолжается, а значит нас ждет множество удивительных открытий!

  1. The Early Data Release of eROSITA and Mikhail Pavlinsky ART-XC on the SRG mission. Astronomy & Astrophysics
  2. First science highlights from SRG/eROSITA. Astronomy & Astrophysics
  3. R. Sunyaev et al. SRG X-ray orbital observatory Its telescopes and first scientific results. A&A,  656, A132 (2021) https://doi.org/10.1051/0004-6361/202141179
  4. Сайт проекта «Спектр-Рентген-Гамма»

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  • Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA/еРОЗИТА (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Телескоп СРГ/ART-XC получил самую детальную карту остатка вспышки сверхновой в жестких рентгеновских лучах

Российский телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» начал наблюдения наиболее интересных областей неба. В связи с переводом второго телескопа обсерватории — германского eROSITA в «безопасный» режим, текущая программа наблюдений обсерватории «Спектр-РГ» претерпела некоторые изменения — запланированные на постобзорный период наблюдения самых интересных источников и областей неба было решено начать прямо сейчас. Скорректированная программа наблюдений позволит максимизировать научный выход российского телескопа ART-XC.

Одна из областей неба, наиболее богатых рентгеновскими источниками, — плоскость нашей Галактики Млечный Путь вблизи её Центра, в котором находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*. Во второй половине марта складываются наиболее благоприятные условия для наблюдений этого небесного региона, куда и были переориентированы «глаза» телескопа ART-XC.

Уже первые наблюдения телескопа ART-XC этой области позволили получить интереснейшие результаты по морфологии остатка вспышки сверхновой RX J1713.7-3946. Этот объект был впервые обнаружен орбитальной рентгеновской обсерваторией ROSAT (Германия/США/Великобритания, 1990–1999 гг.). На изображении, полученной этой обсерваторией, объект представлял собой протяженный источник мягкого рентгеновского излучения с максимальным размером около 70 угловых минут (для сравнения — видимый с Земли диаметр Луны составляет около 30 угловых минут). Расстояние до него оценивается в 1 килопарсек или примерно 3,3 тысячи световых лет.

Внимание астрофизиков он привлек позже, после регистрации с помощью наземной установки HESS. Тогда была высказана гипотеза о том, что остатки оболочек сверхновых звезд, и в том числе оболочка RX J1713.7-3946, являются местом ускорения элементарных частиц (протонов и электронов) до сверхвысоких энергий, то есть одним из источников космических лучей.

В пользу этого предположения говорили исследования спектра излучаемых объектом фотонов, проведенные по данным обсерватории Suzaku (Япония, 2005–2015 гг.). Эти измерения показали, что ускорение частиц на фронте ударной волны настолько эффективно, что почти достигается теоретический предел (так называемый предел Бома). Однако не очень высокое угловое разрешение телескопа Suzaku оставило вопросы о природе частиц, генерирующих излучение. Несмотря на то, что протонная компонента лучше описывает фотонный спектр на сверхвысоких энергиях, в то же время остаются вопросы объяснения отсутствия тепловой компоненты в рентгеновском излучении, которая должна была появиться, если бы его источником были протоны.

Телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского сочетает хорошую чувствительность детекторов и достаточно широкое поле зрения. Благодаря этому он может детально «рассмотреть» достаточно крупные небесные объекты. Его наблюдения позволили впервые изучить морфологию объекта RX J1713.7-3946 не только в его ярчайшей области, но и получить карту распределения интенсивности излучения по всему остатку сверхновой в диапазоне энергий вплоть до 15 кэВ с недостижимым ранее угловым разрешением и чувствительностью.

SRG/ART-XC SNR RX J1713.7-3946
Слева: Начало первого сканирующего наблюдения Галактической плоскости телескопом СРГ/ART-XC им. М.Н. Павлинского в марте 2022 года. Обозначены несколько точечных рентгеновских источников и контуры протяженного остатка вспышки Сверхновой RX J1713.7-3946. Справа: Детальное изображение остатка вспышки Сверхновой RX J1713.7-3946, полученное телескопом ART-XC в диапазоне энергий 4 – 15 кэВ (наблюдения 7–15 марта 2022 года). Хорошо видна структура остатка, в том числе ударная волна, образовавшаяся во время взрыва сверхновой звезды и распространяющаяся сквозь межзвездную среду. Рентгеновские изображения получены Р.А. Кривоносом, И.Ю. Лапшовым и С.В. Мольковым, ИКИ РАН

«Изображение остатка сверхновой, полученное телескопом ART-XC, не только даёт материал для дальнейшей работы, но и наглядно показывает возможности этого замечательного инструмента, — говорит научный руководитель телескопа СРГ/ART-XC, профессор РАН Александр Лутовинов (ИКИ РАН). — Существующие рентгеновские телескопы обычно имеют либо очень хорошую чувствительность и малое поле зрения, либо широкое поле зрения, но малую чувствительность и разрешающую способность. Поле зрения ART-XC — 0.3 квадратных градуса, что позволяет исследовать достаточно большой участок неба с равномерным однородным покрытием, что позволяет получать высококачественные изображения протяженных космических объектов. При этом характеристики его детекторов и зеркал помогают увидеть тонкие детали в этих изображениях».

Прямо сейчас идет интенсивная работа по детальному анализу проведенных наблюдений и теоретической интерпретации получаемых результатов. Ожидается, что это позволит наложить сильные ограничения на механизм генерации рентгеновского излучения в этом и похожих на него остатках сверхновых.

В настоящее время телескоп СРГ/ART-XC продолжает глубокие наблюдения плоскости Галактики, а значит, новые открытия и результаты не заставят себя ждать.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  • Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA/еРОЗИТА (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Телескоп СРГ/ART-XC им. М.Н. Павлинского впервые зарегистрировал событие, связанное с повышенной солнечной активностью

Фоновый уровень сигнала (в отсутствии наблюдаемых источников) на детекторах телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» характеризуется высокой стабильностью. С момента запуска обсерватории его вариации не превысили нескольких процентов. Однако вчера, 28 октября 2021 года, после 19:00 мск детекторы телескопа зарегистрировали четырехкратный рост фона, который был вызван потоком солнечных космических лучей — протонов, ускоренных в серии солнечных вспышек, самых мощных в текущем солнечном цикле. За прошедшие сутки на Солнце зафиксировано более десяти вспышек, среди которых первая в этом солнечном цикле вспышка класса X.

Рост фонового уровня сигнала, зарегистрированный детекторами телескопа СРГ/ART-XC им. М. Н. Павлинского 28.10.2021, связанный с серией солнечных вспышек. По горизонтали — время, по вертикали — число отсчётов в секунду (с) ИКИ РАН

Телескоп СРГ/ART-XC им. М. Н. Павлинского обладает уникальными чувствительными детекторами, предназначенными для регистрации рентгеновского излучения, и заряженные частицы являются для него вредным фоном. Поэтому разработчики телескопа приложили много усилий для регистрации и последующей «выбраковки» таких событий, связанных с попаданием в детекторы заряженных частиц. Это позволило оперативно определить приход в точку L2 «всплеска» солнечных космических лучей и подготовиться для работы космического аппарата в неблагоприятных условиях. Приобретенный опыт является исключительно важным, потому что в наступившем периоде максимума солнечной активности можно ожидать значительного числа таких вспышек. Возможность регистрации мощных солнечных вспышек и оперативного оповещения о них в будущем может сыграть ключевую роль в предотвращении чрезвычайных ситуаций в околоземном пространстве и на Земле, в первую очередь в арктическом регионе.

Телескоп СРГ/ART-XC им. М. Н. Павлинского дает замечательный пример того, что российские ученые и инженеры могут создавать космические инструменты, которые позволяют решать не только фундаментальные задачи исследования Вселенной, но и сугубо практические задачи, такие как создание систем навигации космических аппаратов и прогнозов космической погоды.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  • Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC им М.Н.Павлинского (Россия): профессор РАН Александр Лутовинов.
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Андреа Мерлони.

Бурная жизнь скоплений галактик: рентгеновский взгляд СРГ/eROSITA на скопление галактик Кома

Скопления галактик — это динамические системы, которые непрерывно растут за счет аккреции больших и маленьких порций материи. Такой процесс должен приводить к сложной структуре в распределении темной материи внутри скоплений, а также к ударным волнам и «холодным фронтам» в горячем газе. Очень подробные рентгеновские изображения скопления галактика Кома получили телескопы обсерватории «Спектр-РГ», работающей вблизи точки L2 уже более года. Благодаря им удалось в деталях исследовать процесс слияния скоплений, невероятно бурный и длительный.

Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники (также известное как Кома) — особенное. Оно очень массивное — содержит тысячи галактик, и близкое — находится на расстоянии менее 100 Мпк. Это первый объект, в котором было установлено присутствие «темной материи» (скрытой массы). Это сделал астрофизик Фриц Цвикки в 1933 году. В 1950-х годах оно стало первым скоплением, в котором обнаружили диффузное радиогало.

В конце 1960-х годов возникла идея, что «темной материей» может быть горячий межгалактический газ. И действительно вскоре горячий газ в Коме был обнаружен первым рентгеновским спутником Uhuru (NASA). Более того, оказалось, что именно горячий газ составляет почти 80% всего нормального «барионного» вещества, в то время как звезды и галактики скопления Кома содержат не более 20% барионов скопления (барионы — семейство элементарных частиц, к которому относятся в том числе ядерные частицы протоны и нейтроны).

Но и горячего газа оказалось недостаточным для объяснения феномена «темной материи» — последней всё равно должно было быть гораздо больше. Полная масса барионов в горячем газе и в звездах скопления галактик не превышает 15 % от полной массы скопления.

Рентгеновские наблюдения пока не решили полностью проблемы «темной материи», но существенно обогатили знания астрофизиков о том, что происходит в скоплениях галактик. Благодаря рентгеновской астрономии можно определять плотность, температуру и другие свойства горячего газа, заполняющего скопление, «видеть», как он распределен в пространстве. Наблюдения же за самим горячим газом стали важнейшим источником информации и о параметрах невидимого «темного» вещества. Именно оно определяет гравитационный потенциал скопления (если говорить проще, насколько сильно скопление «притягивает» к себе вещество) и то, как в нем распределен сам горячий газ.

Близость Комы делает ее привлекательной для исследований во всех энергетических диапазонах, хотя огромные угловые размеры скопления зачастую усложняют задачу: телескопы с большим полем зрения обычно не могут «увидеть» всех деталей скопления, а более «чувствительные» телескопы не способны оглядеть его целиком.

Рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» с телескопами eROSITA и ART-XC им. М. Н. Павлинского на борту была специально разработана для решения таких задач. В режиме сканирования ей удалось построить полную карту всего скопления. На рентгеновском изображении, полученном телескопом СРГ/eROSITA в результате двух сеансов растровых наблюдений (рис. 1), виден участок неба размером ~10 Мпк (на расстоянии скопления), что как минимум в два раза больше вириального радиуса скопления (в этих пределах которого сосредоточена большая часть массы скопления).

Рис. 2 Рентгеновское изображение скопления галактик Кома в диапазоне 0.4 — 2 кэВ, полученное при помощи телескопа СРГ/eROSITA (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021
Рис. 2 Рентгеновское изображение скопления галактик Кома в диапазоне 0.4 — 2 кэВ, полученное при помощи телескопа СРГ/eROSITA. Размер изображения составляет ~6 градусов, что соответствует 10 Mpc на расстоянии скопления, логарифмическая цветовая шкала охватывает 5 порядков величины. Основное скопление находится на стадии слияния с группой галактик NGC 4839 (яркое пятно справа внизу от скопления Кома) (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021

Кроме множества источников (в основном, это далекие активные ядра галактик), выделяются два ярких диффузных пятна, которые соответствуют основному скоплению и группе галактик NGC 4839 (справа внизу от центра). Скопление и группа находятся в процессе слияния. На самом деле, NGC 4839 уже однажды прошла через ядро основного скопления насквозь и вот-вот снова начнет «падать» обратно на центр.

Численное моделирование позволяет предсказать некоторые явления, связанные с этим конкретным этапом слияния, которые можно наблюдать. Головная ударная волна, созданная группой NGC 4839 во время ее первого прохода (примерно миллиард лет назад), теперь должна располагаться на окраине скопления, а газ, вытесненный из ядра основного скопления, должен падать обратно, образуя «вторичную» ударную волну. Новые данные позволяют предположить, что структура длиной в несколько мегапарсек, наблюдаемая справа от ядра, представляет собой именно «вторичную» ударную волну. Рис. 2 показывает соответствие между численными гидродинамическими расчетами и наблюдениями телескопа СРГ/eROSITA.

Рис.2 Рентгеновское изображение, в котором яркость центральной части искусственно подавлена, со схематичными обозначениями наиболее значимых структур, связанных с процессом слияния скопления с группой NGC 4839 (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021
Рис. 2 Рентгеновское изображение, в котором яркость центральной части искусственно подавлена, со схематичными обозначениями наиболее значимых структур, связанных с процессом слияния скопления с группой NGC 4839. Синей штриховой линией показана предполагаемая траектория группы, которая начала движение по направлению к центру скопления Кома с северо-запада и в настоящее время находится близко к апоцентру. Предполагаемое положение двух ударных волн показано кривыми красного и фиолетового цветов. Ударная волна, расположенная ближе к центру, обусловлена возвращением вытесненного газа обратно в состояние гидростатического равновесия. Это наиболее заметная особенность, которая непосредственно видна на изображении как резкий скачок поверхностной яркости. Зеленая линия показывает тусклый рентгеновский «мостик», соединяющий NGC 4839 с основным скоплением, который, возможно, является следом, оставленным группой при пролете через скопление Кома (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021

Еще одно интересное следствие сценария слияния состоит в том, что радиогало, ограниченное вторичной ударной волной, фактически прошло через две ударные волны — первый раз через головную ударную волну, вызванную первым пролетом NGC 4839 через ядро Комы со скоростью порядка 3500 километров в секунду, и совсем недавно — через вторичную ударную волну. Этот процесс, сопровождающийся ускорением частиц и сжатием газа, способен замедлить быстрое «старение» релятивистских частиц в радиогало, теряющих энергию из за синхротронных потерь в магнитном поле на радиоизлучение и на обратное комптоновское рассеяние на фотонах реликтового излучения.

«Возможно, что и в других скоплениях, имеющих радиогало, работает подобный механизм, — говорит академик Евгений Чуразов, ведущий автор статьи. — А наша следующая задача — это исследовать самые внешние области скопления, где газ, падающий на Кому, тормозится на ударной волне и становится частью скопления».

Астрономам хорошо известно и замечательное изображение Комы в микроволновом диапазоне длин волн, полученное обсерваторией Planck (ESA, Рис. 3). Из-за эффекта Сюняева-Зельдовича яркость реликтового излучения понижена в направлении на скопление с горячим газом. Изображение Комы в микроволновых лучах очень похоже на рентгеновское, полученное телескопом СРГ/eROSITA (Рис. 1). Но рентгеновский поток скопления и амплитуда эффекта Сюняева-Зельдовича по-разному зависят от плотности и температуры газа. Это открывает возможность оценить температуру горячего газа по отношению яркостей в двух различных диапазонах длин волн.

Рис. 3. Изображение скопления Кома в микроволновых лучах, полученное спутником Planck (c) ESA/ LFI & HFI Consortia
Рис. 3. Изображение скопления Кома в микроволновых лучах, полученное спутником Planck (c) ESA/ LFI & HFI Consortia

Соотношение между изображениями, полученными телескопами СРГ/eROSITA и Planck, дает представление о карте температуры газа (рис. 4). Такие измерения температуры не требуют какой-либо спектральной информации в рентгеновском диапазоне. Это достаточно неожиданный, на первый взгляд, метод. Он использует только поверхностную «отрицательную» яркость скопления в микроволновых лучах и поверхностную яркость рентгеновского излучения в диапазоне 0.4–2 кэВ, где телескоп СРГ/eROSITA имеет высокую чувствительность, а фотоны имеют энергии значительно ниже измеряемой температуры. Также, чтобы получить карту распределения температуры, необходимо знать (или предположить) распределение плотности газа в скоплении.

Рис 4. Карта температур электронов (взвешенная с плотностью газа), полученная из отношения изображения в микроволновом диапазоне, полученном спутником Planck (ESA) на основе эффекта Сюняева-Зельдовича, к изображению скопления Кома в рентгеновском диапазоне (СРГ/eROSITA) (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021
Рис 4. Карта температур электронов (взвешенная с плотностью газа), полученная из отношения изображения в микроволновом диапазоне, полученном спутником Planck (ESA) на основе эффекта Сюняева-Зельдовича, к изображению скопления Кома в рентгеновском диапазоне (СРГ/eROSITA). Контурами показана рентгеновская поверхностная яркость. Ядро основного скопления горячее, температура порядка 10 кэВ (100 миллионов градусов). Синяя область справа внизу соответствует более холодному газу группы галактик NGC4389 (с) Российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021

Как и ожидалось в рамках обсуждаемого сценария слияния, ядро основного скопления горячее (температура близка к 100 миллионам градусов), в то время как менее массивная группа NGC 4839 способна удерживать часть своего более чем в 3 раза холодного газа. Это показано на рис. 4 как область синего цвета в правом нижнем углу от ядра.

«Первая статья по длительным наблюдениям скопления галактик Кома уже направлена в журнал и опубликована в виде астро-препринта, — говорит научный руководитель обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев. — Работа над данными этих наблюдений продолжается и обещает немало новых интересных результатов о физике скопления и поведении темного вещества в нем.

Скопление Кома — это самое глубокое поле, исследованное российским консорциумом обсерватории «Спектр-РГ» в ходе ее перелета с Земли в точку L2. Глубина этого поля позволяет детально исследовать не только интереснейшее скопление Кома, но и искать в рентгеновских лучах проявления других астрономических объектов, входящих в окружающее его сверхскопление галактик Кома. А это сверхскопление содержит более 3000 галактик.

Ну и, конечно же, мы надеемся открыть на периферии этого поля (вне пределов яркого скопления на рис.1) квазары — аккрецирующие сверхмассивные черные дыры на больших красных смещениях, а также увидеть и нанести на карту неба немало далеких скоплений галактик, находящихся далеко за скоплением Кома на рекордных расстояниях».

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

***

Tempestuous life beyond R_500: X-ray view on the Coma cluster with SRG/eROSITA. I. X-ray morphology, recent merger, and radio halo connection, by Churazov, E.; Khabibullin, I.; Lyskova, N.; Sunyaev, R.; Bykov, A. M.

Pairs of giant shock waves (N-waves) in merging galaxy clusters, by Zhang, Congyao; Churazov, Eugene; Zhuravleva, Irina

Close-up view of an ongoing merger between the NGC 4839 group and the Coma cluster — a post-merger scenario, by Lyskova, N.; Churazov, E.; Zhang, C.; Forman, W.; Jones, C.; Dolag, K.; Roediger, E.; Sheardown, A.

Около миллиона рентгеновских источников на «северной» половине неба по данным СРГ/еРОЗИТА

К середине декабря 2020 г. орбитальная рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» завершила второй обзор неба. Сложение данных двух обзоров позволяет почти вдвое увеличить чувствительность рентгеновских карт, которые получают телескопы обсерватории.

RGB-карта неба, построенная телескопом СРГ/еРОЗИТА по сумме двух первых обзоров неба (с) Гильфанов, Медведев, Сюняев и российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021
RGB-карта неба, построенная телескопом СРГ/еРОЗИТА по сумме двух первых обзоров неба. Цвета на карте соответствуют диапазонам энергий: красный — 0.3–0.6 кэВ, зеленый — 0.6–1.0 кэВ, синий —1.0–2.3 кэВ. Многочисленные яркие точки — источники рентгеновского излучения зарегистрированные телескопом. На этой карте невозможно изобразить все (почти миллион!) источников, зафиксированных за год наблюдений. Разрешение карты позволяет увидеть лишь самые яркие из них. Широкая темная полоса вблизи экватора полушария соответствует положению плоскости нашей Галактики Млечный Путь, заполненной холодным газом и пылью, которые поглощают мягкие рентгеновские лучи. Также видно тепловое излучение горячего газа в гало нашей Галактики. Ярко-желтые и оранжевые области в правой части карты — «пузыри еРОЗИТЫ», включающие в себя Северный Полярный Шпур. Яркие источники в центре карты — это остатки вспышек сверхновых (среди них Петля в Лебеде) в области звездообразования в созвездии Лебедя и знаменитые объекты: черная дыра Лебедь Х-1, яркие аккрецирующие нейтронные звезды Лебедь Х-2 и Лебедь Х-3 в тесных двойных системах и мощнейшая радиогалактика Лебедь А с джетами длиной в миллионы световых лет. Рентгеновские изображения этих и других ярчайших источников несколько размыты из-за однократных рассеяний в оптической системе телескопа © Гильфанов, Медведев, Сюняев и российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021

«По данным телескопа СРГ/еРОЗИТА мы видим около миллиона источников, которые расположены на той полусфере, за обработку данных которой отвечают российские ученые. Из них примерно 200 000 — это звезды, расположенные в нашей Галактике, активные в рентгеновском диапазоне». — говорит член-корреспондент РАН Марат Гильфанов, сотрудник Института космических исследований РАН.

«Это колоссальное количество данных, с которым впервые встречаются рентгеновские астрономы. Небо предстает удивительным и «живым», мы видим, что как за полгода между двумя сканами неба свою яркость изменили многие десятки тысяч рентгеновских источников. Каждый день, исследуя большой круг на небе шириной всего в один градус, мы обнаруживаем переменность сотен источников, которые были более тусклыми или наоборот яркими всего полгода назад», — говорит научный руководитель обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Примерно 20 % всех источников, открываемых телескопом СРГ/еРОЗИТА, составляют звезды в нашей Галактике с очень горячими коронами типа солнечной, но гораздо более яркими. Соответственно и рентгеновские вспышки на этих звездах гораздо ярче, чем на Солнце. Данные СРГ/еРОЗИТА также содержат богатейшую информацию о неустойчивостях в аккреционных дисках вокруг сверхмассивных черных дыр, регулирующих поступление к ним аккрецирующего вещества. еРОЗИТА детектирует блазары, в которых излучают релятивистские джеты — струи вещества, выбрасываемые из окрестностей сверхмассивных черных дыр со скоростями, близкими к скорости света.

«Недалеко» от обсерватории «Спектр-РГ», на такой же гало-орбите вокруг точки L2 работает астрометрический спутник Gaia (ESA). Обсерватория Gaia оснащена специализированным оптическим телескопом и следит за собственным движением более чем миллиарда звезд в нашей Галактике. Относительно недавно научная группа телескопа Gaia опубликовала новые каталоги звезд и изменений их положения, полученные по результатам пятилетнего сканирования Галактики. Зарегистрированы все объекты в нашей Галактике, достаточно яркие в оптическом диапазоне спектра и изменившие свое положение на небе на одну-две миллисекунды дуги за это время.

В то же время внегалактические объекты — квазары и активные ядра галактик находятся на гораздо больших расстояниях от нас и поэтому для наблюдателей с Земли остаются неподвижными на небесной сфере. Сравнение каталога рентгеновских источников «Спектра-РГ» с каталогом объектов Gaia, а также с результатами измерения их собственных движений позволяет различать внегалактические источники и звезды в нашей Галактике, короны которых ярки в рентгеновских лучах.

Выделять звезды помогает и тот факт, что поток энергии их оптического и инфракрасного излучения значительно выше, чем в рентгеновском диапазоне. Для большинства квазаров и ядер активных галактик это отношение гораздо меньше.

«Мы работаем над каталогами рентгеновских источников, чтобы все астрономы, работающие в других диапазонах спектра, могли сразу проверить, как ведет себя интересующий их объект в рентгеновских лучах», — продолжает академик Сюняев.

«Полученные данные позволили повысить контрастность многоцветной рентгеновской карты неба, которую продолжает накапливать телескоп СРГ/еРОЗИТА. Ряд структур, обнаруженных на карте первого обзора, например, южный пузырь еРОЗИТЫ (в галактических координатах), видны более четко, и теперь их можно детально исследовать», — говорит Марат Гильфанов.

Напомним, что «пузыри еРОЗИТЫ» — это гигантские структуры размером в десятки тысяч световых лет, то есть сравнимые с диаметром Галактики. Карта неба, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА после первого обзора неба и, в частности, обнаружение южного пузыря, доказали, что их возникновение связано с активностью в центре нашей Галактики десятки миллионов лет назад.

Три недели назад обсерватория «Спектр-РГ» начала третий обзор неба (из восьми запланированных). Отсканировано в третий раз уже более 5 000 квадратных градусов на небесной сфере. Телескоп СРГ/еРОЗИТА, изготовленный Институтом внеземной физики Общества им. Макса Планка в Германии, продолжает накапливать рентгеновские фотоны, открывать новые источники рентгеновского излучения и следить за изменениями их яркости. Предприятия Роскосмоса ведут управление спутником, антенны дальней космической связи ежедневно принимают научные данные и посылают команды на спутник и научные приборы, находящиеся на расстоянии полутора миллиона километров от Земли (в четыре раза дальше Луны). Ученые ИКИ РАН ведут обработку научных данных на мощных компьютерах в центре данных проекта.

RGB-карта участка неба, покрытого в ходе первых трех недель сканирования, начатого в середине декабря 2020 г. (третий обзор всего неба), телескопом СРГ/еРОЗИТА © Гильфанов, Медведев, Сюняев и российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021
RGB-карта участка неба, покрытого в ходе первых трех недель сканирования, начатого в середине декабря 2020 г. (третий обзор всего неба), телескопом СРГ/еРОЗИТА. Цвета на карте соответствуют диапазонам энергий: красный — 0.3–0.6 кэВ, зеленый — 0.6–1.0 кэВ, синий —1.0–2.3 кэВ. Многочисленные яркие точки — источники рентгеновского излучения зарегистрированные телескопом. Белым цветом закрашена часть небесной сферы, еще не покрытая в ходе третьего обзора неба © Гильфанов, Медведев, Сюняев и российский консорциум СРГ/еРОЗИТА, 2021

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

Приливное разрушение он-лайн: телескоп СРГ/еРОЗИТА увидел событие приливного разрушения звезды сверхмассивной черной дырой

9 ноября 2020 г. телескоп СРГ/еРОЗИТА (SRG/eROSITA) на борту орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» зарегистрировал новый источник на небе, который привлек внимание российских астрофизиков мягкостью своего рентгеновского спектра. Наблюдения на крупнейшем в мире 10-метровом телескопе Кека (Гавайи, США), проведенные по предложению команды СРГ/еРОЗИТА, подтвердили, что зарегистрировано излучение аккреционного диска со светимостью в десять миллиардов раз превышающей светимость нашего Солнца во всех диапазонах спектра. Такие источники с временем жизни порядка полугода должны появляться при приливном разрушении звезды, пролетевшей слишком близко от сверхмассивной черной дыры.

К середине декабря 2020 г. телескопы рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» завершили второй обзор неба. Таким образом, за год, прошедший с начала сканирования в декабре 2019 г., все небо было «просмотрено» обсерваторией два раза. Сравнение двух карт неба, полученных телескопом еРОЗИТА, позволяет исследовать переменность источников рентгеновского излучения и, в частности, искать рентгеновские транзиенты — объекты, излучение от которых не детектировалось в первом обзоре, но которые стали яркими во втором (или наоборот). Такие источники, увеличившие за полгода свою яркость более, чем в 10 раз, телескоп СРГ/еРОЗИТА находит в среднем примерно раз в сутки.

Среди внегалактических транзиентов, детектируемых еРОЗИТой, особый интерес астрофизиков вызывают события, связанные с приливным разрушением звезд в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры. Одно из таких событий и было обнаружено сотрудниками отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН 9 ноября 2020 г.

«Внегалактический рентгеновский транзиент SRGeJ213527.3−181634 привлек наше внимание мягкостью своего спектра, который имел температуру всего 70 электрон-вольт (эВ), и тем фактом, что он был расположен в ничем не примечательной, сравнительно небольшой галактике, в которой ранее не регистрировалась активность ядра — сверхмассивной черной дыры в ее центре. Это классические признаки события приливного разрушения звезды» — говорит член-корреспондент РАН Марат Гильфанов.

Рентгеновские изображения участка неба размером 5х5 угловых минут в диапазоне 0.3-2.2 кэВ, полученные телескопом СРГ/еРОЗИТА в первом (слева) и во втором (справа) обзоре неба. Каждая светлая точка изображает один (или более) рентгеновский фотон. В первом обзоре из окрестности источника не зарегистрировано ни одного фотона, во втором обзоре — более ста рентгеновских фотонов
Рентгеновские изображения участка неба размером 5х5 угловых минут в диапазоне 0.3-2.2 кэВ, полученные телескопом СРГ/еРОЗИТА в первом (слева) и во втором (справа) обзоре неба. Каждая светлая точка изображает один (или более) рентгеновский фотон. В первом обзоре из окрестности источника не зарегистрировано ни одного фотона, во втором обзоре — более ста рентгеновских фотонов

«Анализ архивных данных показал, что несколькими месяцами ранее телескоп Zwicky Transient Facility Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology, США) зарегистрировал от этой галактики оптическую вспышку ZTF20abgbdpr, которая продолжается до сих пор и была первоначально классифицирована как вероятный кандидат в сверхновые. Наши результаты показали, что это была не сверхновая», — продолжает профессор РАН Сергей Сазонов.

А менее чем через две недели после открытия объекта телескопом СРГ/еРОЗИТА, американские астрономы на 10-метровом телескопе обсерватории Кека на Гавайских островах получили спектр этого объекта, в котором регистрировались эмиссионные линии водорода и ионов гелия и кислорода.

Результаты наблюдений опубликованы в Астрономической телеграмме #14246.

«Эти спектральные особенности и появление яркого объекта менее чем за полгода подтвердили наше предположение, что мы имеем дело с событием приливного разрушения звезды. Было также измерено красное смещение родительской галактики z=0.0942, — говорит академик Рашид Сюняев, научный руководитель обсерватории «Спектр-РГ». — Мы все с детства наслышаны о приливах в океанах и морях. И эти приливы — результат наличия Луны в 300 000 км от Земли. Можно легко представить себе, как приливные гравитационные силы разрывают даже в сотне гравитационных радиусов звезду, пролетающую мимо сверхмассивной черной дыры. Значительная часть вещества разорванной звезды образует аккреционный диск вокруг черной дыры и медленно падает в черную дыру, посылая нам сигнал в виде мощного рентгеновского излучения. Астрономы наблюдали за последние 25 лет уже два прохода звезды вблизи (но дальше приливного радиуса) от черной дыры с массой в 4 миллиона солнечных масс в центре нашей Галактики. Так что приливное разрушение звезд черными дырами — это не такая уж экзотика».

Событие приливного разрушения звезды в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в представлении художника. (c) NASA/CXC/M.Weiss
Событие приливного разрушения звезды в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в представлении художника. (c) NASA/CXC/M.Weiss

Орбитальная рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» продолжает сканирование небесной сферы — две недели назад начался третий (из восьми запланированных) обзор неба. Предприятия ГК «Роскосмос» ведут управление спутником, антенны дальней космической связи ежедневно осуществляют прием научных данных и посылают команды на спутник и его научные приборы, которые находятся на расстоянии в полтора миллиона километров от Земли (в четыре раза дальше Луны). Ученые ИКИ РАН ведут обработку научных данных на компьютерах в центре данных проекта.

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

Телескоп СРГ/еРОЗИТА обнаружил крупномасштабные пузыри горячего газа в гало Млечного Пути

Структуры горячего газа с обеих стороны Галактического диска, четко видимые в рентгеновском обзоре всего неба, возникли, скорее всего, из-за ударных волн, вызванных мощнейшим всплеском активности центра нашей Галактики десятки миллионов лет назад.

Открытие опубликовано в журнале Nature 9 декабря 2020 г. Половина соавторов статьи — сотрудники российских научно-исследовательских институтов, члены научных групп телескопа СРГ/eРОЗИТА.

На первой карте обзора всего неба, созданной рентгеновским телескопом еРОЗИТА (eROSITA), одним из двух инструментов на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», астрономы обнаружили удивительную новую деталь: огромную округлую структуру ниже плоскости Млечного Пути, занимающую существенную часть Южного Неба.

Подобная структура на Северном Небе, так называемый Северный Полярный Шпур, известна со времен становления радиоастрономии и рентгеновской астрономии. Долгие годы считалось, что она возникла как следствие взрыва близкой к Солнцу сверхновой десятки или сотни тысяч лет назад. Но взятые вместе, северная и южная структуры на карте напоминают ореол в форме песочных часов, достаточно симметричный относительно центра Галактики, который отстоит от Солнца на расстояние в 25 тысяч световых лет (1 световой год — примерно 9.46 триллиона километров).

Карта диффузного рентгеновского излучения в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА. Вклад точечных источников был удален. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al

«Благодаря высокой чувствительности, хорошему спектральному и угловому разрешению и низкому фону, телескоп СРГ/еРОЗИТА, сканирующий все небо каждые шесть месяцев, стала уникальным инструментом для обнаружения и изучения объектов, размеры которых намного больше поля зрения телескопа и составляют значительную часть всего неба», — объясняет Михаэль Фрайберг (Michael Freyberg), ученый, работающий с данными телескопа СРГ/еРОЗИТА в Институте внеземной физики Общества им. Макса Планка (MPE, Германия).

Крупномасштабное рентгеновское излучение, наблюдаемое СРГ/еРОЗИТА в диапазоне 0.6–1.0 кэВ, демонстрирует проявления этих гигантских пузырей с медленно меняющейся яркостью на большой части неба. Их угловые размеры сравнимы с размерами всей нашей Галактики Млечный Путь, что соответствует линейным размерам в десяток килопарсек, т.е. до 30 000 световых лет в поперечнике.

«Пузыри еРОЗИТЫ» имеют поразительное морфологическое сходство с хорошо известными «пузырями Ферми», но не совпадают с ними геометрически, а размеры последних заметно меньше. «Пузыри Ферми», были обнаружены годы назад гамма-обсерваторией «Ферми» (Fermi, NASA) на гораздо более высоких энергиях фотонов (гамма-излучение), в миллион раз более энергичных, чем рентгеновские фотоны, фиксируемые обсерваторией «Спектр-РГ».

Наложение карт нашей Галактики, полученных телескопами СРГ/еРОЗИТА и «Ферми» (NASA). Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.
Наложение карт нашей Галактики, полученных телескопами СРГ/еРОЗИТА и «Ферми» (NASA). Диффузное рентгеновское излучение, регистрируемое телескопом СРГ/еРОЗИТА (0.6–1 кэВ, обозначено оттенками голубого), окружает область более жесткого излучения (гигаэлектрон-вольты, обозначено красным), получившей название «пузыри Ферми». Сравнение этих карт указывает на тесную связь между пузырями Ферми и еРОЗИТы. Обращает на себя внимание и высокая яркость плоскости Галактики в гамма-лучах, что обусловлено наличием в ней межзвездного газа и космических лучей. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.

«Телескоп СРГ/еРОЗИТА завершает сейчас второе сканирование всего неба, увеличивая вдвое число рентгеновских фотонов, зарегистрированных в частности и от открытых ею «пузырей» — говорит академик Рашид Сюняев, научный руководитель орбитальной обсерватории «Спектр-РГ». — Нам предстоит громадная работа, ведь данные СРГ/еРОЗИТА позволяют выделить немало рентгеновских спектральных линий, излученных высокоионизованными ионами газа в различных областях «пузырей». Мы получили возможность исследовать обилие химических элементов, степень их ионизации, плотность и температуру излучающего газа во многих зонах пузырей, исследовать положение ударных волн и оценивать характерные времена, прошедшие со времени гигантской вспышки, породившей эти пузыри. Поражает, что пузыри еРОЗИТЫ и «Фeрми» разделены в пространстве и размеры пузырей еРОЗИТЫ заметно больше. Скорее всего, на их границе важнейшую роль играют магнитные поля, затрудняющие выход космических лучей за пределы пузырей «Ферми»».

Иллюстрация возможного положения «пузырей еРОЗИТА» (EB, eROSITA bubbles, желтый цвет) и «пузырей Ферми» (FB, Fermi bubbles, розовый цвет) относительно Галактики и Солнечной системы. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.
Иллюстрация возможного положения «пузырей еРОЗИТА» (EB, eROSITA bubbles, желтый цвет) и «пузырей Ферми» (FB, Fermi bubbles, розовый цвет) относительно Галактики и Солнечной системы. Приблизительные размеры структур, полученные в этом исследовании, указаны рядом со стрелками соответствующего цвета. Изображение из статьи P. Predehl, R.A. Sunyaev, et al.

Это открытие помогает понять циркуляцию вещества в Млечном Пути и вокруг него, а также в других галактиках, которые мы не можем наблюдать с такой степенью детализации из за громадного расстояния до них.

Большая часть обычной (т. н. барионной, от слова «барион» — семейство элементарных частиц, к которому относятся в том числе протоны и нейтроны) материи во Вселенной невидима для наших глаз. Все звезды и галактики, которые мы наблюдаем с помощью оптических телескопов, дают возможность увидеть менее 10 % от общего количества барионов. Ожидается, что огромные количества ненаблюдаемой барионной материи находятся в разреженных ореолах, окружающих галактики, словно коконы, а также в «нитях» (филаментах), соединяющих скопления галактик, как космическую паутину. Эти ореолы горячие, их температура составляет миллионы градусов, и поэтому они доступны для наблюдения в рентгеновском диапазоне длин волн.

Пузыри, которые «видит» телескоп СРГ/еРОЗИТА, являются «отражением» возмущений в этой оболочке горячего газа, которые были вызваны выбросом вещества вследствие активности сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, либо гигантской вспышкой звездообразования в газе центральной части Галактики.

«Размер пузырей и температура газа в них позволяют судить лишь о полной выделившейся энергии и, приблизительно, о временной шкале, — говорит академик Евгений Чуразов (ИКИ РАН), один из авторов статьи. — Но, чтобы однозначно выбрать одну из гипотез, этого недостаточно».

Сейчас «наша» черная дыра проявляет себя как очень слабый рентгеновский и радиоисточник, время от времени слабо вспыхивающий в рентгеновских и инфракрасных лучах. Но она вполне могла быть весьма активной в прошлом. Мы знаем примеры такой активности из наблюдений сверхмассивных черных дыр в других галактиках.

В любом случае энергия, необходимая для формирования этих огромных пузырей, должна была быть очень большой — 1056 эрг. Это соответствует выделению энергии 100 000 сверхновых, что аналогично оценкам других вспышек в активных ядрах далеких галактик.

«Резкие границы этих пузырей, скорее всего, являются следами ударных волн, вызванных мощнейшим выбросом энергии из центра нашей Галактики в ее гало, — отмечает Петер Предель (Peter Predehl, MPE), один из двух ведущих авторов статьи. — Такое объяснение ранее предлагалось для пузырей «Ферми», а теперь, согласно данным телескопа СРГ/еРОЗИТА, полный объем и морфология этих структур стали очевидными». «»Шрамы», оставленные такими вспышками, долго «заживают» в таких ореолах» — добавляет Андреа Мерлони (Andrea Merloni, MPE), научный руководитель телескопа СРГ/еРОЗИТА.

«Многоцветная» рентгеновская карта неба, полученная телескопом СРГ/еРОЗИТА, содержит колоссальный объем информации о межзвездной среде Млечного Пути в целом, — говорит член-корреспондент РАН, один из создателей рентгеновской карты неба и соавтор статьи Марат Гильфанов (ИКИ РАН). — Видно, что излучение горячего и теплого газа приходит к нам со всех направлений, но его яркость в направлении Галактической плоскости сильно понижена из-за поглощения холодным веществом, расположенным в спиральных рукавах и в диске нашей Галактики. Наблюдаемую картину усложняет вклад излучения т. н. «Локального Пузыря», природа которого до сих пор не вполне понятна, и мы ожидаем, что СРГ/еРОЗИТА внесет свой вклад в разрешение и этой загадки».

***

Рентгеновский телескоп СРГ/еРОЗИТА был запущен в космос на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» 13 июля 2019 года. Большая эффективная площадь зеркал и детекторов и широкое поле зрения СРГ/еРОЗИТА предназначены для глубокого обзора всего неба в рентгеновских лучах. В течение шести месяцев (декабрь 2019 — июнь 2020) СРГ/еРОЗИТА выполнила первый обзор всего неба на энергиях 0,2-8 кэВ, значительно более глубокий, чем самый чувствительный до этого обзор всего неба рентгеновского телескопа ROSAT (Германия) в 1990 г. на энергиях 0,1–2,4 кэВ. Предварительный анализ карты звездного неба первого обзора всего неба телескопа СРГ/еРОЗИТА обнаружил более миллиона точечных рентгеновских источников и около 20 000 протяженных. Около 80 % точечных источников представляют собой далекие активные ядра галактик (АЯГ). В Млечном Пути СРГ/еРОЗИТА зафиксировала около 200 000 коронально активных звезд, включая около 150 звезд, вокруг которых расположены планеты (~ 10% всех известных за пределами поля Кеплера).

Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА (c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (от ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (от МПЕ).

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

  1. Detection of large-scale X-ray bubbles in the Milky Way halo P. Predehl, R. A. Sunyaev, W. Becker, H. Brunner, R. Burenin, A. Bykov, A. Cherepashchuk, N. Chugai, E. Churazov, V. Doroshenko, N. Eismont, M. Freyberg, M. Gilfanov, F. Haberl, I. Khabibullin, R. Krivonos, C. Maitra, P. Medvedev, A. Merloni, K. Nandra, V. Nazarov, M. Pavlinsky, G. Ponti, J. S. Sanders, M. Sasaki, S. Sazonov, A. W. Strong & J. Wilms
  2. 09.12.2020 eROSITA finds large-scale bubbles in the halo of the Milky Way Пресс-релиз Института внеземной физики Общества им. Макса Планка

Телескоп еРОЗИТА обсерватории СРГ открывает и исследует сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной

В центре нашей Галактики находится черная дыра массой 4 миллиона масс Солнца. Такие черные дыры есть в центрах почти всех галактик. Как правило, их масса больше: иногда ненамного, а иногда она достигает нескольких миллиардов солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры зародились много миллиардов лет назад, когда во Вселенной только начали возникать первые звезды и галактики, и росли за счет аккреции окружающего их вещества. Этот процесс сопровождался выделением колоссальной энергии, что позволяет нам сейчас обнаруживать молодые и растущие массивные черные дыры по их электромагнитному излучению, испущенному много миллиардов лет назад. Такие объекты называются «квазары» или QSO — Quasi-Stellar Objects («квазизвездные объекты»).

Исследование процесса зарождения и роста сверхмассивных черных дыр — одна из главных научных задач российской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», запуску которой с космодрома Байконур 13 июля исполняется ровно один год. В начале июня 2020 г. телескоп еРОЗИТА (eROSITA), один из двух телескопов на борту обсерватории, завершил свой первый (из запланированных восьми) обзор всего неба в рентгеновских лучах.

В ходе него было обнаружено более миллиона рентгеновских источников. Перед началом обзора, с целью поиска и исследования наиболее далеких и слабых объектов, телескоп еРОЗИТА провел глубокое сканирование т.н. «дыры Локмана» — небольшого участка неба, в котором поглощение рентгеновских лучей межзвездным газом и пылью нашей Галактики минимально и меньше всего мешает наблюдениям внегалактических объектов.

Ученые из Института космических исследований РАН под руководством члена-корреспондента РАН Марата Гильфанова и профессора РАН Сергея Сазонова работают над составлением каталога источников телескопа еРОЗИТА и анализируют эти данные с целью поиска наиболее далеких и наиболее быстро растущих сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Нейронная сеть SRGz, созданная в ИКИ РАН под руководством канд.физ.-мат.наук Александра Мещерякова, отобрала несколько десятков кандидатов в далекие квазары из более чем полумиллиона рентгеновских источников, обнаруженных еРОЗИТОЙ на половине неба, за обработу данных с которой отвечают российские ученые. Наиболее интересные из них были детально исследованы с помощью оптических телескопов в рамках программы наземной поддержки обзора неба «Спектра-РГ».

Уже в первых оптических наблюдениях были открыты ранее не известные далекие квазары. Среди них:

  • квазар на z=4,116, открытый на 1,6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики РАН в Бурятии;
  • квазар на z=4.237, открытый на Российско-Турецком 1,5-метровом телескопе (РТТ-150) в Турции;
  • квазар на z=4,576, открытый на 6-метровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии.

Наблюдения проводились под руководством канд.физ.-мат.наук Родиона Буренина и канд.физ.-мат.наук Георгия Хорунжева из ИКИ РАН и профессора Ильфана Бикмаева из Казанского федерального университета.

Кроме этого, наблюдения на 2,5-метровом телескопе Кавказской горной обсерватории Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ им. М. В. Ломоносова подтвердили, что ещё несколько объектов-кандидатов действительно являются квазарами.

Буква z обозначает «красное смещение» объекта, которое соответствует расстоянию до него. Красные смещения квазаров измеряются по положениям ярких эмиссионных линий в их спектрах. Главная из них — известная из школьного курса физики линия Лайман-альфа, возникающая при переходе электрона со второго на первый уровень в атоме водорода. В обычных условиях эта линия попадает в ультрафиолетовую часть спектра, но в спектрах далеких квазаров она оказывается в видимом диапазоне из-за большого красного смещения, вызванного расширением Вселенной.

Оптические спектры трех ранее неизвестных квазаров на красном смещении z>4, открытых телескопом СРГ/еРОЗИТА. Эти объекты были найдены нейронной сетью SRGz среди около полумиллиона источников, обнаруженных телескопом СРГ/ еРОЗИТА, и их природа была подтверждена в ходе оптической спектроскопии на телескопах БТА, РТТ-150 и АЗТ-33ИК

Особый интерес представляют квазары на красных смещениях z>6, в эпоху, когда возраст Вселенной составлял менее миллиарда лет. До сих пор неясно, как за столь короткое по космическим масштабам время некоторые черные дыры смогли вырасти до колоссальных масс в несколько миллиардов масс Солнца. Другой важный вопрос современной астрофизики — взаимодействие между процессами формирования звезд в первых галактиках и ростом черных дыр в их ядрах. Не до конца исследована и роль квазаров в повторной ионизации Вселенной (200 миллионов – 1 миллиард лет после Большого взрыва). Из наблюдений в оптическом и инфракрасном диапазонах известно более 200 квазаров на z>6, однако рентгеновское излучение пока обнаружено лишь у примерно 20 из них.

В работе канд.физ.-мат.наук Павла Медведева и его коллег из ИКИ РАН и КФУ, принятой в печать в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, сообщается об открытии телескопом СРГ/еРОЗИТА рентгеновского излучения от квазара CFHQS J1429+5447 на красном смещении z=6,2 (соответствует возрасту Вселенной около 900 миллионов лет). Этот квазар был известен по наблюдениям в видимом и радиодиапазонах, но рентгеновское излучение от него зарегистрировано впервые. По данным телескопа еРОЗИТА, рентгеновская светимость квазара составляет около 3×1046 эрг в секунду, что в несколько раз превышает предыдущий рекорд для квазаров на z>6. С учетом же того, что квазар излучает во всем диапазоне электромагнитного спектра, от радио- до ультрафиолетового и рентгеновского, его полную светимость можно оценить ещё на порядок выше — около 3×1047 эрг в секунду. Для сравнения, суммарная светимость всех двухсот миллиардов звезд в нашей Галактике примерно в тысячу раз меньше! Это означает, что черная дыра в этом квазаре «весит» более 2 миллиардов масс Солнца, и она должна была «съедать» примерно по Земле каждую секунду на протяжении нескольких десятков миллионов лет.

Квазар CFHQS J1429+5447 попал в поле зрения телескопа еРОЗИТА и был им зарегистрирован в ходе сканов неба 10–11 декабря 2019 г., в самом начале обзора всего неба обсерваторией «Спектр-РГ». Наблюдения на телескопе РТТ-150 показали, что оптический блеск квазара остался примерно таким же, как за 10 лет до этого, когда его открыл телескоп Канада-Франция-Гавайи.

Квазар CFHQS J1429+5447 является «радиогромким», то есть испускает мощное радиоизлучение. Оно связано с джетами — струями вещества, которые выбрасываются из окрестности черной дыры почти со скоростью света. Медведев с коллегами предположили, что рекордная рентгеновская светимость этого квазара связана с обратным комптоновским рассеянием реликтового излучения Вселенной на релятивистском веществе джетов. Этот процесс особенно важен в ранней Вселенной, где плотность энергии реликтового излучения более чем на три порядка выше, чем вокруг современных нам объектов. Ученые ИКИ РАН продолжают поиск таких объектов в данных еРОЗИТЫ.

***

Medvedev P. et al. SRG/eROSITA uncovers the most X-ray luminous quasar at z > 6

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.