Телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» повторно осмотрел все небо

15 декабря 2020 года, спустя год после начала сканирования неба, телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» завершил свой второй обзор всего неба.

Карта всего неба, полученная по результатам двух обзоров телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского, обсерватория «Спектр-РГ», декабрь 2020 г.
Карта всего неба, полученная по результатам двух обзоров телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского, обсерватория «Спектр-РГ», декабрь 2020 г.

Уникальное сочетание большого поля зрения, высокого углового разрешения и достаточно жесткого диапазона энергий позволяет телескопу ART-XC получать четкие изображения любых областей на небе, включая центральную зону нашей Галактики. На рисунке показана карта всего неба (в галактических координатах) в диапазоне энергий 4-12 кэВ, построенная по совокупности данных первого и второго обзоров. Как и ожидалось, полное количество рентгеновских источников на суммарной карте возросло почти в два раза, примерно до 1000.

Каталоги в жестких рентгеновских лучах, подобные тому, что получил телескоп ART-XC за год работы, предыдущими инструментами создавались десятилетиями. Среди зарегистрированных телескопом ART-XC источников обнаружено нескольких десятков ранее неизвестных объектов в Галактике и за ее пределами, в том числе сверхмассивные черные дыры, окруженные толщей холодного газа и невидимые в мягких рентгеновских лучах. Часть из зарегистрированных источников проявляет сильную переменность, о чем говорит сравнение карт первого и второго обзоров.

Наблюдения неба с помощью телескопа ART-XC продолжаются в штатном режиме, и в следующие 3 года обзор всего неба будет повторен еще 6 раз, что позволит обнаружить на небе еще несколько тысяч рентгеновских источников.

Телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского создан в России, а «Спектр-РГ» — первая отечественная обсерватория, работающая в окрестности точки Лагранжа L2, на расстоянии около полутора миллионов километров от Земли.

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

Астрофизик Рашид Сюняев — о новой эпохе в визуализации устройства Вселенной

Журнал «Огонёк» №46 от , стр. 32

Российские ученые создали самую подробную карту Вселенной. Как выглядит наша Галактика изнутри, легко ли запутаться в космической паутине и что мы сможем разглядеть через гравитационные линзы? Об этом «Огонек» расспрашивал одного из самых авторитетных ученых мира — астрофизика Рашида Сюняева.

Более двух с половиной тонн научного оборудования, миллионный бюджет, десятки лет напряженной работы и возрожденный престиж российской науки. Примерно так кратко можно описать космический аппарат «Спектр-РГ», который в эту самую минуту находится далеко в космосе. Аппарат стартовал летом 2019 года с Байконура, унося на себе два телескопа — один из них российский, другой немецкий. Оба телескопа в разных режимах сканируют рентгеновское излучение, исходящее от источников в недрах Вселенной, далеко за пределами нашей Галактики.

Почему именно рентгеновское? Вообще, рентгеновская астрономия, как ни странно, появилась во многом благодаря ядерному противостоянию. В 1940-е годы американцы придумали модифицированный счетчик Гейгера, чтобы ловить в воздухе частицы высоких энергий — «эхо» атомных взрывов в атмосфере. Он, кстати, уловил такое «эхо» от первой атомной бомбы, испытанной в СССР в 1949-м. Позже ученые попробовали отправить прибор в космос и обнаружили, что наше Солнце тоже испускает рентгеновское излучение. И не только оно. Оказалось, что Вселенная наполнена неизвестными объектами, которые можно засечь только в рентгеновском спектре. Но что они собой представляют, долгое время оставалось загадкой. Было ясно: такие частицы испускают источники, нагретые до гигантских температур, вплоть до нескольких миллионов градусов. Сегодня понятно, что речь идет о самых крупных объектах нашей Вселенной — скоплениях галактик, мощных черных дырах, вспышках сверхновых и так далее.

Через четыре года, собрав всю полученную «Спектром-РГ» информацию, российские ученые создадут окончательный вариант самой точной трехмерной карты Вселенной, куда будут нанесены крупные внегалактические объекты, подобные материкам на гигантской географической карте.

Помимо этого, «Спектр-РГ» будет решать огромное количество других научных задач, важнейшая из которых связана с главной загадкой современной науки: распределением невидимой темной материи и действием темной энергии — некой силы, управляющей временем и пространством. Это настолько продвинет нас в понимании устройства Вселенной, что некоторые эксперты называют происходящее третьей астрономической революцией, имея в виду, что первая произошла с появлением оптических приборов, а вторая — с выходом человечества в ближний космос. А узнать, не завышены ли ожидания, можно только у одного человека, который больше других знает и о проекте, и о Вселенной.

Рашид Алиевич, вы всю жизнь изучали Вселенную, именно этому посвящена работа уникальной российско-немецкой обсерватории «Спектр-РГ» (СРГ), которая скоро завершит второй обзор всего неба. Что мы узнали такого, чего не знали раньше?

— Новые результаты будут опубликованы в «Nature» в декабре, пока я могу сказать, что они связаны с активностью гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Сегодня эта черная дыра и падающее на нее вещество (имеется в виду вещество, которое дыра затягивает внутрь.— «О») наблюдаются как источник слабого переменного рентгеновского излучения. Но миллионы лет назад в центре Галактики произошла ярчайшая вспышка, которая привела к выбросу громадного количества газа на расстояния в десятки тысяч световых лет от этой черной дыры и зоны активнейшего звездообразования вокруг нее. В это время светимость центра Галактики превышала современную в сотни миллионов, а возможно, и в миллиарды раз. Наш телескоп изучает свойства выброшенного газа, видит мощные ударные волны, нагревающие газ до температур в миллионы градусов.

Когда вы говорите, что благодаря орбитальной обсерватории СРГ впервые создается столь подробная карта Вселенной, что имеется в виду? И как эта карта создается?

— Для начала скажу, что речь идет о двух совершенно уникальных рентгеновских телескопах с оптикой косого падения: АРТ-ХС и еРозита. Они установлены на борту орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». АРТ-ХС сделан в России, а еРозита — в Германии. Роскосмос впервые в отечественной истории запустил аппарат в точку Лагранжа (L2) — в 1,5 млн километров от Земли, где Солнце, Земля и Луна всегда находятся с одной стороны от нашей обсерватории. Каждые полгода наш спутник делает оборот вокруг L2 и при этом получает полную карту неба. Всего за 4 года работы будет сделано восемь таких карт, которые дополнят и уточнят друг друга.

Уже сейчас мы открыли порядка миллиона рентгеновских источников. Это больше, чем видели все рентгеновские телескопы за всю историю астрономии! И три четверти из них — это сверхмассивные (миллионы и миллиарды солнечных масс) черные дыры в квазарах и ядрах активных галактик. Сейчас завершается второе сканирование неба, и мы получим возможность вести поиск очень интересных явлений, например, приливных разрушений звезд сверхмассивными черными дырами.

— Что это такое?

— Иногда нам удается стать свидетелями настоящих космических драм. Мы обнаружили десятки объектов, которые за полгода стали ярче в десять раз. Это значит, что они хорошо «покормились» — может быть, мимо пролетела звезда, которая подошла к черной дыре слишком близко и была разорвана приливными силами. При этом часть вещества уходит в бесконечность, а часть оказывается захваченной черной дырой, поэтому светимость аккреционного диска вокруг нее резко возрастает (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур.— «О»). Для того чтобы черная дыра на расстоянии в миллиард световых лет «светила» с такой силой, она должна каждые 10 минут поглощать массу порядка массы Земли.

Какие необычные объекты и зоны во Вселенной наиболее интересны ученым?

— На самом деле их очень много. Например, так называемая дыра Локмана. С самим Джеем Локманом я знаком, он был совсем молодым, когда открыл область неба с минимальным количеством нейтрального водорода на луче зрения. Именно поэтому она прозрачна для наблюдения мягкого рентгеновского излучения внегалактических объектов. Уже сейчас мы обнаружили там около 9 тысяч рентгеновских источников, большинство из которых находятся далеко за пределами Галактики, они как бы просвечивают сквозь нее.

Но главное для нас сейчас — это использование гигантского количества открываемых рентгеновских источников в интересах космологии — науки о Вселенной. Мы мечтаем получить новые данные о заполняющих Вселенную темной энергии и темном веществе, физическая природа которых пока не известна. Так, например, на первой рентгеновской карте всего неба телескопа еРозита мы видим около 20 тысяч скоплений галактик, около 80 процентов массы каждого из которых составляет темное вещество. Громадный набор данных СРГ позволяет исследовать, как меняется плотность этих самых массивных многочисленных объектов во Вселенной. Мы узнаем, когда они появились, как со временем росло их количество, как они сливались друг с другом. Горячий газ, излучение которого мы наблюдаем, позволяет следить, как меняется гравитационный потенциал скоплений, определяемый невидимым темным веществом, масса которого растет со временем.

— Почему это важно?

— Громадный гравитационный потенциал приводит к тому, что многие скопления становятся сильными гравитационными линзами (такие линзы меняют направление электромагнитного излучения, как обычная линза — светового луча, то есть через них словно через увеличительное стекло можно детально исследовать самые далекие галактики во Вселенной.— «О»). Сначала изображения объектов усиливаются такой гравлинзой, а затем лучшими в мире оптическими телескопами. Мы рассчитываем, что среди открываемых нами скоплений галактик будут найдены многие тысячи сильных гравлинз.

Назад в будущее

Работа по проекту СРГ велась более 15 лет и потребовала больших усилий российской промышленности. Можно ли говорить о возрождении наукоемкой промышленности в России?

— АРТ-XC — первый российский рентгеновский телескоп с оптикой косого падения международного класса. Его создание стало возможным благодаря работе большого количества людей. Лидер этого коллектива — Михаил Павлинский, который ушел из жизни в июле этого года в возрасте 60 лет и чьим именем телескоп назван сейчас. Детекторы АРТ-XC были полностью разработаны и изготовлены в Институте космических исследований (ИКИ) РАН, а конструкция телескопа изготовлена в знаменитом Федеральном ядерном центре в Сарове. За создание позиционно чувствительных детекторов и их электроники отвечали молодые выпускники МИФИ во главе с Василием Левиным.

— Но рентгеновские зеркала вы взяли американские?

— У нас есть отечественные рентгеновские зеркала с оптикой косого падения, и наша страна может делать полностью свои рентгеновские телескопы. Но тесты показали, что зеркала Космического центра НАСА им. Маршалла показывают несколько лучшие результаты.

Надо признать, что в области космической астрофизики и исследования Солнечной системы (во многом благодаря поддержке РАН и Роскосмоса) еще со времен СССР идет плодотворное сотрудничество со многими странами Европы и США. По нашему проекту мы широко сотрудничаем с учеными Германии, и это полезно для обеих сторон. У меня впечатление, что никто и нигде не будет всерьез останавливать научное сотрудничество в чисто научном космосе. В значительной мере это вопрос конкурентоспособности: смогут ли наши ученые предлагать интересные задачи для сотрудничества, а нашe правительство и промышленность — хорошие условия для него. Ни одна страна в мире не может осилить сразу все работы по всем интересующим ученых направлениям.

Возвращаясь к нашей промышленности, добавлю, что большая группа специалистов в НПО им. Лавочкина курирует работу СРГ ежедневно. Именно они создали замечательную платформу «Навигатор», на которой установлены наши рентгеновские телескопы. Эта платформа уже была испытана в космосе, на ней летали «Радиоастрон» и приборы двух метеорологических спутников. Надеюсь, что «Навигатор» будет успешно использоваться и в дальнейшем.

— А кто принимает сигнал на земле?

— Здесь громадную роль играют центры дальней космической связи России. Ежедневно по 5 часов в день сеансы связи с СРГ проводят поочередно 64-метровая антенна в Медвежьих Озерах под Москвой и 70-метровая антенна в Уссурийске недалеко от границы с Китаем и Северной Кореей. Они принимают данные и пересылают их по каналам связи в ИКИ для дальнейшей передачи ученым России и Германии. С помощью антенн в этих центрах, а также благодаря работе Байконура ученые проверяют работу всех систем обсерватории и посылают команды и задания на следующие сутки работы.

— Вы присутствовали при запуске аппарата?

— Когда вспыхнуло пламя и ракета «Протон» с нашей обсерваторией начала медленно подниматься, это было волнующее зрелище. Я ездил на Байконур и за две недели до запуска. Ракету уже установили на стартовом комплексе, вдруг выяснилось, что у нее есть небольшая, но достаточно серьезная проблема. Как бы дорого это ни было, ракету сняли, отвезли назад в цех и работали над ней в срочном порядке две недели. В итоге запуск прошел чудесно. После ко мне подошел один из ведущих конструкторов завода им. Хруничева (завод — создатель «Протона-М».— «О») и сказал: «Поздравляю! Если б вы знали, сколько людей не спали эти две недели, чтобы все прошло хорошо». Плохо спал в те дни и я, а когда давал комментарии в ходе запуска, осознал, что никогда не видел себя на экране таким бледным.

В общем, это неудивительно, учитывая, сколько времени вы боролись за этот проект.

— Да, отсчет можно вести с 1987 года. Тогда в Москве в честь 30-й годовщины запуска первого спутника ЦK КПСС разрешил провести совещание с участием всех основных космических агентств и ведущих ученых мира в области космических исследований. Проект, который мы предложили, был поддержан 26 выдающимися физиками нашей страны, включая таких гигантов науки, как мой учитель академик Зельдович, академик Сахаров и директор ИКИ, в то время академик Сагдеев.

Заглянуть за край

— То, что вы видите на карте, соответствует предсказаниям, которые были у астрофизиков до сих пор?

— С некоторой точностью, и этим уточнением мы занимаемся.

— Что вы делаете с гигантским объемом полученной информации?

— Понятно, что один человек не может вручную перебрать миллион источников, которые мы уже видим на карте неба, полученной телескопом СРГ/еРозита. Для этого нужны квалифицированные, инициативные и способные люди, нужно большое количество хороших компьютеров, которых у нас не хватает. Но так быть не должно: СРГ дает интереснейшие данные, и их анализ должен производиться учеными нашей страны, молодежь должна иметь возможность делать открытия мирового класса. Более того, стоимость этих компьютеров ничтожна по сравнению со стоимостью всего проекта. К тому же у нас не хватает архивов для того колоссального количества данных, которые приходят каждый день. Мы очень рассчитываем, что Министерство науки и образования поможет в этом вопросе. Именно из-за недостатка компьютеров и современных оптических телескопов в стране мы сейчас концентрируемся на поиске самых далеких объектов во Вселенной среди миллиона уже открытых нами, вместо того чтобы расширять область исследования.

Обработкой данных помимо уже известных специалистов в данной области занимается много молодежи, что принципиально важно. Например, молодые выпускники МФТИ, МГУ, МИФИ и других вузов. Отмечу группу аспирантов и студентов факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, работающих под руководством Александра Мещерякова. С помощью программы машинного обучения и нейронной сети «СРГz» они «перелопачивают» на компьютерах все обнаруженные СРГ объекты, ищут самые интересные, самые далекие из них, а затем передают информацию астрономам, работающим на четырех отечественных оптических телескопах, для более подробного изучения.

Буквально на днях мне сообщили из Казанского федерального университета, что один из рентгеновских источников, отобранных по программам «СРГz», оказался гигантской черной дырой массой более 100 млн солнечных масс. Этот квазар светил, когда еще не существовало Земли, когда Вселенная была раз в 10 моложе, чем сейчас, и испущенные им рентгеновские и оптические фотоны «летели» к нам 12 млрд лет. Естественно, возникает вопрос: как эта черная дыра успела нарастить столь громадную массу менее чем за миллиард лет?

— Поражает, что такие открытия можно делать на «всего лишь» 1,5-метровом телескопе КФУ.

А ведь 8 лет назад ЮЕО приглашала Россию присоединиться к этому международному проекту, но что-то пошло не так…

— Можно ли, глядя на новую рентгеновскую карту неба, наглядно описать, как выглядит наша Вселенная?

— Да, скорее всего еще через три года в результате восьми обзоров всего неба в рентгеновских лучах мы получим достаточное количество скоплений галактик (речь идет о 100 тысячах) и будем пытаться построить трехмерную картину их распределения во Вселенной. Численное моделирование предсказывает, что в узлах космической паутины (по одной из теорий во Вселенной есть некие плотные структуры из газа и пыли, похожие на нити паутины.— «О») находятся именно скопления галактик. Надеемся это увидеть на тонких срезах полученной трехмерной картины. Более того, мы планируем и поиск следов «барионных акустических осцилляций» (колебания плотности обычной материи, вызванные звуковыми волнами в ранней Вселенной.— «О») в трехмерном распределении не только скоплений галактик, но и гораздо более многочисленных квазаров. И потом, если есть наша Вселенная, почему не быть где-то другой? Почему наша должна быть одна?

Впрочем, я всю жизнь работаю на грани теории и эксперимента и думаю в первую очередь о том, что реально можно увидеть и в некотором смысле «пощупать». Так, например, мне было очень интересно работать над статьей с профессором МГУ (тогда еще совсем молодым ученым) Николаем Ивановичем Шакурой про аккрецию на черные дыры (самая цитируемая статья в мировой теоретической астрофизике.— «О») не только потому, что речь идет об удивительных объектах — черных дырах. Нас поражало, что аккреционный диск из вещества делал ее не только «видимым», но и ярким объектом в рентгеновских и даже оптических лучах, позволял оценить ее массу и ряд других физических параметров. Это открывало возможность искать черные дыры и в нашей Галактике, и во всей Вселенной. А сегодня, 47 лет спустя после этой публикации, СРГ за два скана неба уже нанес на карту неба более миллиона только сверхмассивных черных дыр.

Сейчас благодаря работе наших рентгеновских телескопов получены картины удивительной красоты. Например, мы детально исследовали богатейшее скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Его масса составляет 10 в 15-й степени масс Солнца. Как и все скопления, оно на 80 процентов состоит из темного вещества, а галактики в нем (несколько тысяч) обеспечивают всего 4 процента массы, остальное — горячий межгалактический газ с температурой 70–90 млн градусов и с плотностью всего в один протон и электрон на каждые 100 кубических сантиметров.

На полученном изображении мы видим удивительные по масштабности события: это скопление галактик готовится поглотить своего ближайшего соседа (скопление меньшей массы), в газе возникают ударные волны, происходит ускорение космических лучей и многое другое.

— Как с помощью рентгеновского телескопа вы изучаете распределения темного вещества?

— Благодаря численному моделированию на суперкомпьютерах мы знаем, что темное вещество из пространства между скоплениями галактик широкими рукавами втекает в сами скопления. Вместе с частицами невидимого для нас темного вещества туда же втекает и газ. А этот газ мы надеемся увидеть по его рентгеновскому излучению. Более того, мы стараемся оценить, сколько именно вещества втекает, какое давление газа создается при этом, как в нем возникают ударные волны. Горячий газ, как и галактики, для нас являются как бы пробными частицами, позволяющими почувствовать гравитационное воздействие на них громадного числа невидимых частиц темного вещества. Периферия скоплений галактик представляет для нас особый интерес. Важно найти филаменты (гипотетические плотные узкие нити космического вещества.— «О»), вдоль которых в скопление втекают темное вещество и газ, и измерить их параметры.

Эти рукава темной материи подтверждают гипотезу, что наша Вселенная по структуре похожа на гигантскую трехмерную паутину?

— В целом да, ее узлы представляют собой скопления темной материи, проявляющие себя в виде скоплений галактик и атмосферы горячего газа. А между скоплениями, по теории, должны возникать нитевидные структуры, те самые филаменты. Именно в точках пересечения этих нитей находятся скопления галактик. Существование такой картины предсказывают численные расчеты роста возмущений плотности даже во Вселенной, заполненной лишь темным веществом». Наличие барионного вещества (привычная нам форма вещества, отличная от темной материи.— «О»), проявляющего себя в виде разреженного газа и звезд в галактиках, открывает возможность подтвердить наблюдениями эту картину.

— Успехи современной астрофизики во многом связаны с теорией, названной «эффектом Сюняева — Зельдовича». Как вы к ней пришли?

— Астрофизика и особенно космология хороши тем, что могут предоставлять теоретикам физические условия, практически недостижимые в земных лабораториях: высокие и сверхнизкие температуры, громадные плотности энергии излучения и вещества, колоссальные магнитные поля или, наоборот, крайне разреженную плазму с плотностью всего лишь в одну частицу в десятках кубических метров, но при громаднейших размерах объектов. При этом хорошо известные физические процессы могут приводить к совершенно неожиданным следствиям. Когда мы с Яковом Борисовичем Зельдовичем предложили экспериментаторам искать проявления эффекта, называемого теперь SZ-effect, в него мало кто поверил.

И долгое время это оставалось теорией…

— Да, экспериментаторы старались, но чувствительности детекторов не хватало еще лет тридцать. Хотя сейчас этим методом открыты многие тысячи скоплений галактик, по нему опубликованы многие сотни экспериментальных и теоретических статей. Помогли известный всем космологический спутник ПЛАНК, замечательные телескоп на Южном полюсе Земли и Атакамский космологический телескоп в Чили.

— Примерно 10 лет назад вас избрали членом Американского философского общества. Что там сегодня обсуждают?

— Это достойнейшее место, начало которому положили еще отцы — основатели Америки, в том числе Томас Джефферсон и Бенджамин Франклин. Два раза в год (когда удается) я бываю на собраниях, где обсуждают чрезвычайно широкий круг тем. Мне, например, запомнилось выступление профессора Принстонского университета, который изучал культуру мигрантов в беднейших районах Лос-Анджелеса. В Америке многие годы считалось, что все приехавшие должны немедленно забыть свои корни и выучить английский язык, чтобы общаться только на нем. Но оказалось, что в тех семьях, где говорили на родном языке, дети гораздо реже попадают в банды, чем там, где родители пытаются говорить с ними на корявом и бедном английском. Для проявления личности, для установления доверительных отношений с детьми принципиально важно, чтобы взрослые говорили на красивом и богатом языке, чтобы они могли точно выразить свою мысль, дать развернутый совет и так далее. А английский дети освоят, столь велико влияние школы, интернета и массовой культуры. Меня это поразило.

— В одном из интервью вы сказали, что мы станем свидетелями научно-технической революции. Что вы имели в виду?

— Мы уже давно переживаем настоящую научно-техническую революцию: например, спокойно говорим из разных стран по Zoom, а я прекрасно помню, как в июле 1960 года, когда поступил в московский Физтех, стоял в двухчасовой очереди на Центральном телеграфе, чтобы позвонить в Ташкент и сообщить родителям, что меня приняли. Жизнь стала другой, а через сто лет она будет еще более интересной, чем сейчас.

Источник: kommersant.ru

 

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАСНЫХ СМЕЩЕНИЙ ВЫБОРКИ ДАЛЕКИХ КВАЗАРОВ ОБСЕРВАТОРИИ СРГ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА РТТ-150. I

Приведены результаты первых спектроскопических наблюдений на 1.5-м Российско-Турецком телескопе рентгеновских источников, открытых телескопом еРОЗИТА космической обсерватории СРГ и идентифицированых системой машинного обучения SRGz в качестве кандидатов в далекие рентгеновские квазары. Семь объектов подтверждены как квазары на красных смещениях z = 2.7−4.2, a два источника, которые были включены в программу оптических наблюдений с целью тестирования и настройки SRGz и имели значительную неопределенность фотометрического красного смещения, оказались сейфертовскими галактиками на z ≈ 0.6.

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2020, том 46, No 10, с. 689–701

ART-XC — год на орбите

 

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

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

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

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

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

Телескоп 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.

Миллион источников и Млечный Путь на рентгеновской карте всего неба: данные телескопа еРОЗИТА на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ»

Неделю назад телескопы ART-XC и eROSITA (еРОЗИТА) на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» завершили сканирование всего неба в рентгеновских лучах. Об этом уже сообщалось, но работа по построению карты и определению числа источников, обнаруженных в ходе сканирования, продолжается. Как было договорено за годы до запуска, российские ученые обрабатывают данные с одной стороны неба, а немецкие ученые (телескоп еРОЗИТА создан в Германии) работают с рентгеновскими фотонами, пришедшими с другой половины неба. Карта всего неба, построенная учеными двух научных консорциумов и показанная на иллюстрации, оказалась удивительно информативной.

Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА © М.Гильфанов, Е.Чуразов (от ИКИ), H.Brunner, J.Sanders (от МПЕ)
Карта всего неба СРГ/еРОЗИТА © М.Гильфанов, Е.Чуразов (от ИКИ), H.Brunner, J.Sanders (от МПЕ)

В самом центре карты находится сверхмассивная черная дыра с массой 4 миллиона солнечных масс (это достаточно слабый рентгеновский источник). По экватору картинки проходит плоскость нашей Галактики Млечный Путь, который мы можем наблюдать в полной красе на юге нашей страны в безлунную летнюю ночь. Но на рентгеновской карте Млечный Путь выглядит как темная полоса из-за того, что молекулярный газ и пыль в плоскости Галактики поглощают рентгеновские лучи. Синие точки, расположенные в этой области, демонстрируют наличие в Млечном Пути большого числа ярких и мощных источников рентгеновского излучения: это рентгеновские пульсары, аккрецирующие черные дыры в двойных звездных системах, остатки вспышек сверхновых (результат недавней гибели звезд).

Эта карта многоцветная, и различные цвета сразу позволяют судить о характерной энергии приходящих фотонов. На ней представлены все рентгеновские фотоны (а их 400 миллионов), зарегистрированные детекторами еРОЗИТЫ в диапазоне энергий от 300 электрон-вольт (эВ) до 2.3 килоэлектрон-вольт (кэВ) за полгода непрерывного сканирования неба. Красный цвет соответствует фотонам с энергией 0.3–0.6 КэВ, зеленый — 0.6–1 кэВ, синий — 1–2.3 кэВ.

Для простоты понимания можно сказать, что эти три диапазона энергий соответствуют, например, температуре излучающего горячего вещества от 3 миллионов до 6 миллионов градусов (красный цвет); от 6 до 10 миллионов градусов (зеленый) и от 10 до 25 миллионов градусов (синий цвет).

Хорошее угловое разрешение ( ~ 20 угловых секунд) и высочайшая чувствительность телескопа еРОЗИТА позволили ей нанести на карту более миллиона компактных источников и десятки тысяч протяженных. Такое количество невозможно продемонстрировать на одном изображении. Лишь самые яркие из источников видны на карте как точки. Но и их немало: многие тысячи.

Уже первый обзор неба спутником «Спектр-РГ» позволил телескопу еРОЗИТА построить карту, содержащую почти в 10 раз больше источников и в четыре раза более чувствительную, чем бывшая лучшей в мире карта немецкого спутника РОСАТ, полученная в 1990 году. Всего за полгода сканирования неба еРОЗИТА смогла удвоить полное число источников, зарегистрированных всеми спутниками в мире за 60 лет рентгеновской астрономии. «Эта карта всего неба полностью меняет наш взгляд на высокоэнергичные процессы во Вселенной», — говорит Петер Предель (Peter Predehl), научный руководитель телескопа еРОЗИТА в Институте внеземной физики Общества имени Макса Планка (МПЕ, Германия). — «Мы видим такое богатство деталей — красота этого изображения просто поражает».

Эта карта позволяет видеть, как сотни вспышек сверхновых, а возможно, и активность, время от времени, сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, приводят к фонтанирующим выбросам горячего газа с температурами до 10 миллионов градусов из плоскости нашей Галактики (яркие зоны выше и ниже плоскости Галактики). В излучение зон с более низкой температурой вносят вклад и около двухсот тысяч достаточно близких от нас звезд с коронами гораздо более мощными, чем у нашего Солнца.

Но три четверти (!) всех объектов на этой карте — это далекие квазары и ядра активных галактик, т.е. сверхмассивные черные дыры, излучающие за счет падения на них вещества. Они находятся далеко за пределами Млечного Пути на расстояниях в сотни миллионов и миллиарды световых лет от нас.

Среди вновь открытых объектов на этой карте уже найдены квазары с красными смещениями более чем 6 (все линии в их спектрах смещены в красную сторону более 7 раз из-за расширения Вселенной). Мы видим на карте около 20 тысяч скоплений галактик, заполненных загадочным «темным веществом».

На то, чтобы с помощью оптических телескопов получить полную информацию о красных смещениях большинства квазаров и скоплений галактик, открытых телескопом еРОЗИТА, потребуются годы. «Но уже сейчас мы сможем начать использовать этот набор объектов, находящихся на гигантских расстояниях, для определения времени их появления этих во Вселенной и уточнения ее свойств и параметров, т.е. в целях космологии», — говорит научный руководитель обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Телескопы обсерватории «Спектр-РГ» продолжают работу. Планируется, что через несколько дней она начнет второй обзор неба. Ожидается, что он продлится до конца года. Всего планируется получить еще семь таких карт еРОЗИТЫ. На это уйдет еще три с половиной года. Суммарная карта будет примерно в 5 раз (!) чувствительнее первой, а число источников на ней должно возрасти более чем в 10 раз. «Тогда появится уверенность, что наши карты и каталоги источников будут использоваться астрофизиками и космологами всех стран мира как минимум следующие двадцать лет, пока не появятся более совершенные рентгеновские телескопы, и ученые не решат, что пора делать новую, еще более чувствительную карту рентгеновского неба», — отмечает Рашид Сюняев.

***

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.

СРГ/еROSITA: есть рентгеновская карта всего неба!

В работе астрофизиков России и Германии, работающих сейчас на удалении от своих рабочих мест, выдающееся событие: телескопы ART-XC и eROSITA на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» завершили свой первый обзор всего неба в рентгеновских лучах.

К вечеру 11 июня телескоп СРГ/еРозита завершил построение карты, охватывающей всю небесную сферу, площадь которой составляет 41 тысячу 253 квадратных градуса. На это ушло полгода. Изображения половины неба, за обработку и анализ которой отвечают российские астрофизики, приведены на рисунках, на которых показаны карты в двух энергетических диапазонах: 0.3-0.7 кэВ и 0.7-2.3 кэВ. В них чувствительность телескопа СРГ/еРозита максимальна. На этих картах зарегистрировано около полумиллиона рентгеновских источников.

Карта половины всего неба в диапазоне 0.3–0.7 килоэлектрон-вольта, полученная телескопом СРГ/еРозита в ходе первого обзора неба. Изображение: ИКИ РАН
Карта половины всего неба в диапазоне 0.3–0.7 килоэлектрон-вольта, полученная телескопом СРГ/еРозита в ходе первого обзора неба. Изображение: ИКИ РАН

На карте в более мягком диапазоне энергий 0.3–0.7 кэВ хорошо видны остатки вспышек сверхновых (следы гибели звезд) и излучение «теплого» межзвездного газа с температурой в сотни тысяч градусов Кельвина, а также относительно близкие звезды с коронами, намного более мощными чем у Солнца. Их более ста тысяч.

Обращает на себя внимание Северный Полярный Шпур — ярчайшая и самая протяженная в мягких рентгеновских лучах область нашей Галактики. Хорошо видна темная полоса, протянувшаяся вдоль 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 диске нашей Галактики.

«Уже сейчас понятно, что данные телескопа СРГ/еРозита на борту «Спектра-РГ» позволят нам уточнить количество атомарного и молекулярного газа и пыли в различных направлениях на небе», — говорит академик Рашид Сюняев, научный руководитель проекта «Спектр-РГ», научный руководитель отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.

Карта половины всего неба в диапазоне 0.7–2.3 килоэлектрон-вольта, полученная телескопом СРГ/еРозита в ходе первого обзора неба. Изображение: ИКИ РАН
Карта половины всего неба в диапазоне 0.7–2.3 килоэлектрон-вольта, полученная телескопом СРГ/еРозита в ходе первого обзора неба. Изображение: ИКИ РАН

На карте в диапазоне 0.7–2.3 кэВ в основном проявляют себя внегалактические объекты. Мы видим сотни тысяч ядер активных галактик и квазаров, излучение которых связано с аккрецией (падением) вещества на сверхмассивные черные дыры, и тысячи массивных скоплений галактик, заполненных в основном загадочным «темным веществом» и горячим межгалактическим газом. Абсолютное большинство этих объектов находятся на космологических расстояниях от нас, превышающих миллиарды световых лет.

В этом диапазоне мы также видим рентгеновские пульсары, аккрецирующие белые карлики и многие другие типы галактических источников рентгеновского излучения.

Большинство из детектируемых объектов наблюдаются впервые. Точные измерения их положений, с точностью порядка нескольких угловых секунд, позволяют отождествить заметную часть открываемых объектов с источниками, известными в оптическом или инфракрасном диапазонах спектра. На большинство рентгеновских источников телескоп СРГ/еРозита «смотрел» лишь по 150–300 секунд.

Яркое излучение в центральной части карты связано с излучением горячего газа и молодых объектов различной природы в областях звездообразования в созвездии Лебедя, включая известнейший остаток вспышки сверхновой Петля в Лебеде, ряда планетарных туманностей и скоплений молодых звезд, а также известнейших рентгеновских источников, таких как черная дыра Лебедь X-1 и нейтронные звезды Лебедь X-2 и X-3, а также знаменитая далекая радиогалактика Лебедь А.

Из-за эффектов проекции на приведенных выше картах почти не видна зона центра Галактики, представляющая огромный интерес для астрономов. Она показана ниже, размер изображения 40х20 градусов.

Карта области Центра Галактики и Галактической плоскости размером 40х20 градусов в диапазоне 0.3–2.0 кэВ. Изображение: ИКИ РАН
Карта области Центра Галактики и Галактической плоскости размером 40х20 градусов в диапазоне 0.3–2.0 кэВ. Изображение: ИКИ РАН

Сверхмассивная черная дыра Sgr A* находится на правой границе этой карты в плоскости Галактического экватора. Эта область богата рентгеновскими источниками разной природы, но сильно поглощена в мягких рентгеновских лучах из-за высокой концентрации молекулярного газа. Ярчайшие источники в этой области выглядят сильно размытыми из-за их высокой яркости.

Первая же карта неба в рентгеновских лучах телескопа СРГ/еРозита превысила по чувствительности, угловому разрешения и числу наблюдаемых источников карту знаменитого германского спутника ROSAT, которая в течение 30 лет была лучшей в мире.

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, где рентгеновская карта неба имеет наибольшую чувствительность. Плотность объектов, детектируемых телескопом СРГ/еРозита в этих зонах, достигает порядка 700 источников на квадратный градус.

Телескопы обсерватории «Спектр-РГ» продолжают работу. Планируется, что после маневра коррекции орбиты, намеченного на середину июня, и коротких калибровочных наблюдений, необходимых для подтверждения параметров спектрального отклика телескопов, обсерватория начнет второй обзор неба.
Планируется получить еще 7 таких карт в течение следующих трех с половиной лет. Суммарная карта будет намного более подробной, чем первая, за счёт постоянного увеличения экспозиции и чувствительности, конечно при условии непрерывной и качественной работы спутника и его телескопов.

«Тогда появится уверенность, что наши карты и каталоги источников будут использоваться астрофизиками и космологами всех стран мира, как минимум, следующие двадцать лет, — пока одно из космических агентств не решит, что пора делать новую, еще более подробную карту рентгеновского неба», — говорит Рашид Алиевич.

Ожидается, что второй обзор неба продлится до конца года. Сумма данных двух обзоров позволит более чем вдвое увеличить число детектируемых рентгеновских источников, а сравнение карт позволит исследовать переменность источников и открывать новые уникальные объекты на небе.

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 километров 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 половине неба строят ученые германского Института внеземной физики Общества имени Макса Планка. Вместе две эти «половинки» покрывают всю небесную сферу.

***

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.