Все цвета спектра. "В мире науки" №7

Два года назад, 13 июля 2019 г., состоялся запуск уникальной рентгеновской обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма». Через несколько месяцев обсерватория достигла «рабочего места» в окрестности точки Лагранжа L₂ и начала проводить первые обзоры. Сегодня «Спектру-РГ» нет равных. О том, чего удалось достичь коллегам из России и Германии, рассказывает Александр Анатольевич Лутовинов, профессор РАН, заместитель директора Института космических исследований РАН, научный руководитель телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского.

— В чем уникальность обсерватории «Спектр-РГ»?

— Позволю себе сделать шаг назад и рассказать, для чего создавалась эта обсерватория, какие перед ней стоят научные задачи. Большинство существующих рентгеновских обсерваторий можно условно разделить на две большие группы по принципу работы инструментов. При создании первой группы используются рентгеновские зеркала, позволяющие фокусировать излучение. Среди них, например, космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» (ранее известная как Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF). – Примеч. «В мире науки») или обсерватория XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission Newton, Рентгеновская мультизеркальная миссия «Ньютон»). При высокой чувствительности у таких обсерваторий достаточно узкие поля зрения. Проще говоря, им доступна конкретная, сравнительно небольшая часть неба. Кроме того, особенности рентгеновской оптики позволяют эффективно фокусировать только мягкое излучение.

Обсерватории второй группы — международная обсерватория гамма-лучей INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) или телескоп BAT на борту обсерватории Swift им. Нила Герельса — работают по принципу кодирующей апертуры. Им, напротив, доступна сразу большая часть неба. Конечно, чувствительность и угловое разрешение в данном случае оказываются хуже, но такие обсерватории могут проводить обзоры всего неба, в том числе в гораздо более жестких лучах, вплоть до гамма-излучения, что чрезвычайно важно для понимания устройства Вселенной и физики в целом.

Важность проведения обзоров всего неба можно проиллюстрировать на простом примере. Представьте, что инопланетянин прилетит на Землю буквально на пять-десять минут и увидит только вас. Пусть за это время он сможет досконально изучить одного человека, но у него не будет знаний о человечестве, о том, как люди рождаются, развиваются, умирают. В случае с астрономическими наблюдениями ситуация аналогичная: в процессе наблюдения отдельных объектов вам достаточно сложно будет понять, откуда берется конкретный объект, как он развивается, эволюционирует. Конечно, научные догадки и теоретические исследования позволяют сделать некоторые предположения, но для окончательных ответов необходимо изучать классы космических тел, которые находятся на разных стадиях эволюции. Поэтому, делая обзоры всего неба, ученый получает данные о большом количестве объектов одного и того же класса, которые находятся на разных стадиях эволюции, на разных расстояниях и временных отрезках. Только так можно понять, как устроен наш мир.

Обзоры всего неба предпринимались не раз, в том числе с помощью самой первой рентгеновской обсерватории UHURU, а также упомянутых инструментов INTEGRAL и Swift, но количество источников, зарегистрированных в таких обзорах, не очень велико в силу особенностей инструментов и диапазонов энергий. Серьезный прорыв был сделан немецкой обсерваторией ROSAT, которая работала в начале 1990-х гг., использовала рентгеновские зеркала и за полгода сделала обзор неба, зафиксировав порядка 200 тыс. объектов. Этого физикам и астрономам хватило на 15-20 лет.

В середине 2000-х гг. стало понятно, что возможности обзора, которые были получены обсерваторией ROSAT, почти исчерпаны. Возникла необходимость сделать новый обзор Вселенной, чтобы получить более глубокую карту, зарегистрировать максимально большое количество источников, обеспечив ученых новым наблюдательным материалом.

Тогда и зародилась идея создания обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма». Напомню, что она оснащена двумя телескопами: немецким – eROSITA и российским – ART-XC. Оба прибора используют рентгеновские зеркала и работают по принципу оптики косого падения. Но в отличие от упомянутых выше обсерваторий Chandra и XMM-Newton каждый из этих телескопов обладает широким полем зрения. Так, телескоп eROSITA имеет поле зрения порядка одного градуса, ART-XC — немного поменьше. Таким образом, вращаясь вокруг своей оси, каждый день мы дополняем карту неба кольцевой полоской примерно в один градус. Поворачиваясь за Солнцем, обсерватория за полгода покрывает все небо и делает полный обзор. В этом и состоит уникальность «Спектр-РГ» — ее инструменты сочетают в себе большие поля зрения и высокую чувствительность, что раньше казалось недостижимым.

— Вот уже почти два года «Спектр-РГ» находится в точке либрации L₂. Чего удалось достичь за это время?

— В точке L₂ обсерватория находится около полутора лет, поскольку несколько месяцев занял сам полет аппарата. Точка L₂ удобна по двум причинам. Здесь стабильные тепловые и фоновые условия, что чрезвычайно важно для подобных чувствительных инструментов, особенно для eROSITА. Телескоп ART-XC в этом смысле более «брутальный», а немецкая коллега — более «нежная». Так, детекторы eROSITА работают при криогенных температурах ˗90°. И для того чтобы обеспечить комфортные условия, нужно, чтобы тепловые потоки не менялись.

Кстати, точка L₂ становится все более популярной для проведения исследований. Сейчас нам впервые удалось измерить рентгеновский фон в ее окрестностях. В дальнейшем эти данные будут использованы при планировании работы будущих крупных миссий.

После калибровочных и проверочных наблюдений в конце 2019 г. аппарат перешел в режим обзора и начал решать основную научную задачу — построение глубокой карты Вселенной. Первый обзор мы закончили в июне 2020 г., а второй — в декабре того же года. Но уже и первая карта принесла множество потрясающих данных. Например, eROSITA обнаружила порядка 1 млн источников по сравнению с несколькими сотнями тысяч, известными ранее. В рамках второго обзора мы увеличили глубину и получили уже около 2 млн рентгеновских источников. Участники проекта ожидают, что в дальнейшем количество источников увеличится до нескольких миллионов. Ранее о подобных картах мы и мечтать не могли, а сегодня уже активно с ними работаем.

Помимо прочего были обнаружены гигантские структуры — так называемые пузыри eROSITA, подобные пузырям Ферми, но гораздо большего размера. Это надутые структуры, исходящие из центра Галактики. Считается, что несколько десятков миллионов лет назад в центре Галактики происходила чрезвычайно большая активность, которая посредством ударных волн надула горячий газ. Но пока природа таких образований до конца не ясна.

Замечательные результаты показал и отечественный телескоп ART-XC, который с 2020 г. носит имя своего создателя и первого руководителя М.Н. Павлинского. К большому сожалению, в прошлом году Михаил Николаевич ушел от нас. Но первую карту неба он видел. Я вспоминаю, как он радовался нашим общим достижениям и строил большие планы.

Благодаря телескопу ART-XC им. М.Н. Павлинского мы получили уникальную четкую карту неба в жестких рентгеновских лучах, которой до этого никогда не было. Конечно, источников на ней немного, меньше тысячи. Однако они были получены за год измерений, тогда как обсерватории прошлого поколения работали десятилетие, чтобы добиться такого результата. Более того, мы увидели множество новых интересных объектов, о которых даже не подозревали. В свое время М.Н. Павлинский в одном из интервью сказал, что мы словно грибники, идущие по лесу; нас окружают сотни, тысячи опят и сыроежек, а мы находим среди них трюфель. Аналогия с трюфелем здесь неспроста, они ведь находятся под землей. Так и в нашем случае: некоторые объекты eROSITA не видит в силу того, что мягкое рентгеновское излучение блокируется окружающей космической средой. Скажем, сверхмассивная черная дыра может быть скрыта за слоем пыли и газа или за целой галактикой. А телескопу ART-XC как раз под силу разглядеть такие объекты.

— Почему необходимо делать несколько обзоров? Вы увеличиваете пространственные масштабы или уточняете уже полученные результаты?

— С одной стороны, при проведении нескольких обзоров суммарно увеличивается глубина экспозиции. Проще говоря, чем дольше мы наблюдаем за участком неба, тем более слабый сигнал от объектов можем зарегистрировать. Во-вторых, небо непостоянное. Звезды рождаются, умирают, с ними и вокруг них происходят эволюционные события. Например, двойная система с нейтронной звездой или черной дырой может вспыхнуть на какое-то время, а затем погаснуть.

Напомню, что в день обсерватория сканирует полоску неба в один градус, при этом период обращения самой обсерватории вокруг своей оси — четыре часа. Проще говоря, мы можем следить за одним и тем же объектом от четырех до шести раз в сутки. Соответственно, если он меняется на масштабах от нескольких секунд до часов, мы это сразу заметим. Плюс ко всему каждые полгода «Спектр-РГ» вновь возвращается в ту же область неба и вновь может фиксировать изменения. Это чрезвычайно важно для наблюдений уникальных событий – от короткоживущих всплесков до вспышек в двойных системах и приливных разрушений звезд.

— Когда научные данные будут доступны мировому сообществу?

— Как я уже говорил, обсерватория оснащена двумя инструментами. Данные по телескопу ART-XC полностью принадлежат российской стороне, находятся в Институте космических исследований РАН — головной научной организации проекта, где они обрабатываются и анализируются. А данные по телескопу eROSITA разделены пополам: за обработку данных на одной части неба отвечает российский консорциум ученых из разных институтов, а за вторую часть – коллеги из Института внеземной физики Общества Макса Планка и других институтов Германии.

Первая партия данных eROSITA, вероятнее всего, будет открыта в этом году. При этом речь пока идет только о тестовых и калибровочных наблюдениях. Научное сообщество сможет получить доступ к первичным данным, а также к математическому обеспечению для их анализа.

Данные по телескопу ART-XC будут выложены немного позже. Здесь есть некая тонкость. Данные сами по себе неинтересны, ведь вы получаете набор цифр, которые без специальных знаний (как устроен прибор, как эти данные получены, записаны и т.д.) бесполезны. А написание программного обеспечения, которое позволило бы любому ученому, незнакомому с устройством инструмента, извлекать из телеметрии данные, пригодные для научного анализа, — непростая задача, на решение которой тратятся большие ресурсы и время. Сейчас идут доработка и тестирование такого математического обеспечения. Как только все будет готово и проверено, тогда и будет принято решение об открытии данных.

— Программа «Спектр-РГ» предусматривала несколько направлений, в том числе прикладные, например обеспечение программы «АстроГЛОНАСС». Когда начнется реализация?

— Для «АстроГЛОНАСС» обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма» не предназначена. Тем не менее оказалось, что телескоп ART-XC не только может строить замечательные карты неба в жестком рентгеновском диапазоне, но и обладает очень хорошим временны́м разрешением. По сравнению с eROSITA, которая сбрасывает данные фреймами (кадрами) по 50 миллисекунд, у телескопа ART-XC разрешение доходит до десятков микросекунд. Это значит, что мы можем наблюдать очень короткие события, в том числе, например, быстровращающиеся нейтронные звезды с периодом обращения в несколько миллисекунд. Именно быстровращающиеся нейтронные звезды считаются опорными источниками для навигации по рентгеновским пульсарам, которую с легкой руки руководителей космической отрасли стали называть «АстроГЛОНАСС». Красивый термин.

Основная задача обсерватории на первом этапе – обзор всего неба, поэтому телескоп ART-XC не может следить за этими объектами постоянно, а только во время так называемых калибровочных наблюдений, которые мы проводим обычно после коррекции орбиты. Руководство «Роскосмоса» поручило нам отработать элементы навигации, пронаблюдать быстро вращающиеся пульсары. Мы это сделали и поняли, что система в принципе работает и задачу построения системы навигации по рентгеновским пульсарам решать можно. Но, повторюсь, обсерватория «Спектр-РГ» для этого не предназначена.

На Совете по космосу РАН мы предложили создать отдельный спутник для решения этой и ряда других прикладных задач. С коллегами из НПО им. С.А. Лавочкина мы сейчас детально прорабатываем такой проект.

Если говорить о других задачах, то действительно, после запланированного четырехлетнего обзора обсерватория будет работать два с половиной года в режиме точечных наведений или трехосной стабилизации. В это время начнутся наблюдения наиболее интересных и уникальных объектов, обнаруженных по результатам обзоров.

— Ваши коллеги из Института ядерных исследований РАН и Объединенного института ядерных исследований в Дубне недавно запустили нейтринный телескоп на дне Байкала. Многие из них упоминали тенденцию к многоканальности. Прослеживается ли она в рентгеновской астрономии?

— Конечно. Рентгеновская астрономия — это только одно из окон во Вселенную. Поэтому многоволновая астрономия существует и используется давно. Зачастую мы фиксируем информацию о том или ином космическом объекте буквально по нескольким фотонам. И сразу понять, что это за объект, не удается. Здесь на помощь приходят наблюдения в других диапазонах длин волн. В первую очередь проверяются рентгеновские каталоги других миссий, затем оптические, инфракрасные, проводятся дополнительные наблюдения и т.д. После этого собранная информация сводится в единую картину. В этом и состоит суть многоволновых наблюдений, которые позволяют широко посмотреть на тот или иной объект и установить его природу, в том числе определить физические характеристики.

В то же время ученые сегодня все чаще говорят о так называемой многоканальной астрономии в режиме мессенджеров (multi-messenger astronomy) — быстрой обработке и передачи информации. Это направление стало активно развиваться в последние пять-семь лет после запуска системы гравитационно-волновых детекторов LIGO и VIRGO. В 2017 г. обсерватория LIGO зафиксировала сигнал от слияния двух нейтронных звезд. Сообщение моментально инициировало наблюдения в других диапазонах длин волн и проверку данных другими обсерваториями, которые в этот момент могли наблюдать ту часть неба, где происходило событие, что и привело к открытию. Этот замечательный опыт используется все шире и шире, в том числе и в нейтринной астрономии.

Кстати, мы активно сотрудничаем с коллегами, работающими с Байкальским нейтринным телескопом. Мы реализуем совместный грант РФФИ по наблюдениям нейтрино, гравитационно-волновых событий и отождествлению результатов в рентгене, гамма-излучении и в оптике. Это действительно замечательный инструмент с уникальными характеристиками. Надеюсь, наше сотрудничество приведет к интересным результатам.

— Что известно о «конкурентах»? Насколько я знаю, к 2031 г. будет запущен телескоп «Афина».

— Планируется, что космический телескоп «Афина» (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics, ATHENA) будет иметь большую эффективную площадь, а также высокое спектральное и временное разрешение, но он не предназначен для обзоров. С точки зрения обзорных миссий и построения карты Вселенной конкурентов у нас нет. Академик Р.А. Сюняев, научный руководитель обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», в одном из выступлений пошутил, что обсерватория позволит построить настолько детальную карту Вселенной, что в ближайшие 5 млрд лет, пока Вселенная существенно не поменяется, другая обзорная обсерватория нам не понадобится. Действительно, уже сегодня мы можем рассматривать уникальные скопления галактик, сверхмассивные черные дыры, нейтронные звезды и квазары. Например, наш молодой коллега П.С. Медведев обнаружил сверхмассивную черную дыру, квазар, который испустил свет, когда Вселенная была в возрасте всего лишь 700 млн лет. Как он появился и почему на таком малом временнóм масштабе уже стал сверхмассивным — настоящая загадка. И подобных загадочных объектов, очевидно, будет найдено очень много.

Разумеется, «Афина» тоже привнесет огромный вклад в науку и будет как раз изучать отдельные объекты и области Вселенной с недостижимой ранее точностью. Но в данном случае конкуренции нет.

— Что насчет других собратьев программы «Спектр»? На подходе «Спектр-УФ». Обогатит ли он уже собранные данные или это будет некий самостоятельный проект?

— В целом программа «Спектр», которая задумывалась в конце 1980-х — начале 1990-х гг., изначально состояла из трех обсерваторий. Впоследствии к ним добавился четвертый проект «Спектр-Миллиметрон». Но каждый из них представляет независимую миссию.

Конечно, данные в ультрафиолете, которые предоставит «Спектр-УФ», можно и нужно будет в будущем объединить с результатами наблюдений «Спектр-РГ». Это и есть та самая многоволновая астрономия, о которой говорили выше. Вопросы будущей синергии между разными «Спектрами» мы недавно обсуждали с заместителем директора Института астрономии РАН М.Е. Сачковым, который курирует реализацию проекта «Спектр-УФ».

— Вы уже упомянули, что программа «Спектр» задумывалась в конце прошлого века. Когда и как вы попали в эту программу?

— Первая конфигурация обсерватории ничего общего с современной не имеет. Предполагалось, что на нее установят около десяти приборов. И если бы ее запустили вовремя, она бы сильно опередила и «Чандру», и «ХММ». «Спектр-РГ» в первоначальной конфигурации задумывался как уникальная обсерватория для наблюдения за отдельными объектами, наиболее интересными для исследований. Насколько я помню, первый запуск планировался в 1993 г.

А уже в начале 2000-х гг. было принято решение, что «Спектр-РГ» в первой конфигурации утратил актуальность, поскольку в 1999 г., как я сказал, состоялся запуск обсерваторий «Чандра» и ХММ. Плюс ко всему у многих инструментов истекали сроки годности и гарантийные сроки.

Отдел астрофизики высоких энергий ИКИ РАН всегда играл ключевую роль в проекте; можно сказать, «Спектр-РГ» – его детище. Нас, аспирантов и молодых научных сотрудников, привлекали к работам, связанным еще с тем старым СРГ, например при разработке комплекса фокальных рентгеновских детекторов. Сотрудники отдела также проводили расчеты и принимали участие в моделировании. После того как финансирование проекта прекратилось, начался поиск идей для новой версии обсерватории, которая сегодня успешно работает.

В то время я со «Спектром» не работал, поскольку с 2002 г. был глубоко вовлечен в другой проект — обсерватории INTEGRAL, которая и сегодня продолжает наблюдения.

А уже в последние годы работы над «Спектр-РГ» М.Н. Павлинский начинал все больше задействовать ученых отдела в работе по проекту телескопа ART-XC – в планировании научных задач, в моделировании наблюдений. Вообще, в создании и успешных результатах и телескопа, и всей миссии заслуга М.Н. Павлинского просто неоценима, как и коллег из РФЯЦ в Сарове и «Роскосмоса». Ведь важно не только изготовить ключевые элементы телескопа, но и съюстировать, собрать с точностью до угловых минут сложнейшие оптические схемы. А такое оборудование, в том числе лазерное, которое использовалось при этих работах, есть лишь в Сарове. Благодаря коллективной слаженной работе в России появился уникальный телескоп, который уже дал серьезные научные результаты. Образно говоря, мы оказались в «лиге чемпионов». Хотя это было нелегко, но еще тяжелее там закрепиться, а для этого надо писать хорошие научные статьи, получать результаты мирового уровня. И все это — плод гигантской проделанной и продолжающейся работы большого количества людей, которых собрал и увлек М.Н. Павлинский. После его безвременного ухода коллеги приняли решение, что мне нужно продолжить его дело, став научным руководителем телескопа.

— Все согласны с тем, что «Спектр» – это значимый проект, пусть и запущенный не сразу. Но некоторые считают, что в мире уже давно работают иначе и время реализации сильно затянулось. Как обстоят дела на самом деле?

— Мне кажется, что люди, которые придерживаются такого мнения, либо лукавят, либо не совсем погружены в тему. Если говорить о современном «Спектр-РГ», я бы не ассоциировал его с первоначальной идеей, возникшей в 1980-е гг. Официальной точкой отсчета работ по проекту можно считать август 2009 г., когда «Роскосмос» и немецкое космическое агентство DLR подписали соглашение о сотрудничестве. И фактически через десять лет состоялся запуск. Можно ли было сделать быстрее? Наверное. Между тем телескоп ART-XC был полностью завершен в конце 2016 г., а eROSITA — в январе 2017 г. А далее дорабатывались сам аппарат, радиокомплекс, проводились различные наземные отработки.

Когда вы впервые создаете тот или иной прибор, вы не знаете, с какими ошибками и неудачами столкнетесь. Например, eROSITA на полтора года задержалась, поскольку на стадии испытания летного образца оказалось, что некоторые микросхемы работают иначе, чем ожидали инженеры. При отработке на Земле используются, как правило, микросхемы без радиационной защиты, и с ними все было хорошо. Но оказалось, что те же самые микросхемы, но уже в радиационно стойком варианте функционировали на летном образце немного по-другому, что приводило в сбоям и ошибкам. Такие микросхемы не используют во время испытаний, поскольку они очень дорогостоящие. Именно поэтому немецким коллегам понадобились много времени и дополнительное финансирование, чтобы выявить проблему и ее решить.

Мы столкнулись также с трудностями при создании зеркал, ведь до этого в России с рентгеновской металлооптикой никто не работал. Коллеги из Сарова сделали для проекта отличные зеркала отечественного производства, они были использованы для комплектации образца телескопа, на котором проходили все испытания. При сборке летного образца телескопа были использованы американские зеркала, которые делали в Центре космических полетов им. Джорджа Маршалла NASA параллельно с нашими. Тем не менее РФЯЦ в Сарове продолжает развивать эту тему, и я уверен, что в будущих проектах отечественная металлооптика будет востребована. Сейчас как раз разрабатываются зеркала для проекта «Гамма-400» и для инструментов, которые мы хотим установить на аппарат для создания упомянутой системы «АстроГЛОНАСС».

Сравнивая отечественный и зарубежный опыт, можно вспомнить о Космическом телескопе имени Джеймса Уэбба, который был задуман в середине 1990-х гг. с планируемой датой запуска в 2007 г. Надеемся, обсерватория будет запущена в этом году. Это яркий пример того, что даже в США с ее могучим технологическим заделом не всегда все реализуется в срок.

Меня удивляют люди, которые считают, что российский научно-технологический сектор сильно отстает, что мы ничего не можем и все делаем медленно и плохо. Да, есть проблемы — и мы их решаем, мы бы и рады ускориться, но очень много сил и времени уходит не на реализацию проекта, как говорится, «в железе», а на бессмысленную бумажную работу. Приходится согласовывать малейшие изменения в проектах, документах, технических заданиях с большим количеством людей. И подобных ситуаций много. Но, как я уже говорил, задержки с космическими проектами по тем или иным причинам происходят не только в России.

И все же мы продолжаем работать над новыми проектами и надеемся, что они будут реализованы. А если удастся уменьшить формально-бюрократическую нагрузку, то замечательные космические проекты, подобные «Спектр-РГ», будут появляться и запускаться в нашей стране гораздо чаще.