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.

Ярчайшие из известных источников на рентгеновском небе СРГ/еРОЗИТА

(c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)
Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА. Кликните на изображение, чтобы увидеть описание объектов (c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)

Наряду с миллионом далеких и достаточно слабых рентгеновских источников на карте, полученной по данным телескопа СРГ/еРОЗИТА, хорошо видны ярчайшие объекты.

Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА (c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)
Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА с указанием наиболее ярких и примечательных объектов и протяженных структур (c) М.Гильфанов, Р.Сюняев, Е.Чуразов (ИКИ), H.Brunner, A.Merloni, J.Sanders (МПЕ)

Заметная часть этих источников привлекла к себе внимание лишь после зарождения радиоастрономии в 1950-е годы и рентгеновской астрономии в 1960-е. Сегодня о многих из них есть подробные статьи в Википедии.

Скопления галактик стали интересовать астрономов  в ходе становления внегалактической астрономии в первой трети прошлого века. В 1933 году Фритц Цвикки впервые заявил о существовании в скоплении галактик в созвездии Волосы Вероники загадочной «темной материи». Ее физическая природа не разгадана по сегодняшний день.

Для сравнения ниже приведено замечательное изображение Млечного Пути в видимом диапазоне, сделанное астрономами Европейской Южной Обсерватории (ESO) в Чили.

(c) G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO https://www.eso.org/public/images/D5C1048-Pano-CC/
Панорама Млечного Пути над ESO (c) G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO https://www.eso.org/public/images/D5C1048-Pano-CC/

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Телескоп ART-XC построил точную карту скопления галактик в созвездии Волосы Вероники в жестких рентгеновских лучах

Рентгеновский телескоп ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» 10 июня 2020 г. завершил свой первый обзор всего неба. Сейчас обсерватория продолжает обзор, накапливая экспозицию и улучшая чувствительность полученной рентгеновской карты неба. Перед уходом во второй обзор, для проверки и демонстрации возможностей телескопа ART-XC по исследованию протяженных источников были проведены наблюдения известнейшего скопления галактик в созвездии Волосы Вероники (Coma Cluster), занимающего несколько градусов дуги на небе.

На протяжении двух суток 16–17 июня 2020 г. телескоп ART-XC наблюдал скопление в режиме сканирования (это один из трех режимов наблюдений обсерватории). Вместе с данными, полученными в декабре 2019 г., это позволило построить подробную карту распределения горячего газа в этом скоплении в жестких рентгеновских лучах вплоть до радиуса R500. Это расстояние, на котором плотность материи в скоплении в 500 раз превышает среднюю плотность во Вселенной, то есть почти до теоретической границы скопления (так называемого «вириального радиуса»).

Изображение скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, размером 3 на 3 градуса, полученное телескопом ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ. Цветом показана интенсивность излучения. Общая экспозиция более чем на два порядка превышает экспозицию, достигнутую во время обзора. Изображение сглажено с характерным размером 1 угловая минута. Изображение: ИКИ РАН
Изображение скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, размером 3 на 3 градуса, полученное телескопом ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ. Цветом показана интенсивность излучения. Общая экспозиция более чем на два порядка превышает экспозицию, достигнутую во время обзора. Изображение сглажено с характерным размером 1 угловая минута. Изображение: ИКИ РАН

Результаты этой работы продемонстрировали прекрасные возможности телескопа регистрировать и исследовать протяженные объекты с низкой поверхностной яркостью.

После окончания обзора всего неба в 2023 г. обсерватория «Спектр-РГ» на протяжении 2,5 лет будет проводить наблюдения наиболее интересных объектов на небе. Протяженные источники, такие как скопления галактик и остатки вспышек сверхновых, будут среди приоритетных мишеней.

«Нам удалось получить одну из лучших карт скопления галактик в диапазоне энергий 4–12 кэВ, — поясняет Михаил Павлинский, заместитель директора ИКИ РАН по проекту «Спектр-РГ», заместитель научного руководителя проекта «Спектр-РГ». — Вообще мы его регистрируем по крайней мере до 16 кэВ. Это открывает очень серьезные перспективы с научной точки зрения, в первую очередь, для точного определения температуры межгалактического горячего газа. Мы убедились, что можем строить карты, которых ни у кого нет».

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Телескоп ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» исследует возможности космической навигации по рентгеновским пульсарам

Ученые Института космических исследований Российской академии наук, специалисты АО «НПО им. Лавочкина» и Баллистического центра Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН с помощью телескопа ART-XC на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» провели серию наблюдений нескольких быстровращающихся рентгеновских пульсаров (периоды вращения 16–150 миллисекунд) и смогли определить время приходящих из космоса сигналов с высочайшей точностью. Эти наблюдения, наряду со штатными измерениями параметров траектории космического аппарата (КА), позволили провести юстировку бортовых часов относительно мирового времени с миллисекундной точностью. Это критически важно не только для астрофизических исследований, но и для решения прикладных задач космической навигации. Более того, было показано, что приемлемые навигационные параметры спутника можно получать, используя только данные измерений пульсаров. Это открывает возможности для создания системы автономной навигации КА по сигналам рентгеновских пульсаров.

«Современное состояние дел с навигацией космических аппаратов, говоря образно, похоже на ситуацию с навигацией морских кораблей эпохи Великих географических открытий, — объясняет профессор РАН Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН. — Пока корабль находится близко от берега (или, в случае космического аппарата, от Земли), то определить его точное положение совсем не трудно. Когда же Земля далеко и привычные ориентиры теряются, то задача становится значительно сложнее. Полеты к Марсу, Венере, сложные маневры около далеких планет требуют проведения длительных и регулярных измерений положения КА, которые проводятся с Земли специальными радио- и оптическими телескопами».

В ИКИ РАН совместно с НПОЛ и Баллистическим центром ИПМ РАН началась разработка системы рентгеновской навигации — автономной системы навигации космических аппаратов по сигналам рентгеновских пульсаров. Это быстровращающиеся нейтронные звезды, которые посылают в космос короткие (длительностью миллисекунды или десятки миллисекунд) периодические импульсы рентгеновского излучения.

Формы таких импульсов уникальны для разных пульсаров, и, более того, они оказываются стабильными на длительных временных масштабах, сравниваясь со стабильностью атомных часов. Это свойство можно использовать для определения текущих координат КА и проверки точности хода его бортовых часов — это ключевое обстоятельство для решаемых КА задач. Фактически, пульсары являются природными «маяками» Вселенной, которые позволяют создать абсолютную систему навигации космических аппаратов.

«Технические характеристики российского рентгеновского телескопа ART-XC позволили впервые в России провести эксперименты по автономной навигации КА, — продолжает Александр Лутовинов. — В первую очередь, независимым образом по данным измерений сигналов рентгеновских пульсаров была определена точность хода бортовых часов КА, что необходимо в том числе для точной привязки положения КА относительно Земли. Здесь снова возникает аналогия с морскими судами. Если штурманы прошлых столетий довольно легко определяли широту корабля по положению Полярной звезды, то точно определить долготу стало возможным только в середине XVIII века, после создания высокоточных хронометров.

Успешное проведение эксперимента по рентгеновской навигации с помощью телескопа ART-XC открывает дальнейшие перспективы создания такой системы».

Проведенная серия наблюдений позволила не только уточнить законы хода бортовых часов обсерватории, но и начать детальные исследования целого ряда быстропеременных объектов Вселенной. Один из них — источник PSR B1509-58. Это быстровращающаяся нейтронная звезда (период ~150 мсек), находящаяся в пульсарной туманности «Рука Бога» (Hand of God).

Изображение пульсара PSR B1509-58, полученное в ходе специализированных экспериментов, проведенных с борта космической обсерватории «Спектр-РГ» с помощью телескопа ART-XC (показано зеленым) и пульсарной туманности «Рука Бога» по данным обсерватории Chandra NASA (представлено красным и синим цветами). На вставке показана форма сигнала, регистрируемого телескопом ART-XC, в соответствие с которым меняется наблюдаемая интенсивность излучения пульсара. Кликните по изображению, чтобы увидеть анимацию. Автор: С. В. Мольков, ИКИ РАН

На представленной картинке видна не только нейтронная звезда, которую телескоп ART-XC регистрирует в рентгеновском диапазоне 4-12 кэВ, но и излучение самой туманности, возникающее при взаимодействии частиц, испускаемых пульсаром, с окружающим веществом, оставшимся от взрыва сверхновой. Туманность излучает в мягком рентгеновском диапазоне и показана на рисунке синим и красным цветами (данные американской космической обсерватории Chandra). Хорошо видны очертания руки, отсюда и поэтическое название объекта.

Скоро исполнится год успешной работе обсерватории «Спектр-РГ», которая завершает свой первый обзор всего неба. Если искать параллели результатам телескопа ART-XC в древнегреческой мифологии, то можно сказать, что «Рука Бога» времени Хроноса озаряет путь «Спектр-РГ».

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Изображение пульсара PSR B1509-58, полученное в ходе специализированных экспериментов, проведенных с борта космической обсерватории Спектр-РГ с помощью телескопа ART-XC (показано зеленым) и пульсарной туманности «Рука Бога» по данным обсерватории CHANDRA (представлено красным и синим цветами). На вставке показана форма сигнала, регистрируемого телескопом ART-XC, в соответствие с которым меняется наблюдаемая интенсивность излучения пульсара. Автор: С. В. Мольков, ИКИ РАН

ART-XC осмотрел три четверти неба

Уже почти пять месяцев телескоп ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» ведет наблюдения в жестких рентгеновских лучах, осматривая каждый день новое большое кольцо шириной в один градус на небе. 4 мая 2020 года пройдена очередная знаковая отметка – осмотрены три четверти неба! Ученые ИКИ РАН в ежедневном режиме обрабатывают данные, поступающие с орбиты на антенны дальней космической связи (в России, а также на антенны европейской системы дальней космической связи в Испании и в Аргентине), исследуют ранее известные и открывают новые рентгеновские источники в разных участках неба.

Карта трех четвертей неба в галактических координатах, полученная с помощью телескопа ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ

Напоминающая своей формой синий цветок карта трех четвертей неба в галактических координатах получена с помощью телескопа ART-XC в диапазоне энергий 4–12 кэВ. В результате специальной обработки из рентгеновских изображений был убран фоновый сигнал, связанный с заряженными частицами на орбите космического аппарата в районе точки L2, а также с излучением слабых внегалактических и галактических источников, размеры которых слишком малы, чтобы «увидеть» их как отдельные объекты (так называемые космический рентгеновский фон и излучение «хребта» Галактики). Это позволило выделить отдельные, в основном точечные, рентгеновские источники галактического и внегалактического происхождения. Всего их на представленной карте несколько сотен.

Можно отметить повышенную концентрацию источников в центральной области и плоскости Галактики, а также в районе полюсов эклиптики. Последнее связано с тем, что именно в этих полюсах (два «узла» на представленной карте) пересекаются большие круги, прочерчиваемые на небе телескопом ART-XC, что позволяет заглянуть в более далекую Вселенную в этих участках неба. Кроме того, рядом с южным полюсом эклиптики находится знаменитый спутник нашей Галактики — Большое Магелланово Облако, в котором телескоп ART-XC тоже различает рентгеновские источники — в основном аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры.

Обзор продолжается. Ожидается, что уже в июне 2020 года все недостающие фрагменты рентгеновской «мозаики» неба, собираемой телескопом ART-XC, будут на своих местах.

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
    • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
    • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

«Спектр-РГ»/еРОЗИТА: есть рентгеновская карта половины неба!

В работе астрофизиков России и Германии, работающих сейчас на удалении от своих рабочих мест, знаменательное событие: построены рентгеновские карты половины неба по данным телескопов АРТ-ХС и еРОЗИТА на борту орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ».

Полная площадь небесной сферы составляет 41 тысячу 253 квадратных градуса. К вечеру 29 марта 2020 года телескоп СРГ/еРОЗИТА построил рентгеновскую карту, охватывающую 20 тысяч 637 квадратных градусов. На карте четверти неба, за обработку и анализ которой отвечают российские астрофизики, уже задетектировано более 125 тысяч рентгеновских источников. Среди них — десятки тысяч ядер активных галактик и квазаров, излучение которых связано с аккрецией (падением) вещества на сверхмассивные черные дыры и несколько тысяч массивных скоплений галактик, заполненных в основном загадочным темным веществом. Абсолютное большинство этих объектов находится на космологических расстояниях от нас, превышающих миллиарды световых лет.

Карта четверти всего неба, полученная российским консорциумом СРГ/еРОЗИТА 29 марта 2020 г. (с) СРГ/еРОЗИТА/ИКИ
Карта четверти всего неба, полученная российским консорциумом СРГ/еРОЗИТА 29 марта 2020 г. (с) СРГ/еРОЗИТА/ИКИ

«Поразительно, сколько информации содержит эта карта! — рассказывает научный руководитель миссии академик Рашид Алиевич Сюняев. — Мы видим на ней десятки тысяч звезд с активными коронами, намного более яркими в рентгене, чем солнечная, остатки вспышек сверхновых, пульсары, аккрецирующие белые карлики и многие другие типы галактических источников рентгеновского излучения. Многие из этих объектов наблюдаются впервые. К сожалению, мы физически не можем отобразить на карте положение и яркость всех обнаруженных источников — их слишком много, и они сливаются для зрителя. Нужно помещение громадного размера, чтобы мы могли поместить туда столь подробную карту. Но их яркость и положение на небе измерены с хорошей точностью. Например, положение большинства обнаруженных рентгеновских источников на небе известно теперь с точностью лучше десяти угловых секунд. Это позволяет нам отождествить часть открываемых объектов с источниками, которые уже были известны в оптическом или инфракрасном диапазонах спектра».

На полученной карте этой четверти неба обращает на себя внимание Северный Полярный Шпур — ярчайшая и самая протяженная в мягких рентгеновских лучах область нашей Галактики. Природа этого объекта остается все еще нерешенной проблемой, хотя обсуждается несколько гипотез.

Также на полученной карте неба хорошо видна темная полоса, протянувшаяся вдоль и немного выше плоскости нашей Галактики, где поверхностная яркость рентгеновского излучения меньше, чем в других частях карты. Это связано с поглощением мягких рентгеновских лучей газом и пылью в этой части нашей Галактики.

Телескопы обсерватории СРГ сканируют небо вдоль большого круга на небесной сфере, плоскость которого поворачивается примерно в соответствии с движением Земли вокруг Солнца. Все сканы пересекаются в полюсах эклиптики (плоскость Солнечной системы), где рентгеновская карта неба имеет наибольшую чувствительность. Плотность объектов, детектируемых телескопом СРГ/еРОЗИТА в этих зонах, достигает 350 источников на квадратный градус.

Сканирование неба телескопами орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» продолжается. Предприятия ГК «Роскосмос» ведут управление спутником, антенны дальней космической связи ежедневно осуществляют прием научных данных и посылают команды на спутник и научные приборы, находящиеся на расстоянии в полтора миллиона км от Земли (в четыре раза дальше Луны). Ученые ИКИ РАН в удаленном режиме ведут обработку научных данных на мощных компьютерах в центре данных проекта. Карту на противоположной четверти неба строят ученые германского Института внеземной физики Общества имени Макса Планка (Max Planck Institut fuer Extraterrestrische Physik, MPE). Вместе две эти «четвертинки» и составляют половину всего неба.

Планируется, что первая наша рентгеновская карта всего неба будет получена «Спектром-РГ» к концу июня этого года.

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

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.

 

СРГ/еРОЗИТА: Есть рентгеновская карта трети всего неба!

Орбитальная обсерватория «Спектр-РГ» отмечает важный этап — построена одна треть рентгеновской карты всего неба. Количество зарегистрированных рентгеновских источников на российской половине этой карты (16,7% всего неба) превышает 95 000. Лишь одна шестая их часть была задетектирована немецким спутником ROSAT на единственной в мире полной рентгеновской карте неба, полученной в далеком 1990 году.

Зарегистрированное количество источников соответствует предсказаниям ученых.

Карта трети всего неба, полученная в ходе первого сканирования небесной сферы в обзоре СРГ/еРОЗИТА (с) СРГ/еРОЗИТА/ИКИ

На рисунке видно, что самая длительная экспозиция и плотность источников (на квадратный градус) набираются в районе полюсов эклиптики (на рисунке показан северный полюс), где пересекаются все сканы неба.

Появление темной полосы на изображении рентгеновского неба связано с поглощением мягких рентгеновских лучей газом и пылью в плоскости нашей Галактики.

На врезке слева показано «богатое» скопление галактик А 426, справа — ярчайший остаток вспышки сверхновой звезды (Cas А) в созвездии Кассиопеи. Напомним: каждое из этих изображения получено за 5-минутную экспозицию.

Сканирование неба телескопами орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» продолжается. Предприятия Роскосмоса ведут управление спутником, антенны дальней космической связи ежедневно осуществляют прием научных данных и посылают команды на научные приборы. Ученые ИКИ РАН в оперативном режиме ведут обработку научных данных. Подобную карту на противоположной стороне неба строят ученые германского Института внеземной физики Общества имени Макса Планка (Max Planck Institut fuer Extraterrestrische Physik, MPE).

***

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 миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Туманность Андромеды в рентгеновских лучах за 5 минут наблюдений телескопа еРОЗИТА обсерватории «Спектр-РГ»

Многие из нас видели на небе Туманность Андромеды – ближайшую к нам массивную спиральную галактику, которая по многим своим характеристикам является двойником нашего Млечного Пути. В ясную летнюю ночь Туманность Андромеды можно увидеть невооруженным глазом. Свет от нее идет к нам более 2 миллионов лет. Туманность Андромеды и Млечный путь медленно сближаются и, видимо, сольются  через три или четыре миллиарда лет. Вероятно, этот процесс будет очень непростым для землян, если они еще будут существовать в то далекое время.

Более двух месяцев, с 8 декабря 2019 г., орбитальная обсерватория «Спектр-РГ» совершает обзор всего неба в рентгеновских лучах. Раз в полгода сканирующие небо телескопы обсерватории в течение нескольких минут фиксируют рентгеновские лучи от любого объекта на рентгеновском небе. В январе этого года траектория сканов неба проходила и через Туманность Андромеды. В общей сложности галактика находилась в поле зрения телескопов обсерватории чуть больше пяти минут. Карта Туманности Андромеды в мягких рентгеновских лучах, полученная за это короткое время, показана на рисунке.

Карта Туманности Андромеды в мягких рентгеновских лучах (c) СРГ/еРОЗИТА/ИКИ 1 из 2
Карта Туманности Андромеды в мягких рентгеновских лучах (c) СРГ/еРОЗИТА/ИКИ

На этой карте мы видим несколько десятков ярких рентгеновских источников, сгущающихся к центру галактики и к ее спиральным рукавам. Большинство из этих источников — нейтронные звезды и черные дыры, аккрецирующие вещество звезд-доноров в тесной двойной системе. Под действием сил притяжения вещество нормальной звезды медленно перетекает на релятивистскую звезду, разогреваясь до температуры в десятки миллионов градусов и излучая рентгеновские лучи. Поток рентгеновского излучения от этих объектов столь велик, что телескоп еРОЗИТА/eROSITA обсерватории «Спектр-РГ» регистрирует от каждого из них десятки и сотни фотонов всего за 5 минут, пока они находятся в его поле зрения. Яркая область в центре изображения связана с высокой концентрацией компактных источников, а также с излучением горячего ионизованного газа в ядре галактики.

Рядом с галактикой Туманность Андромеды расположен ее спутник — карликовая эллиптическая галактика М32, названной так по ее порядковому номеру в астрономическом каталоге Мессье (сама Туманность Андромеды в каталоге Мессье имеет порядковый номер 31). Телескоп еРОЗИТА также зафиксировал рентгеновское излучение и от галактики М32.

Карта Туманности Андромеды SRG/eROSITA и GALEX
Карта Туманности Андромеды SRG/eROSITA и GALEX

На втором рисунке на рентгеновское изображение наложено ультрафиолетовое изображение Туманности Андромеды, полученное спутником GALEX (NASA), телескоп которого был чувствителен к ультрафиолетовым лучам. GALEX фиксировал в основном излучение молодых и горячих звезд. Такие звезды рождаются в зонах, богатых межзвездным газом, и ультрафиолетовое изображение показывает, как они концентрируются к спиральным рукавам Туманности Андромеды. В течение ближайших десятков миллионов лет многие из них взорвутся как сверхновые и породят новые нейтронные звезды и черные дыры. Те из релятивистских звезд, на которые аккрецирует достаточно вещества, наблюдаются телескопом еРОЗИТА в рентгеновском диапазоне.

По мере накопления экспозиции в ходе обзора неба, будут детектироваться все новые и новые источники в галактике, а также проявится излучения горячего газа, разогретого взрывами сверхновых звезд.

Обсерватория «Спектр-РГ» регистрирует взрывы звезд в далеких галактиках

Телескоп АРТ-ХС на борту обсерватории «Спектр-РГ» регистрирует гамма-всплески — мощные взрывы звезд в далеких галактиках. Это открывает новые интересные перспективы для наблюдений и совместных работ с другими обсерваториями.

Во время проведения обзора всего неба 1 января 2020 г. российский телескоп ART-XC на борту обсерватории «Спектр-РГ» зарегистрировал необычное и кратковременное (длительностью около 5 секунд) повышение интенсивности излучения в своих детекторах. При этом в поле зрения инструмента никаких ярких объектов в этот момент обнаружено не было. Более того, это повышение интенсивности регистрировалось только в трех детекторах из семи, которыми оснащен телескоп.

Проведенные исследования и сравнение с данными других обсерваторий показали, что телескоп ART-XC зарегистрировал мощный гамма-всплеск, связанный со взрывом звезды в далекой галактике. При этом сигнал от этого всплеска попал на детекторы телескопа, пройдя через его боковые стенки, т.е. сильно ослабленным. Именно поэтому он был виден только в детекторах, расположенных со стороны гамма-всплеска.

Анализ всего набора имеющихся на сегодняшний день данных показал, что с начала работы миссии телескоп ART-XC зарегистрировал около десятка гамма-всплесков, сигналы от которых пришли с боковых сторон. Хорошее временное разрешение телескопа позволяет определить время прихода сигнала от гамма-всплеска с высокой точностью. Принимая во внимание, что обсерватория работает в районе точки Лагранжа L2 системы Солнце-Земля на удалении около полутора миллионов километров, можно сказать, что открылись дополнительные возможности участия в совместной работе с другими обсерваториями и инструментами, которые работают на околоземных орбитах, а также в районе точки Лагранжа L1 (в частности, российский эксперимент КОНУС на борту спутника NASA Wind) , по триангуляции гамма-всплесков и улучшению точности их локализации.

Телескопы обсерватории обладают достаточно широкими полями зрения, что также дает возможность обнаруживать послесвечения гамма-всплесков уже в самой апертуре инструментов. Такое событие произошло 20 января 2020 года, когда обсерватория «Спектр-РГ» наблюдала область локализации гамма-всплеска спустя 13 минут после самого события. Поскольку гамма-всплеск произошел на стороне неба, относящейся к зоне ответственности немецкой стороны, то российские ученые проинформировали своих немецких коллег о такой возможности. Обработав данные телескопа СРГ/еРОЗИТА, они обнаружили неизвестный ранее объект, интенсивность которого чрезвычайно быстро падала: через 4 часа, во время следующего прохода обсерватории через эту точку, объект уже был более чем в 10 раз слабее. Этот факт был интерпретирован как первая регистрация послесвечения гамма-всплеска обсерваторией «Спектр-РГ», о чем было сообщено научному сообществу. Более того, данные обсерватории позволили локализовать гамма-всплеск с высокой точностью, что дало возможность провести его наблюдения наземными оптическими телескопами.

Таким образом, регистрация всплесков в гамма-диапазоне российским телескопом АРТ-ХС обсерватории «Спектр-РГ» открывает новые возможности и для ученых и для обсерватории, а она сама теперь полностью оправдывает свое имя: полностью оно звучит «Спектр-Рентген-Гамма».

(с) С.Мольков, ИКИ РАН, СРГ/АРТ-ХС
Художественное изображение обсерватории «Спектр-РГ» и гамма-всплеска от взрыва звезды. На вкладке показан сигнал, зарегистрированный телескопом ART-XC в диапазоне энергий 60-120 кэВ через несколько секунд после обнаружения гамма-всплеска 1 января 2020 г. обсерваторией Fermi, работающей на околоземной орбите (с) С.Мольков, ИКИ РАН, СРГ/АРТ-ХС

***

Космический аппарат «Спектр-РГ» 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/еРОЗИТА (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта.

  • Научный руководитель миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
  • Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
  • Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью.

Ожидается, что в ходе обзора неба «Спектр-РГ» обнаружит около 3 миллионов аккрецирующих сверхмассивных черных дыр, 100 000 скоплений галактик, сотни тысяч звезд с активными коронами и аккрецирующих белых карликов, десятки тысяч звездообразующих галактик и многие другие объекты, в том числе неизвестной природы. Эти данные исключительно важны для понимания того, как распределена материя во Вселенной, какую роль в её развитии играла темная энергия и как в ней появлялись и росли сверхмассивные чёрные дыры.