Что будет исследовать новый рентгеновский телескоп XRISM?
На телескоп XRISM возлагают большие надежды. Ученые считают, что он откроет новую веху в рентгеновской астрономии, поможет разрешить некоторые из загадок Вселенной.
Фото: JAXA / Испытания XRISM в Космическом центре Цукуба, которые проходили в августе 2022 года. Камера имитирует вакуум
Прежде чем рассказывать о новом орбитальном рентгеновском телескопе, его возможностях и целях, нужно разобраться с рентгеновским излучением, понять, что это такое и почему оно интересно ученым.
Электромагнитные волны и что такое спектр электромагнитного излучения
В космосе энергию переносят электромагнитные волны, которые представляют собой колебания электрического и магнитного полей. Эти волны распространяются в вакууме с одинаковой скоростью - со скоростью света. В отличие от звуковых волн, которым для движения нужна определенная среда (твердая, жидкая, газообразная), электромагнитные могут распространяться как в пространстве, заполненном веществом, так и в пустоте. Такая волна состоит из фотонов - высокоскоростных частиц, не обладающих массой, но имеющих некоторую энергию, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ).
Электромагнитные волны различаются по своей длине - от нескольких нанометров до нескольких тысяч километров. Диапазон наблюдаемых учеными длин волн, от самых длинных до самых коротких, называется спектром электромагнитного излучения. Радиоволны имеют самую большую длину волны, затем идут микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и, наконец, гамма-лучи - самые короткие по длине волны.
Фото: Wiki / Электромагнитный спектр
Поскольку для всех электромагнитных волн скорость в вакууме одинакова, длину волны определяют по частоте излучения. Путь, пройденный лучом за секунду, делят на число волновых колебаний за то же время. В результате получают длину одного колебания.
Практически все, что сегодня ученые знают о космосе, им известно благодаря электромагнитным волнам. Эти волны несут в себе закодированную информацию об астрономических объектах и Вселенной, знания о том, как работает окружающий нас мир. Это бесценный инструмент, позволяющий астрономам заглянуть в самые дальние уголки космоса и исследовать объекты, которые недоступны человеческому глазу.
Все космические тела излучают различные формы энергии, иными словами, дают астрономам о себе знать в разных диапазонах спектра электромагнитного излучения. Возьмем Солнце, наше светило - источник энергии всего спектра. Но есть тела, которые излучают только в определенных диапазонах.
Диапазон излучения объекта зависит от температуры тела. Более холодные источники излучают энергию на более низких частотах и, следовательно, на более длинных длинах волн. И наоборот, горячие тела излучают энергию на высоких частотах и на более коротких длинах волн.
Радиоволны и микроволны позволяют ученым заглянуть в плотные молекулярные облака, где рождаются звезды, инфракрасные лучи - источник информации о тепле, а видимый свет позволяет ученым увидеть далекие звезды и другие космические тела.
Фото: NASA/CXC/SAO / Туманность Ориона. Слева - снимок космического телескопа Чандра в рентгеновском диапазоне. Справа - снимок в радиодиапазоне, сделанный наземным радиотелескопом-интерферометром Очень Большая Антенная Решетка
Ультрафиолетовые лучи могут рассказать о свечении молодых массивных звезд, а также о физических свойствах пульсаров. С помощью рентгеновских лучей можно исследовать горячие и активные объекты, включая черные дыры, нейтронные звезды. В свою очередь, гамма-лучи помогают больше узнать о высокоэнергетических событиях: взрывах сверхновых, столкновениях нейтронных звезд.
В последнее время астрономы все чаще интересуются так называемыми экзотическими астрономическим объектами: черными дырами, белыми карликами, нейтронными звездами. Данные об этих телах можно получить в основном при помощи рентгеновского излучения, но с этим есть одна загвоздка: такие источники невозможно изучать с поверхности земли. И вот почему.
Что такое рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение с высокой энергией фотонов от ~100 эВ до 300 кэВ, оно очень опасно для человека, может разрушать клетки тканей и вызывать мутации. Физики делят этот диапазон на три поддиапазона: мягкое рентгеновское излучение (от 100 эВ до 5 кэВ), классическое (от 5 кэВ до 50 кэВ) и жесткое рентгеновское излучение (от 50 кэВ до 300 кэВ). От всех этих поддиапазонов людей защищает атмосфера. Рентгеновские фотоны просто не успевают доходить до поверхности, на высоте от 100 до 30 км они сталкиваются с ядрами атомов газов (водяным паром, углекислым газом и озоном), ионизируют эти атомы, после поглощаются ими и переизлучаются.
Здесь стоит оговориться. Защитные свойства атмосферы зависят от частоты и мощности потока излучения. Рентгеновские лучи отличаются от других форм излучения тем, что они имеют очень высокую энергию и короткую длину волны, поэтому могут разрушить озоновый слой планеты. Земле повезло - рядом с нами нет рентгеновского источника, который бы светил в нашу сторону и посылал мощные рентгеновские потоки.
Так как атмосфера Земли мешает рентгеновским лучам (в том числе и гамма-лучам) добраться до детекторов наземных телескопов, приборы не могут их зарегистрировать, следовательно, с поверхности нашей планеты невозможно исследовать космические тела по их рентгеновскому излучению.
Как же в таком случае быть ученым? Поднять приборы на такую высоту, на которой можно было бы «поймать» это излучение.
Первые рентгеновские источники
Первый космический объект, от которого ученые зарегистрировали рентгеновское излучение, - Солнце. Сделали это в 1949 году при помощи детектора рентгеновского излучения NRL, поднятого на высоту 60 км ракетой ФАУ-2. Общий поток от Солнца на границе атмосферы оказался незначительным, выяснилось, что наша звезда излучает в рентгеновском диапазоне всего одну миллионную долю всей своей энергии.
Фото: Wiki / Испытательный пуск ракеты Фау-2 в США
На протяжении нескольких десятков лет Солнце оставалось единственным известным рентгеновским источником. Но в 1962 году ученые совершили открытие, которые показало, что на небе, кроме нашего светила, есть и другие подобные объекты.
Группа американских исследователей, которую возглавлял физик Риккардо Джаккони, отправила в атмосферу метеорологическую ракету Aerobee 150 c высокочувствительным детектором мягкого рентгеновского излучения. Аппаратура зарегистрировала два мощных источника: Скорпион X-1, который находился в 9000 световых лет от нас в созвездии Скорпиона, и излучение космического рентгеновского фона. Уже в наше время ученые узнали, что излучение космического рентгеновского фона - суммарное излучение сверхмассивных черных дыр, а яркий источник Скорпион X-1 - система из двух звезд, из которых одна нейтронная.
В 1970 году американцы отправили в космос спутник «Ухуру». Аппарат проработал три года и впервые зарегистрировал рентгеновское излучение от далеких галактик и черных дыр.
Рентгеновская астрономия не стояла на месте, а развивалась. Исследователи стали отправлять на орбиту сперва спутники с небольшими рентгеновскими телескопами, а затем и полноценные рентгеновские обсерватории.
Фото: NASA / Юпитер, сфотографированный телескопом Чандра в рентгеновском диапазоне. Снимок обработан
По состоянию на июль 2023 года, в космосе работает 11 рентгеновских космических телескопов. Самый известный из них - «Чандра». Аппарат приносит пользу науке уже 24 года. Среди его открытий новый тип черных дыр, пульсары, нейтронные звезды. Кроме того, с помощью этого аппарата удалось уточнить постоянную Хаббла, доказать существование темной материи. В 2021 году «Чандра» нашла объект, который может быть первой в истории экзопланетой, найденной за пределами Млечного Пути. В скором времени планируется запуск еще нескольких похожих обсерваторий. Ближайший намечен на 26 августа 2023 года.
В скором времени планируется запуск еще нескольких похожих обсерваторий. Ближайший намечен на 26 августа 2023 года. В космос собираются отправить рентгеновский телескопа X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM).
Проект XRISM
Рентгеновская космическая обсерватория XRISM - совместная разработка сразу трех космических агентств: японского JAXA, американского NASA и европейского ESA. Проект разрабатывался с 2017 года, руководить им будут японцы.
По сути, XRISM это приемник другого японского рентгеновского телескопа, Astro-H, который запустили в космос в 2016 году. На орбите Astro-H провел всего два месяца и прекратил работу из-за отказа системы ориентации, никаких ценных данных он собрать не успел.
Диаметр XRISM такой же, как был у Astro-H - 45 сантиметров; XRISM на 100 килограммов легче своего предшественника, его общая масса составляет 2,3 тонны.
Новый телескоп должен решить задачи, которые ставились перед Astro-H. В частности, XRISM будет проводить спектроскопические наблюдения далеких объектов в области мягкого рентгеновского излучения. Займется наблюдениями за звездной и галактической плазмой, измерит ее состав, температуру и скорость движения. Помимо этого, XRISM исследует скопления галактик, черные дыры, изучит химический состав внутригалактической среды.
Что будет исследовать телескоп XRISM
Астрономы называют три основные цели XRISM. Ученые считают, что данные, которые соберет телескоп во время наблюдения за этими объектами, помогут раскрыть некоторые тайны Вселенной.
1. Скопления галактик. Одни из самых больших структур во Вселенной, их диаметр составляет от десятков до сотен миллионов световых лет. Скопления представляют собой гравитационно-связанные между собой галактические системы, в состав таких структур входят тысячи галактик. Помимо самих галактик в скоплениях находится очень горячий ионизированный газ (в основном водород и гелий), разогретый до температур в десятки миллионов градусов Цельсия. При такой высокой температуре газ испускает рентгеновское излучение, которое и будет исследовать XRISM.
Фото: Wiki / Скопление галактик IDCS 1426. Это составное изображения. Оно состоит из снимков, которые делали телескопы, работающие в разных спектрах электромагнитного излучения. Скопление находится в 10 млрд. лет от Земли
Исследуя рентгеновские потоки газов, телескоп определит скорость и энергию межгалактического газа, что в свою очередь, поможет ученым лучше понять, как эволюционируют скопления галактик. Кроме того, аппарат измерит массу этих структур в конкретный период истории Вселенной, что поможет узнать скорость, с которой растут скопления. Исследователи считают, что полученные данные помогут им лучше понять, как вообще в космосе развиваются очень крупные структуры.
2. Химические вещества. При помощи рентгеновских лучей, можно определить химический состав вещества, а значит, узнать, из каких именно веществ состоят космические объекты.
Ученые считают, что в момент Большого Взрыва образовались только легкие химические элементы: водород (H), гелий (He), литий (Li) и бериллий (Be). Чуть позже из этих элементов сформировались первые звезды, в недрах которых начали протекать термоядерные реакции. В ходе таких реакций легкие элементы превращались в более тяжелые, так, например, появились углерод, кислород и железо. Во время «смерти» звезд, то есть взрывов сверхновых, образовались самые тяжелые элементы, такие как уран, плутоний, золото.
Когда звезда взрывается, ее оболочка разлетается, появляется так называемый остаток сверхновой. Этот остаток состоит из выброшенного взрывом звездного материала и межзвездного вещества и представляет собой газопылевое облако. Спустя несколько сотен миллионов лет образуется туманность, внутри которой рождаются новые светила.
XRISM будет определять количество тяжелых элементов в межзвездном газе и в газе галактических скоплений, оставшемся от звезд. На основе полученных данных телескоп составит карту химической эволюции Вселенной.
3. Активные ядра галактик. Телескоп XRISM будет исследовать области интенсивного излучения в центрах галактик, в которых находятся сверхмассивные черные дыры, эти черные дыры в миллионы и миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
Фото: Event Horizon Telescope Collaboration / Фотографии так называемой тени черной дыры в центре галактики M87, сделанная в 2019 году в обсерватории Event Horizon Telescope
Из-за своей колоссальной гравитации черные дыры притягивают материю. Когда материя приближается к горизонту событий - границе, которая как бы закрывает черную дыру от постороннего наблюдателя, вещество материи нагревается до очень высоких температур и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.
Обсерватория XRISM изучит поведение материи у горизонта событий и исследует материал, который вылетает из полюсов черных дыр с огромной скоростью. Иными словами, XRISM попытается объяснить, какое влияние гравитационное притяжение черной дыры оказывает на ее окрестности.
Инструменты XRISM
Научные приборы новой обсерватории - это улучшенный вариант инструментов, которые стояли на Astro-H.
XRISM оборудован двумя научными приборами для исследования в области мягкого рентгеновского излучения - Xtend и Resolve. Для каждого инструмента предусмотрен отдельный телескоп: SXT-I (телескоп мягкого рентгеновского излучения для ПЗС-камер) и SXT-S (телескоп мягкого рентгеновского излучения для спектрометра).
Чтобы вести наблюдения в рентгеновском диапазоне с помощью профильной аппаратуры, необходимо сфокусировать рентгеновский луч в одной точке - в фокусе, такой же принцип действия в оптических телескопах. Однако сфокусировать рентгеновские лучи с помощью линзы и обычного выпуклого зеркала невозможно, потому что рентгеновские фотоны обладают высокой энергией. Если луч падает на зеркало под прямым углом, он пройдет насквозь.
Фото: elementy.ru / Схема рентгеновского телескопа Чандра в разрезе. Рисунок показан для наглядности устройства рентгеновских зеркал
К счастью, эту проблему можно решить. В XRISM используют особые зеркала, которые называют зеркалами косого падения, такие системы обеспечивают очень маленький угол отражения. Зеркальные системы SXT-I и SXT-S собраны из множества параболическо-гиперболических зеркал, встроенных друг в друга, именно они обеспечивают фокусировку рентгеновского луча в одной точке. Кроме того, поверхность этих зеркал покрыта слоями фольги из тяжелого металла - золота, это необходимо, чтобы снизить проницаемость зеркал для рентгена.
Телескопы SXT-I и SXT-S собирают рентгеновские лучи и направляют их на приборы, которые размещены на расстоянии 5,6 метров.
Resolve - рентгеновский спектрометр; совместная разработка NASA и JAXA. Это прибор для измерения энергии рентгеновских фотонов. Спектральное разрешение Resolve в 30 раз выше, чем разрешение обычных рентгеновских спектрометров. С помощью этого инструмента можно будет определить длину волны рентгеновского луча, а значит, точно измерить химический состав наблюдаемого рентгеновского источника.
Принцип работы Resolve очень прост. Когда рентгеновский луч попадает на прибор, энергия рентгеновского фотона преобразуется в тепло. Происходит то же самое, что и при воздействии света на материю - нагревание. Энергию рентгеновского фотона можно узнать по температурным изменениям в детекторе. Однако рентгеновское излучение от небесных источников очень слабое, из-за этого температурные изменения будут незначительными, чтобы такие маленькие колебания зафиксировать, прибор нужно охлаждать до рабочей температуры -273,10°C (почти до абсолютного нуля).
Фото: JAXA / Рентгеновский спектрометр, который стоял на борту телескопа Astro-H. Похожий прибор стоит на телескопе XRISM
Для охлаждения рентгеновского спектрометра будут использовать жидкий гелий. Срок службы прибора рассчитан на 3 года, именно через это время жидкий гелий испариться и не сможет больше охлаждать инструмент.
Resolve сможет проводить измерения в таких диапазонах длин волн рентгеновского излучения, в которых ранее это сделать было невозможно. Ученые считают, что Resolve откроет новую веху в рентгеновской астрономии.
Xtend - второй научный прибор обсерватории XRISM, разработанный JAXA. Это система из четырех рентгеновских ПЗС-камер. С их помощью ученые будут получать изображения рентгеновских источников.
Как и оптические системы, рентгеновская ПЗС-камера собирает рентгеновские лучи от источников и проецирует изображение на плоскости. Работа таких аппаратов не сильно отличается от работы обычной цифровой камеры. Полупроводниковая фотоматрица ПЗС-камеры преобразует рентгеновские лучи в электроны, а затем в электрические сигналы, которые создают окончательное изображение.
Вклад ESA
Основной вклад европейцев в проект XRISM - разработка датчиков:
- датчиков, отвечающих за навигацию обсерватории: при помощи этих приборов телескоп будет менять ориентацию в пространстве и «понимать», куда он «смотрит»;
- двух геомагнитных датчиков, необходимых для измерения магнитного поля Земли;
- трех датчиков крутящего момента, которые будут обеспечивать правильную ориентацию космического корабля относительно магнитного поля Земли.
Помимо этого специалисты Нидерландского института космических исследований и Женевского университета создали для прибора Resolve высоковольтные источники питания и систему для калибровки.
ESA будет выделено 8% времени от общего времени наблюдения XRISM.
Откуда XRISM отправят в космос
Старт миссии XRISM запланирован на 26 августа с пусковой площадки Космического центра Танэгасима. На низкую околоземную орбиту, телескоп выведет японская ракета-носитель H-IIA.
Перигей и апогей орбиты телескопа (ближайшей и наиболее удаленной к Земле точек орбиты) будет находиться на высоте 550 и +/- 50 километров.
Расчетный срок службы XRISM - 3 года.
_____
Информация об авторе блога здесь. Подписывайтесь на наш Telegram, там мы публикуем много научно-популярных постов.
Если вам нравится мой труд, меня всегда можно поддержать «трудовым рублем»: карта Сбера - 5336 6902 0053 5906
Либо по ссылке ниже 👇👇👇