«Наука в России» 2005 №5

Второй по величине зеркальный рентгеновский телескоп данного проекта — JET-X, созданный специалистами Великобритании, Германии, Италии и России, имел длину более 4 м, диаметр 1 м и вес 566 кг. В начале 90-х годов его характеристики признавали лучшими в мире, а технология изготовления зеркал стала основой таковых для обсерватории XMM-Newton (ЕКА). Всего на космическом аппарате «Спектр-РГ» предполагали установить пять узконаправленных телескопов, покрывающих широчайший диапазон энергии — от ультрафиолетового до «жесткого» рентгеновского излучения, и три обзорных инструмента. Общий вес научных приборов должен был составить 2750 кг. Кроме того, в данном эксперименте планировали использовать трехтонные космические платформы серии «Спектр» Научно-производственного объединения им. С.А. Лавочкина и мощные отечественные ракеты «Протон» с разгонными блоками ДМ для вывода спутников на высоко-апогейные орбиты.


Космический аппарат «Спектр-РГ»
в первоначальном варианте.

Однако в начале 2003 г., после успешного запуска астрофизической обсерватории гамма-лучей «Интеграл», давшей новые интересные результаты, Роскосмос и РАН предложили сократить программу «Спектр-РГ», перейдя на менее дорогую ракету «Союз» и более легкую космическую платформу. ИКИ РАН совместно с Ракетно-космической корпорацией «Энергия» и Научно-производственным объединением им. С.А. Лавочкина подготовили два варианта изменения рассматриваемого проекта, причем в обоих удалось разместить на платформе все приборы за исключением самого большого — вышеупомянутого телескопа СОДАРТ. Разгонный блок «Фрегат» позволил сохранить возможность выхода космического аппарата на высокоапогейную четырехсуточную орбиту при запуске с космодрома Байконур.

Но на этом процесс модификации «Спектра-РГ» не закончился. В 2004 г. Роскосмос и ЕКА приняли решение скоординировать свои космические программы. В области рентгеновской астрономии привлекательной оказалась идея интеграции отечественного эксперимента «Спектр-РГ» и европейских Lobster и ROSITA (Roentgen Survey with Imaging Telescope Array). При этом рассматривается идеальная с точки зрения фоновых условий экваториальная орбита высотой 580-600 км с нулевым отклонением, обеспечиваемая при запуске спутников с космодрома Куру во французской Гвиане. В январе 2005 г. Роскосмос и ЕКА подписали соглашение о строительстве там стартовой площадки для ракет «Союз». В начале того же года представители Исследовательской лаборатории Морского флота США начали обсуждать со специалистами нашего института постановку на «Спектр-РГ» эксперимента М2 по исследованию потоков рентгеновского излучения с рекордной на сегодняшний день эффективной площадью детекторов.

«СПЕКТР-РГ» в 2005 г.

В настоящее время проект «Спектр-РГ» почти ничем не напоминает первоначальный, конца 80-х годов. Из предыдущего состава научных приборов предлагается оставить только два узконаправленных телескопа — вышеупомянутый JET-X, ультрафиолетовый TAUVEX (Израиль) — и добавить широкоугольный рентгеновский монитор Lobster и детекторы М2 с узким полем зрения. Субспутник же ROSITA будет работать по самостоятельной программе. Для проведения наблюдений в «жестком» рентгеновском диапазоне энергий для проекта «Спектр-РГ» разрабатывают узконаправленный телескоп с кодированной апертурой на базе кристаллов теллурида кадмия (соединение теллура, обладающее полупроводниковыми свойствами).

ЗЕРКАЛЬНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ТЕЛЕСКОП JET-X

Рентгеновский телескоп JET-X имеет две идентичные зеркальные системы с параболическими и гиперболическими зеркалами. Падающие фотоны вначале отражаются от первых, потом — от вторых и регистрируются в фокальной плоскости позиционно-чувствительным детектором. Для увеличения эффективной площади отражения в JET-X предусмотрены 12 соосных вложенных друг в друга зеркальных оболочек, имеющих фокусное расстояние 3,5 м и диаметр 0,3 м.

Предмет большого интереса ученых — природа космического рентгеновского фона. В настоящее время известно, что на энергиях выше 1 кэВ его создает в основном совокупное излучение далеких квазаров*. Однако неясно, какая его доля исходит от точечных источников, а какая представляет собой диффузное истечение вещества в нашей звездной системе, газа во включающей ее Местной группе галактик** либо распределенного по всему объему Вселенной гипотетического «теплого» газа. Надежная регистрация или определение точного верхнего предела интенсивности этого излучения разных энергиях способствовали бы познанию космического пространства, эволюции его крупномасштабной структуры, например, галактических скоплений. Последние, кстати, самые большие гравитационно связанные системы во Вселенной — один из интереснейших объектов на рентгеновском небе. Их исследования имеют прямое приложение к космологии, физике процессов в межгалактической среде, изучению взаимодействия выбросов из сверхмассивных черных дыр с окружающим веществом. Большая часть массы указанных скоплений (как видимой, так и темной материи) сосредоточена на их периферии. Улучшение чувствительности JET-X в 5-10 раз достижимое при его запуске на низкую орбиту, впервые сделает основную долю данного вещества доступной для точных количественных исследований.

* Квазары — космические объекты чрезвычайно малых угловых размеров на значительном удалении от Солнечной системы, излучающие в десятки раз больше энергии, чем галактики. Источник их энергии точно не известен (прим. ред.).

** Местная группа галактик включает нашу Галактику и более 20 близко к ней расположенных, составляющих единую систему (прим. ред.).

Создание рентгеновского монитора с рекордной чувствительностью и высоким угловым разрешением при широком поле зрения, позволяющем сделать обзор неба за один виток спутника вокруг Земли, возможно только при соответствующей фокусирующей оптике. Причем упомянутая система параболоид-гиперболоид в данном случае не подходит, поскольку работает только в приборах с узким полем зрения. Поэтому за основу взяли оригинальную идею американского ученого Р. Ангела — применение для фокусировки фотонов микроканальных пластин, состоящих из стеклянных каналов, что очень напоминает устройство глаз ракообразных — лобстеров (поэтому проект и получил столь необычное название). Дело в том, что природа создала их орган зрения по принципу отражения (а не преломления, как у человека и большинства животных и птиц): лучи от удаленных предметов попадают в его микроскопические поры, отражаются под малыми углами, проходят сквозь канал и попадают в определенную точку на фокальной поверхности, зависящую от местоположения объекта.

Именно такой подход решили использовать при создании телескопа для фокусировки света, в частности «мягких» рентгеновских лучей. Для достижения подобного эффекта предлагаются шесть идентичных модулей с оптикой на основе изогнутых микроканальных пластин. Дело в том, что астрономические объекты находятся на очень большом расстоянии от нас, и приходящее от них излучение состоит из параллельных лучей. Если использовать плоские пластины, то свет просто пройдет сквозь каналы без отражений и, естественно, не сфокусируется. В результате мы получим мало что говорящее об исследуемом объекте случайное изображение рассеянного света. Изогнутые же определенным образом пластины (а не выточенные из заготовки, как обычные линзы с параллельными микроканалами) позволят достигнуть желаемого, поскольку при их сгибании оси каналов радиально расходятся, образуя соответствующую систему.

Почему так важно иметь широкое поле зрения? Рентгеновское небо очень изменчиво, и неизвестно, где и когда следует ожидать очередной активности. Единственный способ не пропустить интересное событие — наблюдать всю небесную сферу или, если это невозможно, максимально часто ее сканировать. При обнаружении на рентгеновском небе чего-то нового и необычного туда можно оперативно нацелить узконаправленные высокочувствительные космические телескопы, а с Земли организовать наблюдения, к примеру, оптическими для более детального исследования интересного явления.

Lobster станет первым рентгеновским монитором с чувствительностью на порядок лучше, чем у предыдущих. Каждые два месяца он будет выдавать каталог из ~250 тыс. идентифицированных источников. Вот далеко не полный список объектов, которые прибор позволит исследовать: космические гамма-всплески, рентгеновские вспышки, звездные короны, черные дыры в рентгеновских двойных звездах, вспышки от обычных галактик, новые звезды.

ЭКСПЕРИМЕНТ М2

Предполагается, что данный проект продолжит рентгеновскую миссию CRXTE (США) по изучению переменности потоков рентгеновского излучения от астрофизических объектов в коротких и длительных временных масштабах. В нем будут применять узконаправленные рентгеновские кремниевые детекторы очень большой площади (1 м²) с энергетическим разрешением в несколько раз лучшим, чем у традиционных пропорциональных газовых счетчиков. Новые приборы весьма чувствительны к радиационному фону, и околоземная экваториальная орбита «Спектр-РГ» с его низким уровнем как нельзя лучше подходит для их работы.

Глаз лобстера под микроскопом (а) и увеличенное изображение участка глаза (b),
состоящего из миллионов каналов (примерно 20 мкм в поперечнике каждый).

В некотором смысле кремниевый детектор сравним с необычайно чувствительным микрофоном, который мы планируем направить на исследуемый объект и по исходящему оттуда «шуму» определять его природу. Конечно, речь идет не о звуковых, а о периодических или квазипериодических колебаниях рентгеновского потока с частотой от долей герц до килогерц. И по зарегистрированному «звуку» можно идентифицировать, скажем, нейтронные звезды, черные дыры или белые карлики.

Надо сказать, сложный характер движения вещества вблизи подобных аккрецирующих (т.е. притягивающих к себе вещество) компактных объектов вызывает сильную временную модуляцию (изменение) испускаемого рентгеновского излучения, информация о которой важна для понимания происходящих вблизи них процессов. Исследование последних открывает уникальную возможность изучить свойства и поведение вещества в экстремальных физических условиях — при температурах десятки и сотни миллионов градусов, в сильном гравитационном поле, при высоких давлениях и плотностях (тысячи и миллионы килограммов на 1 см ). Дело в том, что подобные небесные тела — одни из самых мощных генераторов энергии и излучения во Вселенной, в 100 раз более эффективные, чем термоядерные реакции.

Эксперимент М2 поможет решить интереснейшую задачу — изучить влияние эффектов теории относительности на формирование профилей импульсов рентгеновских пульсаров (источников импульсного электромагнитного излучения) с миллисекундными периодами вращения. Кроме того, можно будет с высоким временным разрешением вести наблюдения рентгеновских транзиентов* на протяжении всей вспышки при изменении их светимости на 3-5 порядков. Это позволит получить уникальные данные об эволюции внутренней части потока захваченного компактным объектом вещества, механизмах возникновения рентгеновского излучения.

* Транзиенты — источники излучения с внезапным сильным изменением светимости. Большую часть времени находятся в «выключенном» состоянии и поэтому не наблюдаются (прим. ред.).

СУБСПУТНИК ROSITA

Он сделает обзор всего неба на средних энергиях рентгеновского диапазона (0,3-10 кэВ) с тремя разными уровнями экспозиции. Так, исследования в «жестком» рентгеновском диапазоне (>2 кэВ) будут иметь в сотни раз лучшие чувствительность и угловое разрешение, чем выполненные 25 лет назад.

Главные научные задачи ROSITA связаны с космологией. Основная часть излучения, образованного Вселенной после «темной эпохи» (до рождения света), приходит от активных центров галактик. Оно возникает при бурном звездообразовании либо поглощении газа и звезд сверхмассивными черными дырами, находящимися в середине практически каждой галактики. Причем установлено, что большая часть освобождаемой в этих процессах энергии должна быть скрыта в звездных системах за толстой завесой газа и пыли. Поэтому новые явления можно изучать только в «жестком» рентгеновском и инфракрасном диапазонах электромагнитного cneктpa, в которых излучение может проникать сквозь этот плотный «кокон». В настоящее время известно: скорость звездообразования, а также подпитки или «кормления» черных дыр в эпоху ранней Вселенной была на два порядка выше, чем теперь. Удивительно, что спад этой активности произошел на сравнительно недавнем этапе космической истории, и его причины пока не понятны. Вероятно, множество скрытых упомянутой завесой, но все еще активных черных дыр должно «прятаться» в относительно недалеких от нас галактиках, ожидая регистрации в «жестком» диапазоне энергий.

Наиболее горячие и плотные области, т.е. достаточно близкие к Солнечной системе скопления галактик, уже детально изучены рентгеновскими телескопами. Однако их эволюция плохо поддается объяснению. Для получения более полной картины распределения вещества в космическом пространстве необходимы рентгеновские телескопы, способные четко регистрировать излучение от межгалактической горячей материи.

Одна из самых захватывающих проблем астрономии и физики — природа загадочной темной энергии, заставляющей Вселенную расширяться. Открытие ее произошло благодаря трем дополняющим друг друга исследованиям: наблюдениям далеких сверхновых звезд, измерениям фона микроволнового излучения и изучения скоплений галактик. В результате сейчас нет сомнений в том, что всего лишь 4% Вселенной состоит из барионов («тяжелых» элементарных частиц), а основная ее часть — темная материя (23%) и темная энергия (73%). Исследования последней с помощью субспутника ROSITA позволят открыть свыше 200 тыс. новых источников, большая часть которых — активные ядра галактик.

Высокочувствительный рентгеновский телескоп для данного космического аппарата состоит из семи идентичных зеркальных систем, каждая из них, в свою очередь, — из 27 плотно упакованных друг в друга цилиндрических зеркал, выполненных по вышеупомянутой схеме параболоид-гиперболоид. На основе технологии, опробованной при создании европейской космической обсерватории XMM-Newton, специалисты Института внеземной физики общества им. М. Планка (Мюнхен, Германия) разработали детекторную систему для ROSITA. Основное ее преимущество — высокое временное и энергетическое разрешение, лучший отклик на низких энергиях и значительное уменьшение паразитных изображений. 15 внешних зеркал планируется покрыть никелем для увеличения отражающей способности. Система наведения при наблюдениях должна обеспечивать небольшие, в пределах полного поля зрения эксперимента, сканирующие перемещения телескопов для формирования «мозаики» экспозиций. Объединяя ее куски, можно организовывать достаточно однородные обзоры больших участков неба.

Работа по проекту «Спектр-РГ» продолжается, и пока нельзя однозначно сказать, какой облик он примет к моменту своего запуска. Но возможные изменения не будут носить столь масштабный характер, как в 2002-2003 гг. Научный потенциал эксперимента впечатляет, и это вселяет уверенность в том, что такая миссия обязательно состоится в обозримом будущем.

Иллюстрации
предоставлены авторами