«Спектр-РГ» и новейшая космология

13 июля, в 15:31 по московскому времени с космодрома Байконур былазапущена космическая обсерватория «Спектр-РГ» (см. прямую трансляциюзапуска, сам запуск — с 60-й минуты). Это без преувеличения важнейшее астрономическое событие, тем более что в ближайшие несколько лет другие рентгеновские миссии не планируются. Запуск откладывался дважды, но наконец всё прошло успешно. На борту «Спектра-РГ» установлены два дополняющих друг друга рентгеновских телескопа: немецкий eROSITA и российский ART-XC. Вместе они позволяют вести наблюдения в диапазоне энергий от 0,2 до 30 кэВ. Широкое поле зрения обоих телескопов послужит для решения основной научной задачи миссии — составления детального обзора неба в рентгеновском диапазоне. На нее отведены первые 4 года из расчетных 6,5 лет работы обсерватории. Ученые надеются, что обзор позволит открыть десятки тысяч новых скоплений галактик и существенно уточнить наше понимание строения и эволюции крупномасштабной структуры Вселенной.

Рис. 1. Компьютерная модель обсерватории «Спектр-РГ». Сверху — телескоп eROSITA, снизу — «Спектр-РГ». Изображение с сайта nature.com

Запуск рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» — не просто ожидаемое, но и долгожданное событие. Перспективность отправки в космическое пространство платформы с телескопами, работающими в диапазонах мягкого и жесткого рентгена, была понята еще три десятка лет назад. Проект шеститонной станции с четырьмя рентгеновскими телескопами, двумя телескопами УФ-диапазона и детектором гамма-всплесков был разработан в первой половине 1990-х годов, и его предполагали воплотить в жизнь под эгидой «Роскосмоса» с широким международным участием (подробности можно прочитать здесь). Однако по ряду причин (в том числе, хотя и не только, в связи с недостаточным финансированием российских космических исследований) назначенный на 1999 год запуск обсерватории на высокоэллиптическую околоземную орбиту был аннулирован.

«Спектр-РГ» намного скромнее. Он весит меньше трех тонн (2730 кг) и несет два телескопа, немецкий eROSITA и российский ART-XC. Однако, в отличие от несостоявшегося предшественника, он будет работать не в околоземном, а в околосолнечном пространстве. Конечной целью станции станут окрестности второй точки Лагранжа системы «Солнце — Земля», расположенной с внешней стороны земной орбиты (рис. 2). Эта локация не только обеспечит эффективный круглосуточный обзор всего небосвода, но также позволит избавиться от любых помех, возможных на околоземной орбите.

Рис. 2. Точки Лагранжа для системы «Земля — Солнце». В этих точках силы притяжения со стороны двух массивных тел (в данном случае — наших планеты и звезды) уравновешивают друг друга, поэтому третье тело, масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массами первых двух, в отсутствие других сил может находиться там (то есть быть неподвижным относительно них) сколь угодно долго. Такое равновесие неустойчиво, к тому же в реальности невозможно исключить все внешние силы (вроде притяжения со стороны других планет или давления солнечного излучения), из-за чего космические аппараты летают по сложным траекториям вблизи точек Лагранжа, которые уже являются стабильными. Точка L₂, в окрестностях которой будет работать «Спектр-РГ», расположена на линии, соединяющей центры Земли и Солнца, и находится примерно в 1,5 млн км дальше Земли от Солнца. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Немецкий телескоп предназначен для наблюдений в диапазоне 0,2–12 кэВ, российский — на участке рентгеновского спектра между 5 и 30 кэВ. Их поля зрения равны, соответственно, одному градусу и 34 угловым минутам, а угловое разрешение — пятнадцати секундам и приблизительно одной минуте. Уступая партнеру из ФРГ в чувствительности и площади обзорного поля, российский инструмент значительно превосходит его и по ширине спектра регистрируемых фотонов, и по его верхней границе. Оба телескопа удачно дополняют друг друга — в полном соответствии с целями обсерватории.

В чем же заключаются эти цели? Полная протяженность спектра электромагнитных волн, освоенных сегодняшней астрономией, составляет примерно 70 октав (частоты двух волн отличаются на октаву, если их отношение равно 2, отношение длин этих волн равно 1/2; отсюда следует, что длина волны самого низкочастотного радиоизлучения, доступного современным радиотелескопам, примерно в 2⁷⁰ раз больше, чем длина волны самого высокочастотного регистрируемого гамма-излучения). Если относить, как обычно делают астрофизики, к рентгеновскому диапазону фотоны с энергиями от 0,1 кэВ до 100 кэВ, то на него придется почти 10 октав. Если кому-то кажется, что этого мало, напомню, что оптический диапазон астрономических наблюдений на длинах волн от 400 до 760 нанометров полностью укладывается в одну октаву.

Но главное не в этом. Рентгеновские фотоны доносят до Земли информацию о великом множестве процессов, представляющих исключительный интерес для всего комплекса наук о Вселенной — астрономии, астрофизики и космологии. Причем отнюдь не только процессов с участием космических экстремалов! Так, в рентгеновских лучах наблюдаются как все разновидности протозвезд, так и «недоделанные» звезды с относительно холодными атмосферами — коричневые карлики. Зарегистрировано рентгеновское излучение от таких неожиданных источников, как Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и даже Луна. Но все же основными целями рентгеновской астрономии являются объекты и процессы с очень горячими и потому сильно ионизированными газами и потоками заряженных частиц высоких энергий: взрывы сверхновых звезд и порожденные ими разлетающиеся облака космической плазмы, падение (аккреция) вещества на нейтронные звезды и черные дыры, аннигиляция частиц и античастиц и нагретые до миллионов кельвинов газы, заполняющие пространство внутри галактических скоплений.

Наблюдения в X-лучах, как их назвал сам Вильям Конрад Рентген и как их до сих пор именуют в англоязычной литературе, имеют еще одно ценнейшее преимущество. Кванты жесткого рентгена с энергиями выше 15–20 кэВ отличаются высокой проникающей способностью. Это означает, что они не только доносят информацию о компактных космических объектах, сильно экранированных пылевыми и газовыми оболочками, но также почти без потерь путешествуют на самые дальние космические расстояния. Поэтому они служат отличными инструментами как для «просвечивания» ранней Вселенной, Вселенной первых звезд, первых черных дыр и первых галактик, так и для отслеживания динамики космических структур на более поздних этапах. А это уже область прямых интересов науки о возникновении и эволюции Вселенной — космологии.

И вот тут мы подошли к самому главному — если угодно, к моменту истины. Космология, превратившись в нашем столетии в точную науку, обрела совершенно новые цели. Во второй половине прошлого века космологи почитали главной задачей измерение нынешнего значения параметра Хаббла и возможно более точную оценку энергетического баланса Вселенной. Знание этих величин дает возможность на основе уравнений космологической модели Фридмана — Леметра(которая базируется на общей теории относительности) установить возраст Вселенной, выяснить геометрию пространства, определить скорость его расширения в нашу эпоху и ее изменения почти до начала мироздания. Эта исследовательская программа стала особенно актуальной в последние годы двадцатого столетия, когда открытие ускоряющегося расширения пространства заставило ввести в эти уравнения дополнительный член, получивший название темной энергии.

А затем, буквально на наших глазах, всё изменилось. Прецизионные промеры спектра микроволнового реликтового излучения, выполненные приборами космических зондов WMAP и Planck, позволили уже к 2013 году точно определить (а в течение следующего пятилетия — еще и «отполировать») все численные параметры, необходимые для надежного статистического моделирования динамики Большого Космоса. Оказалось, что их нужно не так уж много: в минимальном варианте, всего шесть. На этой основе была построена удивительно красивая теория мироздания, известная как Стандартная космологическая модель (по аналогии со Стандартной моделью элементарных частиц). У нее есть и техническое название the Lambda Cold Dark Matter cosmological model of the Universe (сокращенно — ΛCDM-модель). Она дает возможность просчитать (конечно, не вручную, а с помощью весьма сложных компьютерных программ) различные варианты эволюции Вселенной, зависящие от того или иного выбора численных значений космологических параметров, и на этой основе уточнить их значения, сравнивая модельные симуляции с результатами астрономических наблюдений. В общем, ΛCDM по значению и перспективам дальнейшего развития и использования можно сравнить с выведенным Эрвином Шредингером основным уравнением квантовой механики.

Финализация ΛCDM радикально повлияла на осмысление будущих задач и возможностей космологии (точнее, теперь уже скорее гибрида космологии и астрофизики). Сейчас она нацелена на понимание трансформации Вселенной из очень простого (если угодно, примитивного) начального состояния к сегодняшнему разнообразию галактик и их скоплений, обладающих различной морфологией, светимостью и спектральными характеристиками. В сферу интересов сегодняшней космологии входят рождение и эволюция звезд, звездный нуклеосинтез, свойства межзвездной и межгалактической среды и многое другое — причем как в нашу эпоху, так и на предшествующих стадиях существования Вселенной.

Для решения этих задач как раз и предназначен «Спектр-РГ». Если не случится никаких накладок, то за первые четыре года работы он проведет беспрецедентный по чувствительности и степени разрешения (как углового, так и энергетического) восьмиэтапный обзор всего небосвода в диапазоне 0,3–11 кэВ. Ожидается, что он обнаружит несколько десятков тысяч (возможно, даже сотню тысяч) скоплений галактик, что даст бесценную информацию о крупномасштабной структуре Вселенной. Потом еще два с половиной года он будет заниматься прицельным наблюдением отдельных космических объектов, выбранных на основе результатов обзора, причем в это время будут регистрироваться фотоны с энергиями вплоть до 30 кэВ. Предполагается, что в сферу его интересов войдут не только активные ядра галактик общим числом порядка трех миллионов (включая и возникшие менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва), но и звезды с нетривиальной рентгеновской светимостью в нашей Галактике, в том числе и в окрестностях Солнца. Можно надеяться, что он также обнаружит немало редких и потому непредсказуемых событий, связанных с интенсивным рождением рентгеновских квантов. Очень важно, что обсерватория заглянет далеко за красное смещениеz = 0,64, при котором замедление расширения Вселенной сменилось на ускорение. В общем, много чего она сможет!

Рис. 3. Рентгеновский «портрет» Луны, полученный спутником ROSAT. Цветные точки соответствуют зарегистрированным рентгеновским фотонам (чем ярче точка, тем энергичнее был фотон). Хорошо видна освещенная Солнцем часть Луны, которая рассеивает солнечное излучение в том числе и в сторону телескопа. Также видна «тень» неосвещенной части Луны и фоновое излучение неба, приходящее от далеких рентгеновских источников. Изображение с сайта heasarc.gsfc.nasa.gov

Первый и пока последний тотальный рентгеновский обзор небосвода выполнила немецкая обсерватория ROSAT, выведенная на круговую околоземную орбиту 1 июня 1990 г. Это был очень успешный проект, осуществленный с участием США и Британии. Хотя плановая продолжительность ее наблюдений составляла всего полтора года, обсерватория проработала вплоть до февраля 1999 года. В ходе обзора, проведенного в диапазоне от 0,1 до 2,4 кэВ, она зарегистрировала свыше ста тридцати тысяч далеких источников рентгеновского излучения и провела ряд других наблюдений. В частности, через четыре недели после запуска она сделала рентгеновский снимок лунной поверхности (рис. 3). «Спектр-РГ» многократно превосходит ROSAT и по чувствительности, и по ширине рентгеновского диапазона, доступного его телескопам.

Стоит отметить, что рентгеновские (как и оптические) обзоры делают и другим способом — по так называемой методике глубоких полей (deep field surveys). В этом случае телескоп на протяжении длительного времени следит за небольшим участком небосвода — прежде всего, с целью регистрации аномально тусклых и потому очень далеких источников. Так, запущенная ровно два десятилетия назад (23 июля 1999 года) и благополучно действующая и поныне американская орбитальная обсерватория Chandraвыполнила рекордный по продолжительности глубокий обзор участка южного небосвода площадью 454 квадратные дуговые минуты в трех участках мягкого рентгена, затратив на него в общей сложности 48 суток. Этот обзор, Chandra Deep Field South, предоставил ценнейшие результаты, однако у «Спектра-РГ» совсем другие задачи. Пожелаем ему всех и всяческих успехов!