Ученые из ИКИ РАН о запуске космического телескопа IXPE

9 декабря на ракете Falcon 9 из Космического центра NASA им. Кеннеди во Флориде была запущена первая в своем роде космическая рентгеновская обсерватория IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) для исследования поляризованного рентгеновского излучения. Миссия нацелена на изучение сложнейших объектов Вселенной: нейтронных звезд (пульсаров и магнетаров) и черных дыр. Участники миссии надеются, что полученные данные расскажут больше об истинной природе космических источников рентгеновского излучения. Об уникальном методе исследования рентгеновских источников рассказали профессор РАН, заместитель директора по научной работе ИКИ РАН Александр Лутовинов и заведующий лабораторией фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики ИКИ РАН, профессор Юрий Поутанен. 

IXPE уступает по размерам и мощности флагманскому телескопу NASA "Чандра", однако это компенсируется уникальными возможностями обсерватории видеть так называемую поляризацию рентгеновского излучения – то, что раньше оставалось неизученным. Три телескопа в составе миссии будут измерять магнитные поля черных дыр и нейтронных звезд. Анализ их интенсивности расскажет о том, как эти объекты излучают электромагнитные волны в рентгеновском диапазоне энергий.

Рентгеновские лучи могут многое рассказать о характеристиках экстремальных космических объектов. Так, рентгеновское излучение появляется при нагреве газа до сотен миллионов градусов, а также при быстром вращении или сильном магнитном поле. При этом для исследования в рентгеновском диапазоне нужны космические телескопы, ведь атмосфера Земли не пропускает рентгеновские лучи.

"Самые яркие космические источники рентгеновского излучения – это нейтронные звезды и черные дыры, – отмечает профессор РАН Александр Лутовинов. – Это связано с процессом под названием аккреция, когда вещество из космического пространства или соседней обычной звезды под действием гравитации "падает" на нейтронные звезды и черные дыры. При этом выделяется гигантское количество энергии, в сотни раз превышающее количество энергии при термоядерном взрыве. Такие события мы исследуем с помощью рентгеновских космических телескопов".

Однако ранее у астрофизиков не было возможности исследовать поляризованное рентгеновское излучение. А оно может дать множество новой информации об устройстве Вселенной. Анализируя поляризованное рентгеновское излучение с помощью обсерватории IXPE ученые узнают больше о структуре и поведении космических объектов и окружающей их среде, а также о физике возникновения рентгеновских лучей. "Напомню, что электромагнитные волны, которые мы изучаем для получения информации о космических объектах, в принципе сами по себе поляризованы. Когда речь идет о сферических и достаточно симметричных объектах, направление осцилляций или колебаний электромагнитных волн достаточно произвольное. В результате мы видим неполяризованное излучение. Но если симметрия нарушена в результате, например, сильного магнитного поля, то какое-то одно направление колебаний электромагнитной волны начинает доминировать. Тем самым мы можем понять геометрию источника благодаря направлению этих осцилляций", – объясняет Юрий Поутанен. 

По словам Александра Лутовинова, обсерватория IXPE представляет собой классический вид рентгеновской обсерватории с оптикой косого падения и газовыми детекторами. На ней установлены три модуля зеркал. Каждый из трех телескопов представляет собой цилиндр с 24 зеркальными оболочками, вложенными друг в друга. Они фокусируют рентгеновские лучи в результате отражений от их поверхностей под очень маленькими углами. "Кстати сказать, зеркала для обсерватории IXPE создавались той же группой специалистов из Центра космических полётов имени Джорджа Маршалла в США, которая создавала зеркала для отечественного телескопа ART-XC имени М.Н. Павлинского, установленного на обсерватории Спектр-РГ. Мы продолжаем сотрудничество с нашими американскими коллегами уже в части анализа научных данных телескопа ART-XC и очень рады за них, что новый инструмент запущен в космос. И конечно здорово, когда уже есть наработанные технологии, которые успешно показали себя в деле и которые могут быть использованы в новых экспериментах". 

Детекторы обсерватории, созданные специалистами из Итальянского космического агентства, улавливают рентгеновские лучи и поляризацию в слое газообразного диметилового эфира. "Детектирование основано на фотоэлектрическом эффекте. Так, рентгеновский фотон попадает в атом газа и выбивает электрон. Свободный электрон вылетает, оставляя видимый след. Далее создается изображение этого следа, и по направлению вылета электрона можно определить поляризацию рентгеновского фотона. Такой способ для космических наблюдений применяется впервые. До этого были попытки создавать поляриметры, но чувствительность их была в десятки раз хуже", – отмечает Юрий Поутанен.

Измерения поляризации с помощью IXPE дадут ответы на вопросы, над которыми ученые задумывались на протяжении десятилетий. "Самая главная загадка из области физики нейтронных звезд – что же за вещество находится в центральных областях нейтронных звезд и каково его уравнение состояния. Ведь плотности там превышают ядерные. Существует довольно много теоретических моделей для его описания. Но для того, чтобы выбрать ту или иную из них необходимо измерить радиус нейтронной звезды. Каков он? 10, 13 или 20 км? Массы нейтронных звезд мы научились измерять достаточно точно. А вот радиус определить гораздо сложнее. А это ключевой параметр для определения плотности и получения ограничений на модели уравнений состояния. Поэтому надеюсь, что с помощью обсерватории IXPE мы сможем измерять радиус нейтронных звезд и продвинуться в понимании устройства Вселенной", – говорит профессор РАН Лутовинов.

"Другая важная задача – выяснить насколько быстро вращаются черные дыры и какой у них спин или угловой момент. Когда газ в аккреционном диске находится достаточно близко к черной дыре, то поляризация или направление колебаний электрического поля меняется. Происходит вращение плоскости поляризации, которое зависит от спина черной дыры. С помощью обсерватории мы сможем измерить, как меняется направление поляризационного вектора с энергией фотона, которая и дает нам меру спина или углового момента черной дыры", – отмечает Юрий Поутанен.

Особое внимание участники миссии уделят магнетарам – нейтронным звездам со сверхмощными магнитными полями, которые в 100 млн. раз сильнее, чем у любого магнита, созданного на Земле. 

Ученые ИКИ РАН вовлечены в работу обсерватории IXPE с самого начала. Профессор Поутанен, к примеру, руководит рабочей группой по аккрецирующим нейтронным звездам – одним из основных объектов наблюдения IXPE.  По словам ученых из ИКИ РАН, первые научные наблюдения будут проведены уже в январе 2022 года, после необходимых проверок функционирования оборудования обсерватории.

Фото на главной странице: Wikipedia / NASA