Космические телескопы: Гамма-диапазон

Гамма-диапазон электромагнитного излучения — та область исследований, где астрофизика непосредственно смыкается с физикой микромира, позволяя ученым проникать в тайны материи и процессов рождения Вселенной.

Гамма-кванты высоких энергий образуются при термоядерном синтезе, аннигиляции частиц и античастиц, а также — предположительно — при гравитационном коллапсе древних гигантских звезд, который мы наблюдаем в виде загадочных гамма-всплесков. Самый высокоэнергетический «конец» спектра с Земли мы непосредственно изучать не можем, поэтому для его наблюдений в космос отправляются специализированные гамма-обсерватории.

Интересно, что первые орбитальные гамма-телескопы — американские спутники Vela — «смотрели» не на небо, а на Землю, и предназначались для регистрации ядерных взрывов, производимых «вероятными противниками» и другими странами, потенциально способными создать атомную бомбу. Но именно этим спутникам удалось заметить первые всплески гамма-излучения, приходящего, как позже выяснилось, из самых удаленных уголков Вселенной.

Пожалуй, наиболее известным космическим гамма-телескопом, специально предназначенным для наблюдений неба в высокоэнергетическом диапазоне, стала Комптоновская обсерватория (Compton Gamma Ray Observatory — CGRO). Она была запущена 5 апреля 1991 г. с борта шаттла Atlantis и проработала до июня 2000 г., предоставив в распоряжение ученых огромный массив ценнейшего наблюдательного материала.

«Охотник» за гамма-вспышками

Swift — орбитальная обсерватория, ведущая наблюдения неба в широком диапазоне электромагнитных волн (от гамма-лучей до видимого света). Предназначена для регистрации и исследований космических гамма-всплесков. Совместно разработана США, Италией и Великобританией. Запущена 20 ноября 2004 г. с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты-носителя Delta 2.

Научное оборудование

На борту Swift установлены три инструмента.

BAT (Burst Alert Telescope) — монитор гамма-всплесков, предназначенный для обнаружения и определения координат вспышек гамма-излучения в различных областях небесной сферы. Монитор работает в рентгеновском диапазоне (15-150 кэВ). Мультидетектор площадью 5200 см² представляет собой массив из 32 768 отдельных полупроводниковых детекторов, материал — теллурид кадмия-цинка (CdZnTe). Благодаря использованию кодирующей апертурной маски из 52 тыс. свинцовых элементов, перекрывающей поле зрения, достигается высокое разрешение гамма-телескопа — 17 угловых минут. Обозреваемый телесный угол равен 60°×100° (седьмая часть всей небесной сферы).

XRT (X-ray Telescope) — рентгеновский телескоп для определения спектра гамма-всплесков и получения их изображений в рентгеновском диапазоне с энергиями фотонов от 0,3 до 10 кэВ (длина волны — от 4 до 0,12 нм).

UVOT (UltraViolet/Optical Telescope) — ультрафиолетовый/оптический телескоп для получения изображений и спектральных характеристик гамма-всплесков, работает в диапазоне длин волн 170-650 нм. Диаметр главного зеркала телескопа — 0,3 м. Три инструмента спутника Swift функционируют совместно, чтобы получить как можно больше информации о каждой вспышке. Наблюдения гамма-всплесков и их послесвечения в различных спектральных диапазонах полностью синхронизированы. XRT и UVOT имеют общее поле зрения, совмещенное с полем обзора телескопа оповещения BAT.

Начало гамма-всплеска (GRB) первым регистрирует ВАТ. В течение приблизительно 10 секунд он осуществляет его локализацию и тут же передает эту информацию наземным наблюдателям, а также на два других прибора спутника, после чего осуществляется поиск вспышки (ее послесвечения) в поле зрения каждого из них.

В течение минуты после всплеска XRT уточняет позицию, определенную BAT, а дальше (примерно через 200 секунд) UVOT производит более точную локализацию. Между тем BAT ведет мониторинг изменения интенсивности гамма-излучения во времени. Рентгеновские спектры становятся доступны примерно через 20 минут, а UVOT завершает полный цикл своих измерений с использованием различных фильтров через 2 часа. Совместно эти наблюдения дают ясную картину развития вспышки и послесвечения в трех спектральных диапазонах.

Когда телескоп не занят наблюдением очередной вспышки, его приборы используются для исследований в рамках других научных программ (в частности, картографирования неба в рентгеновском и гамма-диапазоне).

Swift облегчает коммуникацию исследователей гамма-вспышек на двух уровнях. Во-первых, он распространяет информацию об о замеченных вспышках по мере ее получения. Это позволяет операторам других спутников и наземных телескопов вносить коррективы в наблюдательные программы. Во-вторых, если вспышку обнаружит другой телескоп — ее координаты могут быть переданы на Swift, и он осуществит все необходимые в таком случае наблюдения.

Основные результаты работы телескопа Swift

Очевидно, что большинство открытий, сделанных спутником Swift, связаны с его основной «специальностью» — поиском и исследованиями гамма-всплесков. Одно из таких событий, получившее обозначение GRB 090423,3 стало наиболее удаленным из отмеченных к настоящему времени: спектроскопически подтверждено его красное смещение z=8,3 — то есть это событие произошло порядка 13 млрд лет назад, когда нашей Вселенной было не более 800 млн лет «от роду». Всего с момента начала работы орбитальной обсерватории она пронаблюдала свыше 500 GRB, позже внесенных в каталоги. Бортовой телескоп XRT зарегистрировал 88% всех известных рентгеновских и 40% оптических послесвечений.

С использованием приборов UVOT и XRT определено пространственное положение коротких гамма-вспышек, что позволило идентифицировать их родительские галактики. Это послужило косвенным доказательством причины их возникновения — предполагается, что они сопровождают слияние нейтронных звезд. «В сотрудничестве» с крупнейшими наземными инструментами — такими, как 10-метровый рефлектор Keck на Гавайских островах4 — в спектре GRB 080607 удалось обнаружить «следы» молекул межзвездного газа.

Также Swift открыл ранее неизвестный класс протяженных гамма-вспышек, не связанных со сверхновыми.

С помощью телескопа XRT была исследована рентгеновская компонента GRB и определено, что в некоторых случаях угасание послесвечения в этом диапазоне может быть очень медленным. Это означает, что «центральный» механизм вспышки остается активным в промежутке времени от нескольких минут до нескольких часов. Специализированная камера на телескопе, управляемая из Университета Ливерпуля, впервые провела измерение магнитных полей по характеристикам послесвечения GRB.

Три необычно длительных звездных взрыва, обнаруженных с помощью спутника Swift, по-видимому, представляют собой новый класс гамма-всплесков, которые, вероятно, возникают при гибели звезд, в сотни раз превышающих по массе Солнце. Также этот орбитальный телескоп открыл редкий галактический объект, известный как мягкий гамма-репитер (SGR) — источник повторяющихся с нерегулярными интервалами вспышек рентгеновского и гамма-излучения, вызванных предположительно падением на поверхность нейтронной звезды сгустков вещества из окружающего ее газово-пылевого диска. Это всего лишь пятый подтвержденный объект данного класса.

Swift исследовал также и другие быстропротекающие процессы — в частности, вспышки сверхновых. Например, ему удалось получить уникальные кривые блеска большого количества сверхновых всех типов в ультрафиолетовом диапазоне. С использованием этого телескопа астрономы зарегистрировали необычный рентгеновский сигнал, интерпретированный как «эхо» падения планетоподобного объекта на массивную черную дыру. При совместных наблюдениях с телескопом Fermi были открыты два мягких гамма-репитера SGR 0501+4516 и SGR 0415-5729. Отмечена серия мощных рентгеновских вспышек от источника в созвездии Дракона, природа которого пока непонятна.

Еще один «нестандартный» космический взрыв увидела обсерватория Swift на Рождество 2010 г. Астрономы допускают, что это может быть новый тип Сверхновой, взорвавшейся на расстоянии миллиардов световых лет, или же необычное столкновение звезд, произошедшее гораздо ближе к Солнцу. Кроме того, исследования, проведенные на основе рентгеновских и ультрафиолетовых наблюдений телескопа, позволили получить много важной информации о сверхновых класса Ia, используемых учеными для определения расстояний до очень далеких галактик. Также Swift установил своеобразный рекорд, зарегистрировав две вспышки сверхновых в одной галактике на протяжении недели.

Черные дыры и связанные с ними источники высокоэнергетического излучения также пользуются повышенным вниманием космической обсерватории. Бортовой телескоп BAT выполнил глубочайший обзор более 400 ядер активных галактик и двух сейфертовских галактик второго типа в жестком рентгеновском диапазоне.

В тесной кооперации с телескопом XMMNewton удалось обнаружить весомые доказательства наличия черной дыры промежуточной массы в галактике NGC 5408. Высокоскоростные джеты, испускаемые активными черными дырами, продемонстрировали удивительное единообразие, вне зависимости от их возрастов, масс и окружения.

Телескопу Swift удалось обнаружить два сверхъярких рентгеновских источника (Ultraluminous X-ray Sources — ULX) в галактике Туманность Андромеды. Международная группа исследователей с его помощью подтвердила существование большой, неизвестной ранее популяции мощных галактик с черными дырами. Проведенная этим телескопом ревизия позволила заново отыскать «потерянные» ранее активные галактики.

Из других достижений обсерватории Swift следует отметить измерение металличности (содержания химических элементов тяжелее гелия) областей звездообразования в галактиках с красным смещением z>5, а также создание нового ультрафиолетового обзора Большого и Малого Магеллановых Облаков.

Время от времени телескоп нацеливали на разнообразные интересные объекты Солнечной системы. Им были получены ультрафиолетовые и рентгеновские изображения комет Лулин (C/2007 N3 Lulin)10 и Таттла (8P/Tuttle), производилась съемка кометы Темпеля 1 (9P/Tempel) в ходе проведения эксперимента Deep Impact и астероида 2005 YU55 во время сближения с Землей 9 ноября 2011 г.

11 декабря 2010 г. астероид Шейла (596 Scheila), к удивлению астрономов, внезапно увеличил свой блеск почти вдвое. Причиной этого стало довольно редкое космическое столкновение в главном астероидном поясе. Рассмотреть его последствия детальнее ученым помогли орбитальные обсерватории Hubble и Swift.

В целом проект Swift продемонстрировал свою эффективность и полностью оправдал затраченные на него средства. Первичная миссия, продолжавшаяся 6 лет, в настоящее время продлена до 2015 г., однако специалисты надеются, что уникальный инструмент останется работоспособным и далее.

Рентгеновская обсерватория высоких энергий

NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope ARray) — космическая обсерватория NASA, запущенная 13 июня 2012 г. по программе малых спутников SMEX-11 с помощью ракеты Pegasus-XL, которая стартовала с борта самолета-носителя, взлетевшего с атолла Кваджалейн в архипелаге Маршалловых островов. Это первый космический телескоп жесткого рентгеновского и ближнего гамма-диапазона (3-80 кэВ), основанный на принципе скользящего отражения гамма-лучей под очень малыми углами к поверхности зеркал.

NuSTAR — первая миссия, использующая фокусировку для получения изображений неба в высокоэнергетической рентгеновской области электромагнитного спектра. Информация о Вселенной в этом спектральном «окне» пока довольно скудна, поскольку запущенные ранее инструменты работали без фокусирующей оптики — они использовали кодирующие маски, вследствие чего имели высокий собственный фон и ограниченную чувствительность.

Научное оборудование

На борту NuSTAR размещено два соосных телескопа со специальным покрытием отражающих поверхностей (фокусное расстояние около 10 м) и детекторами новой разработки, эффективно функционирующими в диапазоне энергий до 70-80 кэВ. Большое фокусное расстояние при малом размере спутника достигается за счет раздвижения специальных ферм уже после выхода на орбиту. Ожидается, что чувствительность NuSTAR превзойдет чувствительность лучших современных инструментов этого энергетического диапазона — обсерваторий INTEGRAL и Swift — более чем в 100 раз, а угловое разрешение в десять раз превысит аналогичный показатель телескопов XMM-Newton и Chandra.

Оптическая часть представляет собой конструкцию из 133 концентрических зеркальных оболочек, покрытых слоями Pt/SiC и W/Si. Они эффективно отражают фотоны с энергиями до 79-80 кэВ. Одна детекторная единица NuSTAR состоит из четырех кадмий-цинк-теллуровых (CZT) детекторов — прямоугольных кристаллов размерами 20×20 мм и толщиной 2 мм, покрытых сеткой 32×32 пикселей. Блок зеркал и блок детекторов соединены легкой 10-метровой фермой, развернутой с беспрецедентной точностью.

Основные научные достижения телескопа

Первым объектом, на который ученые нацелили новый инструмент, стал рентгеновский источник Лебедь Х-1, считающийся самой первой в истории астрономических наблюдений подтвержденной черной дырой. Его снимок был сделан 28 июня 2012 г. Мощное высокоэнергетическое излучение, исходящее от этого объекта, объясняется тем, что на черную дыру постоянно падает вещество ее спутника — гигантской звезды — и в процессе падения «закручивается» в разогретый до сверхвысоких температур аккреционный диск.

На изображении спиральной галактики IC 342 (известной также под обозначением Caldwell 5), расположенной на расстоянии 7 млн световых лет и видимой в созвездии Жирафа, заметны два так называемых ультраярких источника рентгеновского излучения (ULX), обнаруженных ранее с помощью рентгеновской обсерватории Chandra. Происхождение таких источников до сих пор остается загадкой для астрономов. Предположительно они представляют собой черные дыры звездных масс, поглощающие чрезмерные количества окружающего вещества и за счет этого ярко сияющие в высокоэнергетическом диапазоне спектра. Также не исключено, что ULX могут относиться к категории менее распространенных черных дыр с промежуточной массой, в несколько тысяч раз превышающей массу нашего Солнца. До запуска орбитальной обсерватории NuSTAR рентгеновские снимки галактики IC 342 имели настолько низкое разрешение, что оба ULX представлялись одним размытым пятном.

Обсерватория высоких энергий NuSTAR создала первую карту распределения радиоактивного материала в остатке Сверхновой — широко известной вспышки Кассиопея A, которая произошла на расстоянии 11 тыс. световых лет и могла наблюдаться в середине XVII века (по не совсем понятным причинам тогдашние астрономы ее фактически «проглядели»). На снимках хорошо видны области, где ударная волна от взрыва Сверхновой сталкивается с окружающей межзвездной материей, разгоняя ее частицы почти до скорости света. В процессе разгона они испускают излучение, известное как синхротронное. Данные, полученные телескопом NuSTAR, помогут точнее определить энергетическое состояние частиц и выяснить, какие причины заставляют их разгоняться до релятивистских скоростей.

Изучение неравномерностей ударных волн, возникших при взрыве, дает возможность подробнее исследовать сам процесс вспышки. Ученые буквально смогли увидеть разрушение звездного ядра, которое, как выяснилось, стартовало еще до начала детонации.

Сверхновые обогащают Вселенную химическими элементами тяжелее гелия, необходимыми, в том числе, для возникновения и развития жизни. NuSTAR является первым телескопом, способным создавать карты распределения радиоактивных изотопов в остатках Сверхновых. В рассматриваемом случае речь идет об элементе №22 — титане. Оказалось, что он сосредоточен в центральной части остатка вспышки. Это ставит под сомнение реальность многих моделей, в которых гибнущая звезда быстро вращается и испускает узкие потоки газа (джеты), провоцирующие взрыв. Хотя признаки наличия джетов у Кассиопеи A замечали и ранее, не было доподлинно известно, действительно ли они возникли при вспышке. NuSTAR не зарегистрировал «радиоактивного пепла» в узких областях, соответствующих джетам, поэтому можно утверждать, что их появление никак не связано со вспышкой Сверхновой.

Сотрудники NASA, работающие в группе сопровождения космического телескопа NuSTAR, недавно опубликовали изображения, ставшие прекрасной демонстрацией возможностей, предоставляемых этим телескопом в области исследований объектов дальнего космоса. На одном из снимков можно увидеть останки мертвой звезды, окруженные облаками пыли и газа, которые в силу сходства с формой человеческой руки получили название «Рука Бога».

Эта туманность, находящаяся на расстоянии 17 тыс. световых лет, была выброшена в космическое пространство при взрыве массивной звезды. Ее остаток — пульсар PSR B1509-58 — представляет собой вращающееся с большой скоростью звездное ядро, сжатое собственной гравитацией до плотности атомных ядер. Излучение пульсара «накачивает» энергией материю туманности.

Пользуясь беспрецедентной чувствительностью нового телескопа и тем, что высокоэнергетические рентгеновские лучи, наблюдаемые им, проходят через межзвездную газово-пылевую материю почти без изменений (в то время как низкоэнергетические частично ею поглощаются), астрономы провели важные исследования Млечного Пути. В частности, было реализовано глубокое картирование региона диаметром в несколько сотен парсек вокруг галактического центра. Эта область содержит примерно 1% массы звезд всей нашей Галактики, до 10% самых массивных молодых звезд и — в самом центре — сверхмассивную черную дыру (СЧД), масса которой превышает четыре миллиона солнечных. Она была впервые обнаружена еще в 60-е годы прошлого века как радиоисточник Стрелец А* (Sgr A*) и продолжает оставаться одним из самых загадочных объектов неба. Несмотря на свою огромную массу, она излучает довольно слабо. По сути, это самая легкая СЧД из всех известных подобных объектов. Проведенные обсерваторией NuSTAR наблюдения вспышек Sgr A* свидетельствуют о том, что их можно рассматривать как результат нестабильности потока вещества, падающего на СЧД. С помощью телескопа ученые занимались исследованием природы загадочного высокоэнергетического излучения, обнаруженного спутником INTEGRAL в ближайших окрестностях черной дыры.

Японский исследователь черных дыр

«Сузаку» (Astro-EII) — японский космический рентгеновский и гамма-телескоп, разработанный и сконструированный в тесной кооперации с Годдардовским центром космических полетов (Goddard Space Flight Center,NASA). Запущен 10 июля 2005 г. с космодрома Утиноура. Предшественник «Сузаку» — спутник Astro-E — должен был выйти на орбиту в 2000 г., но его пуск оказался неудачным: из-за неисправности ракеты-носителя аппарат упал в океан.

Новый телескоп, предназначенный для изучения черных дыр и сверхновых звезд, принципиально отличался от своих предшественников: в нем вместо рентгеновских призм была впервые использована зеркальная система, состоящая из пяти вложенных друг в друга гиперболических зеркал скользящего падения с золотым покрытием. До 29 июля 2005 г. он работал в штатном режиме, но затем случился сбой в системе охлаждения, приведший к потере всего хладагента (жидкого гелия) в течение 10 суток. В результате основной детектор пришлось отключить, и в строю остались два второстепенных прибора — фотокамера XIS и приемник высокоэнергетических рентгеновских лучей HXD. Тем не менее, чувствительность и разрешающая способность телескопа в на порядок превзошли значения этих показателей его предшественников.

Научное оборудование

На борту «Сузаку» установлен рентгеновский спектрометр (XRS). Его детекторами являются рентгеновские 32-пиксельные микрокалориметры с полем зрения 2,9×2,9 угловых секунд, постоянно измеряющие температуру маленького кусочка кремния и регистрирующие ее повышение при поглощении высокоэнергетических фотонов. Очевидно, что нагрев от «попадания» одного фотона весьма незначителен. Для его измерения детекторы должны быть очень холодными (около 0,06 K). Это требует сложной криогенной системы, основанной на использовании жидкого гелия и твердого неона. Срок службы XRS был изначально ограничен примерно двумя годами, однако, как уже упоминалось, в реальности он проработал меньше месяца, регистрируя фотоны в диапазоне энергий 0,3-12 кэВ.

В состав научного оборудования телескопа «Сузаку» входят 4 обзорных рентгеновских спектрометра XIS (X-ray Imaging Spectrometer), построенных на основе
рентгеночувствительных ПЗС-камер размерами 1024×1024 пикселей, подобных используемым в обычных фото- и видеокамерах, но рассчитанных на более высокоэнергетическое излучение (0,2-12 кэВ). Их поле зрения составляет 18’×18’, разрешение — 130 эВ при энергиях около 6 кэВ. Три ПЗС — с передней подсветкой (FI), одна — c задней подсветкой (BI). Эффективная площадь — 340 см2 (FI) и 390 см2 (BI).

Жесткий рентгеновский детектор (HXD) способен обнаруживать более высокоэнергетические рентгеновские лучи по сравнению с XRS или XIS (10-600 кэВ) и не требует оптической системы для их фокусировки, однако по этой причине не может строить изображения источников излучения. В детекторе применен «старинный» коллимационный метод. В данном случае коллиматор выполнен из сцинтилляционного кристалла и имеет форму скважины, внутри которой установлен детектор из сцинтилляционного кристалла другого типа. HXD включает в себя 16 единиц эффективной площадью ~145 см², состоящих из этих двух типов кристаллов. Энергетическое разрешение — 3 кэВ, поле зрения — 34’×34’ (для фотонов с энергиями менее 100 кэВ) и 4,5°×4,5° (для энергий свыше 100 кэВ).

Научное «наследие» японского телескопа

Из значимых достижений рентгеновской обсерватории «Сузаку» следует упомянуть открытие крупнейшего известного резервуара металлов во Вселенной. Телескоп обнаружил хром и марганец при наблюдениях центральной области скопления галактик в созвездии Персея, имеющего поперечник свыше 11 млн световых лет и находящегося на расстоянии порядка 250 млн световых лет. Атомы металлов входят в состав горячего газа — «межгалактической среды», заполняющей пространство между звездными системами. Ранее эти элементы удавалось обнаружить только в звездах Млечного Пути и других близких галактик. Межгалактический газ в скоплении имеет очень высокую температуру, поэтому он испускает высокоэнергетическое излучение. Рентгеновские спектрометры, установленные на борту телескопа, получили качественные спектры этого излучения, после анализа которых ученые подтвердили наличие в газе металлов. Возможно, причиной их появления там стали активные процессы звездообразования в галактиках скопления.

Американские астрономы обратили внимание на удивительный факт: концентрация рентгеноизлучающего железа в исследованной области во всех направлениях оказалась почти одинаковой. Это свидетельствует о том, что железо (и соответственно другие тяжелые элементы) уже было широко рассеяно по Вселенной в те далекие времена, когда скопление галактик начало формироваться. Наиболее эффективными производителями железа являются вспышки сверхновых типа Iа, которые происходят либо при слиянии сверхплотных белых карликов, либо при накоплении на поверхности белого карлика, входящего в состав двойной системы, массы вещества, достаточной для глобального термоядерного взрыва. По наблюдениям «Сузаку», общее количество железа, содержащегося в межгалактическом газе скопления, составляет примерно 50 млрд солнечных масс, причем около 60% его обнаружено во внешних областях кластера. Команда исследователей считает, что в химическом «засевании» пространства, которое позднее стало скоплением Персея, приняли непосредственное участие, по крайней мере, 40 млрд сверхновых. Астрофизики пришли к выводу, что любое объяснение того, как это произошло, требует участия в этих процессах взрывов сверхновых и активных черных дыр.

10-12 млрд лет назад процессы формирования звезд во Вселенной были как никогда интенсивными. Их сопровождали мощные вспышки сверхновых, катаклизмические взрывы приводили к огромным потерям вещества галактиками. В то же время сверхмассивные черные дыры в галактических центрах были особенно активны, быстро поглощая окружающий газ и высвобождая большие количества энергии. Некоторые из них формировали мощные струи вещества (джеты). Эти галактические «ветры» уносили химические элементы, синтезированные в недрах звезд, из родительских галактик в удаленные области космического пространства.

Некоторое время спустя в местах с повышенной плотностью материи сформировались скопления галактик, при этом произошло перемешивание огромных масс вещества, не принявшего участия в процессах их формирования, и «космического мусора» из регионов размерами в миллионы световых лет. Газовые облака падают к центру кластера, их столкновения генерируют ударные волны, которые нагревают межгалактический газ, благодаря чему скопление Персея является самым ярким протяженным источником рентгеновского излучения за пределами Млечного Пути.

Скопления галактик содержат от сотен до тысяч звездных систем, а также огромное количество диффузного газа и темной материи, гравитационно связанных друг с другом. Ближайшее к нам подобное скопление расположено в созвездии Девы.