Россия успешно вывела в космос телескоп-рентген

Фото: Roscosmos.ru

Новый отечественный научный инструмент вышел на орбиту Земли

3 сентября, 2019 15:06

12 мин

13 июля 2019 года с космодрома Байконур была запущена ракета-носитель Протон-М. Через десять минут от ракеты отделился разгонный блок ДМ-03 с закреплённым на нём блоком полезной нагрузки. Разгонный блок несколькими включениями в течение двух часов сформировал целевую орбиту и отделился. На блоке полезной нагрузки развернулись панели солнечных батарей, была проверена работа основных систем и станция была взята на контроль и сопровождение наземными системами слежения.

С этого момента стало можно говорить, что российский космический телескоп «Спектр-Рентген-Гамма» выведен на орбиту

22 июля станция совершила первую коррекцию траектории, на следующий день были открыты крышки двух расположенных на спутнике рентгеновских телескопов, российского ART-XC и немецкого eROSITA. А ещё через день российский телескоп увидел первый свет. 24 июля стал днём рождения уникального российского космического научного инструмента.

«Спектр-Рентген-Гамма» или, сокращённо «Спектр-РГ» один из самых многострадальных космических проектов России и один из впечатляющих примеров космического долгостроя

Сейчас это трудно представить, но в 70-80 годах прошлого века Советский Союз был признанным мировым лидером в космической астрономии высоких энергий. Поэтому, когда во второй половине 80-х годов СССР предложил создать космическую платформу с широким международным участием по наблюдениям от жёсткого ультрафиолетового до гамма-диапазона, согласились многие: ФРГ и ГДР (тогда ещё различные), Финляндия, Дания, Италия, Великобритания. Позже к проекту присоединились даже США. СССР брал на себя создание космической платформы и одного из телескопов. Впрочем, советский вклад в другие инструменты также был существенен: в то время приборы для открытого космоса могли создавать СССР, США и Франция.

Почему эта задача казалась важной?

Мы привыкли к тому, что каждую ночь видим звёздное небо. Хорошо, пусть не каждую, но по крайней мере ясную. Однако есть области спектра, в которых атмосфера непрозрачна спокон веков, с момента своего образования. В частности, озоновый слой, благодаря которому существует вся наземная флора и фауна, надёжно защищает нас от жёсткого ультрафиолетового, всего рентгеновского и большей части гамма-излучения. До эпохи космических ракет мы не знали, как выглядит небо в рентгеновском диапазоне.

Первый внесолнечный источник рентгеновского излучения был открыт в 1962 году при помощи детектора, установленного на геодезической ракете. Это знаменитый «Скорпион Х-1». Уже в 1970 году детекторы, расположенные на кенийском научном спутнике «Ухуру» зафиксировали более ста источников космического рентгеновского излучения, однако отождествление их с известными астрономическими объектами было на тот момент задачей малореальной: разрешающая способность рентгеновских детекторов оставляла желать лучшего

Астрофизикам требовалась рентгеновская карта звёздного неба.

С рентгеновскими лучами сейчас мы сталкиваемся, когда проходим флюорографию, лечим зубы или попадаем на приём в травматологическое отделение поликлиники. Достоинством рентгеновских лучей, поставленным на службу медицине, оказалась их способность проникать сквозь мягкие ткани тела без отклонений. Чтобы защититься от этих лучей, нужно несколько миллиметров свинца или сантиметр стали. От рентгеновских лучей можно защититься, но отклонить их – задача непростая. Именно её и решает рентгеновская оптика.

Первые же эксперименты с рентгеновскими лучами, выполненные сразу же за их открытием, показали, что материалов, для изготовления линз для них не существует: коэффициент преломления всех известных человечеству материалов в рентгеновском диапазоне практически равен единице: лучи либо проходят их без искажений либо поглощаются. Также и с зеркалами. Казалось бы, это делает невозможным саму идею рентгеновского телескопа. Но не будем забегать вперёд.

Несмотря на то, что энергия рентгеновских фотонов достаточно велика, чтобы считать их частицами, но для решения задач рентгеновской оптики пригодились именно волновые свойства света. Особенностью волновых свойств света является то, что они фундаментальны и не зависят от материала

Первое из таких свойств — это дифракция рентгеновских лучей: отклонение их при прохождении или отражении от решётки, расстояние между линиями которой меньше, чем длина волны исследуемого света. Для рентгеновских лучей это от сотых долей до 100 ангстрем. Такое расстояние соответствует межатомным интервалам в кристаллической решётке, поэтому дифракция осуществляется на специально подготовленных кристаллах. Такой метод хорош для анализа рентгеновского спектра точечных источников.

Второе — полное внутренне отражение, когда свет, падающий под углами меньше критического, отражается от поверхности полностью, не испытывая поглощения. Вы можете сами увидеть это эффект, налив воды в прозрачный стакан и посмотрев на поверхность жидкости снизу. Точно такой же эффект возможен и для рентгеновских лучей, однако критический угол для них заметно меньше одного градуса, лучи должны падать практически по касательной к зеркалу. Такие зеркала называются зеркалами косого падения. Их теорию, как и оптические системы на их основе для рентгеновских телескопов разработал в 50 гг. прошлого века немецкий физик Ганс Вольтер. Именно телескопы системы Вольтера удобны для обзорных наблюдений.

В 1980-х годов началась гонка за картографирование неба в жёстком УФ и рентгеновском диапазонах. И у Советского Союза, поначалу, были неплохие шансы выбиться в лидеры. После небывалого успеха с «Астроном», который проработал вместо заявленного года целых шесть лет. Поэтому-то Советскому Союзу и удалось собрать столь представительную международную коллаборацию, о чём уже писалось выше

Но потом наступили девяностые годы и нашей стране стало не до рентгеновской астрономии.

Конечно, какие-то деньги выделялись, но их едва хватало на консервацию имеющегося оборудования, которое, кстати говоря, имело вполне определённый срок гарантийного использования. Россию перестали рассматривать как возможного драйвера крупного научного проекта, признавая за ней в лучшем случае статус космического перевозчика.

Международная команда распалась, ставшая единой Германия часть своих приборов адаптировала для американской космической обсерватории ROSAT, запущенной в 1990 году, которой и принадлежит честь первого полного обзора небесной сферы в мягком рентгеновском диапазоне. В 1992 году была запущена российско-французская обсерватория «Гамма», включающая в себя оборудование, первоначально сконцентрированное для использования в «большом» проекте. Однако, практически с самого начала эксплуатации, станцию преследовали различные неудачи.

Другие европейские контрагенты отказались от участия в проекте «Спектр-РГ», который до начала 2010-х годов имел более чем туманные перспективы в пользу проектов американо-европейского XMM-Newton и чисто европейского INTEGRAL. Оба эти проекта также отчасти использовали совместные наработки, так что нельзя сказать, что задел пропал даром. Более того, на INTEGRALе российские учёные получили 25% наблюдательного времени

Кроме того, изменились приоритеты. Стало понятно, что картография рентгеновского неба не является самоцелью. Астрономы с нетерпеньем ждали результатов рентгеновских наблюдений. Они требуются во многих разделах современной астрофизики, начиная от теории чёрных дыр и нейтронных звёзд и заканчивая коричневыми карликами. Поэтому было признано нецелесообразным совмещать наблюдения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Если картографирование неба в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах можно было совместить, то детальные наблюдения в каждом из них целесообразно проводить независимо. Так появился отдельный проект «Спектр-УФ», который в настоящее время находится в состоянии согласования научной полезной нагрузки.

Технический прогресс за четверть века также не стоял на месте, и это позволило обойтись меньшим количеством приборов при сохранении круга приоритетных научных задач. В результате остановились на полезной нагрузке из двух телескопов: российском и немецком, диапазоны наблюдения которых к тому же частично перекрываются, что повышает точность наблюдений

Выделение для запуска ракеты-носителя «Протон М», равно как и общая тенденция к миниатюризации и снижению массы современной космической техники позволило использовать для размещения нового космического телескопа точку Лагранжа L2 системы Солнце-Земля. В системе двух тел, таких как Солнце и любая планета, точка Лагранжа — это такая точка, в котором любое третье тело находится в состоянии равновесия. Такое равновесие неустойчиво, однако расход топлива на поддержание параметров орбиты в окрестностях точек Лагранжа существенно ниже, чем любых других. Таких точек всего пять, L2 расположена в 1,5 миллионах километрах с теневой стороны Земли.

К этой точке «Спектр-РГ» прибудет в конце октября. Первые четыре года уйдут на построение восьмикратного обзора небесной сферы. Такая кратность необходима для увеличения точности наблюдений и изучения рентгеновской динамики неба. Ещё два года в программе предусматривается для точечных наблюдений рентгеновских объектов.

В точке L2 уже находятся космические телескопы WMAP, Planсk, Herschel, Gaia, первые три из которых прекратили свою деятельность. В 2021 году к ним присоединится американский телескоп James Webb. Чтобы не превращать L2 в «кладбище» исчерпавших свой ресурс спутников, перед окончанием эксплуатации «Спектр-РГ» уйдёт из точки Лагранжа на околосолнечную орбиту. Это первая космическая станция, у которой такая возможность предусмотрена программой полёта

Когда по телевизору (или в интернете) сообщают, что запущен очередной космический спутник, всегда находятся люди, которые предлагают использовать средства, затрачиваемые на исследования космоса, на нужды пенсионеров, малоимущих или иным общественно-полезным способом в меру своей искренности. Здесь можно возразить двояко: во-первых, расходы на научные исследования в космосе в российском бюджете, к сожалению, и без того малы, чтобы это сказалось каким-то заметным образом в случае перераспределения этих средств; а во-вторых, мы уже давно пользуемся результатами космических исследований, просто не замечая этого. Например, развитие систем космической навигации заметно облегчило жизнь автомобилистам и способствовало снижению цен таксомотрных услуг.

Участие в международной программе космических исследований, притом участие в роли ведущего разработчика, возвращает России во многом утраченную ею роль одного из сильнейших космических разработчиков. Это своего рода миссия «демонстации флага».

Не является секретом, что одна из основных причин научной эмиграции вовсе не погоня за «длинным рублём», а стремление работать на передовом крае науки. Так что подобный уникальный инструмент – это возможность вести современнейшие научные исследования «не выходя из дома», на своей национальной территории. Привлечение же иностранных участников в российские коллаборации является одним из методов «мягкой силы».

Казалось бы, на этом можно и закончить, но несколько дней назад в лентах научных новостей появилось сообщение о резком увеличении вспышечной активности рентгеновского источника в центре нашей Галактики, предположительно связанного с центральной чёрной дырой Sgr A*. Коллаборация ART-XC решила навести телескоп в эту область, не дожидаясь окончательной юстировки и калибровки телескопа.

12 августа ART-XC пронаблюдал область Галактического центра в течение 50 000 секунд, подтвердив активность, превышающую норму до 100 раз. Такие же сеансы наблюдения по 50 000 секунд были проведены 14 – 16 августа

Остаётся поздравить команды, работающие с телескопом с удачным стечением обстоятельств, пожелать им длительной интересной работы, разгадки имеющихся тайн Вселенной и нахождению новых, а самому аппарату «Спектр-РГ» долгой бесперебойной службы на благо науке.

Автор: Сергей Шилов