Рентгеновские лучи - диапазон электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 10 нм, промежуточный между ультрафиолетовым диапазоном и гамма-лучами. Поскольку
фотоны этого диапазона обладают большой энергией, они характеризуются высокой ионизирующей и проницающей способностью, что определяет сферу их практического использования.
Эти же свойства делают их очень опасными для живых организмов. От рентгеновских лучей, приходящих из космоса, нас защищает земная атмосфера. Однако с точки зрения астрономов они
представляют особый интерес, поскольку несут важную информацию о веществе, разогретом до сверхвысоких температур (порядка миллионов кельвинов), и процессах, ведущих к
такому разогреву.
Как и в случае с УФ-диапазоном, первые попытки сфотографировать небесную сферу в рентгеновском спектре были сделаны оборудованием, установленным на высотных геофизических
ракетах. Главная проблема здесь заключалась в том, что 'обычные' методы фокусировки - с помощью линз или вогнутых зеркал - для высокоэнергетических лучей неприемлемы,
поэтому приходится применять сложную технологию 'скользящего падения'. Такие фокусирующие системы имеют значительно большие массы и габариты, чем оптические инструменты,
и должны были появиться достаточно мощные ракеты-носители, чтобы рентгеновские телескопы наконец-то вышли на околоземные орбиты.
Первой такой удачной попыткой стал американский спутник Uhuru (Explorer 42), проработавший с 1970 по 1973 г. Заслуживают упоминания также первый голландский космический
аппарат ANS (Astronomical Netherlands Satellite), запущенный в августе 1974 г., и две космических обсерватории НЕАО (NASA) - вторая из них, выведенная на орбиту 13 ноября 1978
г., получила имя Альберта Эйнштейна. Япония 21 февраля 1979 г. запустила аппарат 'Хакучо' (CORSA-b), наблюдавший 'рентгеновское небо' до 1985 г. Свыше восьми лет -
с 1993 до 2001 г. - функционировал второй японский высокоэнергетический телескоп ASCA (ASTRO-D). Европейское космическое агентство 'отметилось' в этом направлении
спутниками EXOSAT (European X-ray Observatory Satellite, 1983-1986) и BeppoSAX (1996-2003). В начале 2012 г. прекращена эксплуатация одного из 'космических долгожителей' -
орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer, запущенного 30 декабря 1995 г.
Третий из 'Большой четверки'
Рентгеновский телескоп Chandra, доставленный на орбиту 23 июля 1999 г. на борту многоразового корабля Columbia (миссия STS-93), стал третьей из четырех больших обсерваторий NASA,
запущенных в период с 1990 по 2003 г. Название он получил в честь американского физика и астрофизика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара.
|
|
|
Это изображение центральных областей Млечного Пути получено путем совмещения снимков, сделанных рентгеновским телескопом Chandra, инфракрасным телескопом Spitzer
и орбитальной обсерваторией Hubble (видимый диапазон).
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Геоцентрическая орбита с высотой апогея 139 тыс. км и перигеем около 16 тыс. км позволяет проводить непрерывные сеансы наблюдений продолжительностью до 55 часов, что
существенно больше по сравнению с аналогичным показателем для низкоорбитальных спутников Земли. Выбор орбиты связан также с тем, что рентгеновское излучение заметно
поглощается даже разреженными газами, содержащимися в самых верхних слоях земной атмосферы - на высотах, где работает большинство искусственных спутников. Период обращения
составляет 64,2 часа, причем 85% этого времени Chandra проводит вне пределов радиационных поясов Земли. Недостатком такой орбиты является, в частности, невозможность отправки
к телескопу ремонтной бригады (как это неоднократно делалось в случае обсерватории Hubble).
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА ЧАНДРА
> Масса: 4620 кг
> Длина: 18 м
> Апертура: 120 см
> Фокусное расстояние: 10 м
> Собирающая площадь зеркал: 1100 см2
> Область спектральной чувствительности: 0,12-12,5 нм (0,1-10 кэВ)
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ:
> Исследование черных дыр в центрах галактик
> Поиск и изучение сверхмассивных черных дыр, процессов их образования, эволюции, возможного слияния
> Наблюдение ядер активных галактик, окрестностей сверхмассивных черных дыр
> Изучение нейтронных звезд, рентгеновских пульсаров, остатков сверхновых
> Регистрация рентгеновского излучения тел Солнечной системы
> Изучение областей активного звездообразования, процессов формирования и эволюции скоплений галактик.
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Рентгеновский телескоп имеет довольно узкую специализацию. Он предназначен для наблюдений излучения очень горячих объектов Вселенной - таких, как взрывающиеся звезды,
галактические кластеры, вещество в окрестностях черных дыр. Однако он может регистрировать и высокоэнергетическое излучение, возникающее тем или иным образом в атмосферах
и на поверхностях различных тел Солнечной системы.
Первоначально планировалось, что Chandra проработает в космосе 5 лет, но с учетом хорошего состояния бортовых систем его эксплуатация уже несколько раз продлевалась
(последний раз - в 2012 г.).
Первое наблюдение телескопа
Галактические остатки вспышек сверхновых являются источником ценнейшей информации о Вселенной, свидетельством чему могут быть результаты анализа наблюдений телескопа
Chandra. В частности, с его помощью была детализирована структура остатка Кассиопея А, создана карта всех входящих и исходящих потоков вещества и ударных волн,
пространственно разделены истечения межзвездной и околозвездной материи до момента взрыва Сверхновой, локализованы области ускорения космических лучей. Не менее
важными результатом стала надежная регистрация сильных широких линий излучения остатка в режиме спектроскопии сверхвысокого пространственного разрешения и картирование
распределения элементов от углерода до железа в выбросах вещества. Определенный из этих наблюдений возраст остатка равен примерно 140 годам, что почти совпадает с оценками,
сделанными другими методами. Сравнение возрастов и линейных размеров остатков других сверхновых продемонстрировало способность телескопа Chandra измерять скорость их
радиального расширения практически в микромасштабах: например, за 22 года размер остатка Сверхновой SN 1987А в Большом Магеллановом Облаке6 изменился всего лишь на 4 угловых секунды.
|
Изображение остатка Сверхновой Кассиопея А в условных цветах, соответствующих различным энергетическим диапазонам: красный - 0,5-1,5 кэВ, зеленый - 1,5-2,5 кэВ, голубой - 4-6 кэВ.
Снимки тедлескопа Chandra показывают невиданные ранее детали структуры остатка, включая тор, джеты, протяженную центральную компактную туманность, созданную потоками заряженных
частиц от пульсара, и сам пульсар в Центре туманности.
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Туманность, 'подпитываемая' пульсаром
Многие астрономы отмечают, что одним из наиболее впечатляющих достоинств телескопа Chandra является его способность исследовать тонкую структуру так называемых плерионов
(Pulsar Wind Nebulae - PWN) -
туманностей, 'подпитываемых' веществом пульсара, особенностью которых являются чрезвычайно малые размеры - порядка нескольких угловых секунд.
Особенно преуспел Chandra в изучении такого объекта в созвездии Паруса - пульсара Vela. На данный момент это наиболее исследованный плерион.
|
Плерион пульсара Vela.
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Снимок компактной
туманности вокруг пульсара в созвездии Паруса, сделанный телескопом Chandra, демонстрирует интересную структуру, состоящую из двух дугообразных ударных волн.
Они образовались при столкновении облака газа, окружающего пульсар, с веществом
туманности при его движении сквозь нее. Джеты, испускаемые пульсаром, видны как яркие прямые
отрезки, перпендикулярные дугам. Их направление практически совпадает с направлением движения сверхплотного объекта. Считается, что они возникают благодаря его вращению, а
также взаимодействию вещества с мощными электрическими и магнитными полями в его окрестностях.
|
Изменения формы и яркости джетов.
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Повторное фотографирование пульсара Vela рентгеновской обсерваторией Chandra выявило заметные изменения формы и яркости джетов на сравнительно коротких отрезках времени.
Здесь представлено четыре из 13 его изображений, полученных на протяжении двух с половиной лет. Длина джетов достигает половины светового года (около 5 трлн км), а их ширина остается
практически постоянной на всем протяжении и не превышает 200 млрд км, что можно объяснить наличием в них 'удерживающего' магнитного поля. Скорость выбрасываемого пульсаром вещества
равна почти половине скорости света. В таких релятивистских потоках заряженных частиц должны возникать нестабильности, уже наблюдавшиеся в экспериментах на специальных ускорителях.
Теперь их удалось зарегистрировать на примере реального астрофизического объекта. Рентгеновское излучение в данном случае возникает при взаимодействии сверхбыстрых электронов и
позитронов с магнитными силовыми линиями.
Похожую нестабильность ученые ожидают обнаружить у джетов, испускаемых сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, однако ее временной масштаб должен быть гораздо большим
(порядка сотен и тысяч лет).
Крабовидная
туманность (Ml) - остаток одной из ярчайших вспышек Сверхновой в истории человечества, наблюдавшейся в 1054 г. Информация о ней содержится в японских, китайских, а
также некоторых арабских хрониках.
ТОП-10 НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ЧАНДРА
|
1. Молодые солнцеподобные звезды. Длительные наблюдения звездных скоплений в Туманности Ориона (М42) показали, что молодые звезды солнечных масс, имеющие возраст
от 1 до 10 млн лет, демонстрируют крупномасштабную вспышечную активность, особенно заметную в рентгеновском диапазоне, при этом частота вспышек и их энергетика почти на порядок
превосходит процессы подобного рода, наблюдающиеся на нашем Солнце, возраст которого близок к 4,6 млрд лет. Это может существенно влиять на формирование планет и зон
обитаемости вокруг таких звезд.
2. Сверхновые и остатки сверхновых. Изображения и спектры сверхновых, полученные телескопом Chandra, позволили изучить динамику ударных волн, генерируемых
взрывами массивных звезд а также механизмы ускорения электронов и протонов до околосвето-вых скоростей, определить количество и распределение тяжелых элементов, образующихся
при вспышках, и исследовать механизмы самих вспышек.
3. Кольца вокруг пульсаров и джеты. Полученные телескопом Chandra изображения Крабовидной туманности и других остатков сверхновых демонстрируют изумительной красоты
кольца и джеты - выбросы высокоэнергетических частиц, испускаемых быстровращающимися нейтронными звездами. Это свидетельствует о том, что они могут служить мощными
генераторами таких частиц.
4. Черные дыры звездных масс. Открытие двух черных дыр (ЧД), массы которых превышают 15 масс Солнца, послужило отправным пунктом для пересмотра представлений о
возможных механизмах их эволюции.
5. Стрелец А* - черная дыра в центре Млечного пути. Телескоп Chandra измерил энергетический выход и темпы уменьшения количества вещества в радиоисточнике
Sagittarius А* - сверхмассивной черной дыре, расположенной в центре нашей Галактики (в направлении созвездия Стрельца). Эти данные позволили астрономам сделать вывод,
что современный низкий уровень ее активности не является прямым следствием отсутствия запасов 'топлива' в ее окрестностях.
6. Двойные черные дыры. В одной галактике Chandra открыл две сверхмассивных черных дыры, которые, по расчетам, вскоре сольются. Не исключено, что именно таким
образом растут ЧД в центрах галактик.
7. Черные дыры, выбрасывающие вещество. Полученные телескопом Chandra изображения скоплении галактик предоставляют наблюдателям драматические свидетельства
долговременной повторяющейся взрывной активности, связанной с вращающимися сверхмассивными ЧД. Эта активность имеет следствием высокоэффективную конверсию гравитационной
энергии выпадающего на ЧД вещества в потоки высокоэнергетических частиц. Таким образом, черные дыры из 'поглотителей' становятся мощными источниками энергии, за счет
чего играют ключевую роль в эволюции массивных галактик.
8. 'Перепись' черных дыр. При обработке результатов наблюдений в рамках программы Chandra Deep Field были открыты сотни сверхмассивных ЧД, аккреционные диски в
окрестностях которых при вращении испускают рентгеновские лучи. Существованием этих источников можно объяснить практически все диффузное рентгеновское 'сияние' неба,
обнаруженное более 40 лет назад и лишь в наши дни получившее адекватное объяснение. 'Перепись' сверхмассивных ЧД дает представление о времени формирования этих
объектов и об их эволюции. Специалисты также говорят о возможном открытии так называемых 'черных дыр промежуточных масс' - фактически новой категории объектов этого класса.
9. Темная материя. Результаты наблюдений скопления 'Пуля' и ряда других галактических скоплений, проведенных телескопом Chandra совместно с несколькими
оптическими телескопами, стали бесспорным доказательством того, что большая часть вещества во Вселенной пребывает в форме темной материи. Ее наличие проявляется
посредством гравитационного воздействия на 'нормальную' материю - электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят 'привычные' атомы. Однако прямое детектирование
этой компоненты мироздания не представляется возможным (по крайней мере, в наше время). Проведенные обзорные исследования многих скоплений галактик подтвердили,
что Вселенная содержит в пять раз больше темной материи, нежели 'обычной'.
10. Темная энергия. Полученные телескопом Chandra наблюдательные данные о скорости роста скоплений галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется -
главным образом по причине преобладания в пространстве субстанции, получившей название 'темная энергия'. Это независимое подтверждение открытия, сделанного благодаря
анализу оптических наблюдений удаленных сверхновых, исключает любые альтернативы Общей Теории Относительности и ужесточает ограничения на природу темной энергии.
Из других научных достижений наиболее успешного рентгеновского телескопа необходимо отметить проведение детальных спектральных исследований активности сверхмассивных
черных дыр в центрах галактик (в том числе обнаружение сверхмассивных ЧД вдвое более активных по сравнению с более ранними оценками), новые данные о процессах
формирования скоплений галактик и их эволюции, а также создание общего каталога Chandra Source Catalog (CSC), содержащего свыше 250 тыс. рентгеновских источников
на 1% общей площади неба и использующего данные 10 тыс. отдельных наблюдений множества источников различных типов (звезд в непосредственной близости к центру Млечного
Пути, галактических и внегалактических рентгеновских двойных, ядер активных галактик и пр.).
|
ТОП-10 НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ЧАНДРА
|
Через 900 с лишним лет после вспышки яркой Сверхновой в созвездии Тельца на ее месте видна расширяющаяся газовая
туманность, в центре которой находится сверхплотная нейтронная
звезда - пульсар. Он продолжает излучать энергию и испускать потоки высокоэнергетических частиц. Несмотря на то, что увидеть его можно только в большие телескопы, суммарное
энерговыделение этого объекта в 100 тыс. раз превосходит мощность излучения Солнца.
Высокоэнергетические электроны, испускающие рентгеновские лучи, теряют энергию быстрее и не успевают 'отлететь' далеко от центра
туманности, откуда они были выброшены, поэтому
видимый размер области излучающей в более длинноволновом диапазоне, значительно больше плериона, сфотографированного телескопом Chandra.
|
Крабовидная туманность - расширяющееся газовое облако поперечником около б световых лет, возникшее на месте взорвавшейся массивной звезды. Это одно из наибольших
по площади мозаичных изображений, составленных из снимков телескопа Hubble.
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
|
На этом составном изображении голубым цветом нанесены результаты съемки Крабовидной туманности рентгеновским телескопом Chandra, красным и желтым - данные, полученные
орбитальной обсерваторией Hubble, пурпурным -космическим телескопом Spitzer (средний инфракрасный диапазон).
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
|
Плерион пульсара в Крабовидной туманности. Изображение составлено из снимков в рентгеновском (показан условным голубым цветом) и видимом диапазоне (красный цвет).
|
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
|
Мониторинг Крабовидной
туманности наземными и космическими инструментами ведется практически постоянно, за исключением периодов времени, когда недалеко от нее на небе
находится Солнце. Этот объект без преувеличения можно назвать одной из самых изученных небесных 'достопримечательностей'.