За первый год работы рентгеновская обсерватория «Спектр-РГ» уже зарегистрировала столько объектов, сколько другие обсерватории, работающие примерно в этом же диапазоне энергий, зарегистрировали за десятилетия работы.

О проекте рассказал Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН и научного руководителя телескопа ART-XC имени М. Н. Павлинского, специально для медиа Pro Космос.

8 декабря 2021 г. исполнилось два года успешной работе российской рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2. Она включает два телескопа: российский ART-XC имени М. Н. Павлинского и немецкий eROSITA, которые наблюдают небо в жёстком (4—30 кэВ) и мягком (0,3—10 кэВ) рентгеновском диапазоне, соответственно. Уникальность инструментов состоит в том, что хорошее разрешение они сочетают с большим полем зрения.

Примерно каждые полгода «Спектр-РГ» проводит полный обзор всего неба, а после 8 обзоров планируется перейти к точечному изучению самых интересных объектов. В конце декабря 2021 года был завершён четвёртый обзор. А к концу 2023 г. ожидается создание рентгеновской карты всего неба в 30—40 раз детальнее существующих на данный момент. Затем обсерватория перейдёт к исследованиям отдельных объектов или наиболее интересных областей неба.

Pro Космос: Можно ли сравнить «Спектр-РГ» с рентгеновскими обсерваториям Chandra и XMM-Newton?

Александр Лутовинов: Предыдущая карта неба в мягком рентгеновском диапазоне была сделана немецкой обсерваторией ROSAT (1990-1998 гг.) в начале 90-х. Мы предполагаем, что к концу 4-летнего обзора неба, когда мы сделаем 8 обзоров, карта неба в мягком диапазоне будет в 30-40 раз более чувствительна, чем полученная ROSAT. Если говорить про наш телескоп ART-XC, то он работает в более жёстком диапазоне и сделает карту в принципе лучше всего, что было до этого сделано. Мы за первый год работы уже зарегистрировали столько объектов, сколько другие обсерватории, работающие примерно в этом же диапазоне энергий, зарегистрировали за десятилетия работы.

Что касается обсерваторий Chandra и XMM-Newton, то они были созданы по тем же принципам, что и оба телескопа на «Спектре-РГ», — это зеркальные рентгеновские телескопы. Важнейшей составляющей таких инструментов являются зеркальные системы, которые фокусируют рентгеновские излучение на полупроводниковые детекторы. Отличие в том, что, несмотря на более высокую чувствительность, поле зрения Chandra и XMM-Newton достаточно ограниченное, они чисто технически из-за особенностей конструкции не могут сделать карту всего неба. Соответственно, оба телескопа обсерватории «Спектр-РГ» это сделать могут, — у них у обоих широкие поля зрения. И делают это лучше, чем инструменты предыдущих поколений, поскольку обладают большей чувствительностью.

Pro Космос: Какие космические объекты и явления «Спектр-РГ» может наблюдать? Тень чёрной дыры, процессы звездообразования, ядра галактик сквозь звёздную пыль, квазары на далёких красных смещениях/больших космологических расстояниях. Может быть, вы что-то выделите?

Александр Лутовинов: Основная цель — построить лучшую в мире карту Вселенной в рентгеновских лучах, то есть постараться увидеть максимально возможное число светящихся в рентгене объектов. Планируется увидеть все массивные скопления галактик, несколько миллионов сверхмассивных чёрных дыр, постараться заглянуть в глубины Вселенной как можно дальше.

Тень чёрной дыры мы, конечно, не увидим. Пару лет назад было опубликовано знаменитое изображение такой тени, но оно было получено в рамках глобального проекта Event Horizon Telescope, EHT (Телескоп горизонта событий). Проект объединил несколько телескопов и интерферометров, работающих в миллиметровом диапазоне, по всей Земле. Полученное угловое разрешение существенно превосходит любые единичные инструменты.

В рентгене мы, конечно, такого не увидим. А вот различные процессы, связанные со звездообразованием, со вспышками сверхновых, с приливным разрушением звёзд под воздействием гравитации чёрных дыр… Вот это всё мы должны и уже видим, как и вспышки на звёздах, вспышки чёрных дыр, на нейтронных звёздах. Все эти самые высокоэнергетические процессы мы наблюдаем.

Pro Космос: Были ещё обнаружены горячие короны в звёздах…

Александр Лутовинов: Звёзды светят и в рентгеновском спектре, в т.ч. и наше Солнце, хотя в нём оно не очень яркое. Но есть звёзды, которые светят [в рентгене] на несколько порядков ярче. У них очень мощное корональное излучение, вспышки которого мы также видим.

Pro Космос: Какие наиболее интересные переменные источники удалось увидеть в ходе проведённых четырёх обзоров?

Александр Лутовинов: Даже постоянные источники каким-то образом меняются, нет источника, который бы светил на абсолютно одинаковом уровне. Соответственно, переменность от разных объектов может наблюдаться на разных масштабах, от миллисекунд до нескольких лет. Когда мы сканируем небо, мы в течение нескольких десятков секунд проходим по объекту. За это время мы можем увидеть какую-то переменность на таком масштабе времени. Далее примерно в течение суток мы несколько раз возвращаемся к этому объекту через каждые четыре часа, а дальше мы эту область неба снова наблюдаем уже через полгода. Поэтому любые процессы, которые переменны на таких временных масштабах, мы можем отслеживать, изучать. И они могут быть совершенно разными.

Если говорим о коротких периодах, то это, например, могут быть вспышки на нейтронных звёздах. Когда у вас есть нейтронная звезда, а рядом есть обычная звезда, чьё вещество под действием гравитации перетекает, падает на нейтронную звезду и постепенно накапливается на ее поверхности, то в какой-то момент там создаются условия для термоядерного взрыва, когда примерно за 10–15 секунд сгорает несколько масс Луны. Это безумная энергетика, которую на Земле, конечно, не достичь. И такие вспышки мы регистрируем, это позволяет нам лучше понять и измерить параметры нейтронных звезд, в частности, их радиусы.

Есть другие объекты, к примеру, переменные чёрные дыры или нейтронные звёзды. Из-за каких-то эволюционных процессов в обычной звезде, соседствующей с таким объектом, в двойной системе может начаться процесс аккреции, когда вещество со звезды начинает падать на нейтронную звезду или черную дыру, при этом сильно разогреваясь, до температур в десятки или даже сотни миллионов градусов. И тогда вдруг на небе неожиданно вспыхивает очень яркий рентгеновский источник. Такие процессы могут длиться неделями—месяцами.

Pro Космос: «Спектр-РГ» находится в точке либрации L2. Чем был обоснован её выбор?

Александр Лутовинов: Точка Лагранжа L2 для нас довольно необычна, ни один отечественный космический аппарат ещё туда до «Спектр-РГ» не летал. Хотя другими космическими агентствами эта точка уже давно начала активно использоваться. Её преимущество в том, что вы находитесь в очень комфортных фоновых и тепловых условиях.

Для того, чтобы получить самую подробную и чувствительную карту неба, вы должны регистрировать очень слабые объекты. И эти интересные для нас, буквально штучные, фотоны необходимо обнаружить на фоне излучения Галактики, да и самого аппарата (о него самого, например, бьются заряженные частицы, которые или сами попадают в детекторы или вызывают излучение вторичных рентгеновских и гамма-квантов), что страшно мешает наблюдениям. Поэтому чем стабильнее и меньше фон, тем его намного легче вычитать и убирать, как-то с ним работать.

Вторая особенность точки L2 — стабильные и предсказуемые тепловые условия. Немецкий телескоп eROSITA работает при температуре примерно -85°С, т.е. при криогенных температурах. Чтобы достичь таких условий вам необходимо куда-то излучать, сбрасывать тепло, поэтому на телескопе стоят мощные радиаторы. И они, естественно, чрезвычайно чувствительны к изменению тепловых условий. В точке L2 можно создать стабильные тепловые условия, когда и Солнце, и Земля у нас находятся с одной стороны, примерно на одной линии. Это и было основными преимуществами, определившими выбор L2.

Делать обзор неба, летая возле Земли, конечно, тоже можно, и ROSAT именно так и работал. Там достаточно хорошие фоновые условия, когда вы летаете под радиационными поясами, но там есть свои тонкости с обеспечением других условий. В этом плане точка L2 очень комфортна, особенно для таких обзорных миссий. Туда летали телескопы «Планк» (реликтовое излучение) и «Гершель» (ИК), сюда же летит и «Джеймс Уэбб». В ближайшее десятилетие планируется еще несколько миссий для работы в этой области космического пространства. Но пробки там не будет, каждый КА летает по своей собственной гало-орбите, мы, например, летаем на орбите размером 800 000 км вокруг точки L2 .