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.

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.