Этапы большого пути орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» от Рашида Сюняева

Преодолевая помехи Луны, Земли и Солнца

В следующем месяце, 13 июля, исполнится год со дня запуска в космос российской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» (или СРГ) с двумя рентгеновскими телескопами на борту: российским АРТ ХС и сделанным в Германии «еРозита» (eRosita).

На иллюстрации ниже приведен один из последних (перед отправкой на Байконур) снимков космической платформы «Навигатор» в сборочных «чистых» залах НПО им. С.А. Лавочкина в Химках под Москвой, с уже установленными на платформе телескопами. Спутник был удивительно красив, хотя его панели с солнечными батареями еще не раскрыты.

Сразу отмечу, что создание телескопов было непростым делом. АРТ ХС (первый в России рентгеновский телескоп с оптикой косого падения) создавался в Институте космических исследований РАН (ИКИ) в Москве и в Российском федеральном ядерном центре в Сарове под научным руководством замдиректора ИКИ дфмн М.Н. Павлинского. Его создание — это серьезный прорыв в нашем научном космическом приборостроении.

Институт внеатмосферной физики Общества имени Макса Планка под Мюнхеном в Германии, имеющий 40-летний опыт создания рентгеновских телескопов косого падения, разработал для СРГ «еРозиту» — лучший в мире прибор своего класса, с очень широким полем зрения и с семью громадными ПЗС-матрицами, чувствительными к мягким рентгеновским лучам. Позиционно-чувствительные детекторы АРТ ХС, разработанные молодыми электронщиками и физиками в лаборатории Василия Левина в ИКИ, чувствительны к более жесткому (коротковолновому) рентгену.

Обсерватория СРГ впервые в истории космических исследований в нашей стране запущена во вторую точку Лагранжа, на расстояние в 1,5 миллиона км от Земли, в три-четыре раза дальше орбиты Луны. В этой точке сравниваются силы притяжения обсерватории к Солнцу и Земле с центробежной силой ее вращения вокруг Солнца.

Яркие и мешающие наблюдениям Луна, Земля и Солнце все время находятся с одной стороны от спутника. И панели пассивного охлаждения, направленные в открытый космос, позволяют все время сбрасывать выделяемую в детекторах энергию и охлаждать их. Это дает возможность телескопам обсерватории наблюдать интересующие нас объекты или сканировать небо по 24 часа в сутки. Спутник совершает один оборот вокруг точки Лагранжа за полгода.

Полет в точку Лагранжа длился более 100 дней. Но калибровки и юстировки телескопов начались уже через несколько десятков дней после запуска, когда инженеры убедились, что внутри телескопов, покрытых слоями теплоизоляции, установился достаточный вакуум, детекторы охладились до температуры минус 85 градусов Цельсия и стало безопасно подавать электропитание на детекторы. Лишь после окончания калибровок астрофизики провели первые длительные наблюдения интересующих их областей на небе.

«Хребет нашей Галактики»

Приведу одно из самых впечатляющих рентгеновских изображений, полученных в ходе первых наблюдений СРГ. Это изображение части так называемого «Хребта Галактики», размером около 20 квадратных градусов на небе.

Выбрал именно его для «Реального времени» среди многих, потому что оно было построено астрофизиком с мировой известностью Маратом Гильфановым, выросшим в Казани и закончившим здесь школу. А ныне он член-корреспондент РАН и почетный член Академии наук Республики Татарстан, ведущий научный сотрудник ИКИ.

Телескоп «еРозита» на борту СРГ зафиксировал в этой области более 1000 рентгеновских источников, среди которых есть как объекты, расположенные в нашей родной Галактике, так и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик и квазарах, находящихся на громадных расстояниях от нас и наблюдаемых «на просвет» сквозь галактику. Среди галактических источников — области активного звездообразования, пульсары — быстро вращающиеся сильно замагниченные нейтронные звезды, остатки вспышек сверхновых, возникающие при гибели звезд, звезды с коронами, намного более активными чем у нашего Солнца.

Голубой и зеленый цвета соответствуют высоким энергиям рентгеновских фотонов: они излучаются газом с температурой в десятки миллионов градусов. А красный цвет соответствует излучению более «холодного газа» с температурой от сотен тысяч до миллиона градусов. Увидеть этот горячий межзвездный газ в других диапазонах энергий излучения невозможно. А он заполняет до 80 или 90% объема диска нашей Галактики.

Рентгеновская карта половины всего неба

Но главной задачей обсерватории является построение самой чувствительной в мире карты всего неба в рентгеновских лучах и создание каталога рентгеновских источников, содержащего данные о природе миллионов неизвестных ранее астрономических объектов. Мы надеемся увидеть первые массивные объекты, возникшие во Вселенной, когда она была в десяток раз моложе, выяснить их свойства, неоднородности в их пространственном распределении, влияние на их рост во времени загадочной «темной энергии».

К вечеру 11 июня для астрофизиков России и Германии, работающих сейчас на удалении от своих рабочих мест, произошло выдающееся событие: телескопы АРТ-ХС и «еРозита» на борту орбитальной обсерватории «Спектр РГ» завершили свой первый обзор всего неба в рентгеновских лучах. На это ушло полгода непрерывного сканирования неба.

На карте половины неба, за обработку и анализ которой отвечают российские астрофизики, задетектировано около полумиллиона рентгеновских источников.

Среди них — более ста тысяч звезд нашей Галактики, сотни тысяч ядер активных галактик и квазаров, излучение которых связано с аккрецией (падением) вещества на сверхмассивные черные дыры и тысячи массивных скоплений галактик, заполненных не только горячим межгалактическим газом, но и «темным веществом», физическая природа которого нам пока неизвестна. Абсолютное большинство этих объектов находится на космологических расстояниях от нас, превышающих миллиарды световых лет.

Когда мы раньше рассказывали о миллионах сверхмассивных черных дыр (с массами в миллионы и даже миллиарды солнечных масс) в наблюдаемой Вселенной, нас часто прерывали, и говорили, что черные дыры увидеть невозможно. Но падение окружающего вещества на эти объекты делает их видимыми.

Невозможно продемонстрировать на этой карте все 500 тысяч внегалактических источников. Лишь самые яркие из них видны на карте как белые точки. Но и их немало.

Большинство из этих объектов наблюдаются впервые. Точные измерения их положений, с точностью порядка нескольких угловых секунд, позволяет нам отождествить заметную часть открываемых объектов с источниками, известными в оптическом, инфракрасном или радиодиапазонах спектра.

На полученной карте неба обращает на себя внимание Северный Полярный Шпур — ярчайшая и самая протяженная в мягких рентгеновских лучах область нашей Галактики. Видны яркие протяженные объекты в области созвездия Лебедя. Хорошо видна и темная полоса, протянувшаяся вдоль и немного выше плоскости нашей Галактики, где поверхностная яркость рентгеновского излучения меньше, чем в других частях карты. Это связано с поглощением мягких рентгеновских лучей газом и пылью в этой части нашей Галактики. Ясно, что данные телескопа СРГ/«еРозита» позволят нам уточнить количество атомарного и молекулярного газа и пыли в различных направлениях на небе.

Ученые ИКИ РАН в удаленном режиме ведут обработку научных данных на мощных компьютерах в центре данных проекта. Карту на противоположной половине неба строят немецкие ученые. Вместе две эти «половинки» покрывают всю небесную сферу.

Проекция картографа Аитова

Договорились с немецкими коллегами, что пора объединить две «половинки» карты, совместно составить и показать всему миру рентгеновскую карту всего неба по данным спутника СРГ. Немецкие ученые предложили, чтобы она была сделана в Aitoff projection (проекции Аитова). Ее придумал в 1889 году известный картограф Аитов (1854, Оренбург — 1933, Париж), татарин, составивший и издавший немало карт, в том числе первую этнографическую карту населения Российской империи на базе знаменитой переписи населения 1897 года.

На создание и согласование первого варианта новой (впечатляюще красивой) рентгеновской карты всего неба в проекции Аитова ушло немало времени. Надеемся скоро завершить работу над ней и опубликовать пресс-релизы с ней одновременно в России и Германии в течение недели.

Кстати, мой коллега академик Евгений Чуразов, узнав, что я никогда не слышал об Аитове, прислал мне ссылки на статьи о нем в русскоязычной и немецкой Википедиях. Забавно читать: приводятся воспоминания об Аитове народовольца, а затем монархиста Льва Тихомирова. Сам Давид (видимо, Дауд при рождении) Аитов учился в Михайловском артиллерийском училище в Санкт-Петербурге, где преподавание математики было поставлено на высоком уровне, но с марта 1874 года примкнул к движению «хождения в народ». Был арестован и затем эмигрировал во Францию, где стал видным картографом. Обращает на себя внимание тот факт, что его отец получил от царя дворянство, как и дед В.И. Ленина.

В СССР метод Аитова построения карт Земли широко использовался, но носил название модифицированной азимутальной проекции по вполне понятным причинам. Вклад Аитова в картографию заслуживает того, чтобы статья о нем была включена в Википедию на татарском языке, а о нем и его судьбе узнали в Институте татарской энциклопедии и регионоведения АН РТ в Казани.

Радостные и трагические моменты в истории проекта «Спектр-РГ»

В 1987 году исполнилось 30 лет со знаменательного дня вывода на орбиту первого искусственного спутника Земли. В связи с этим Центральный комитет КПСС рекомендовал АН СССР провести международную конференцию по космическим исследованиям и огласить возможность создания масштабных космических проектов с широким международным участием. Конечно, на это решение повлиял грандиозный успех проекта «Вега» с полетом к Венере и комете Галлея под научным руководством академика Роальда Сагдеева, директора ИКИ в то время. За этот успех многие его участники получили высокие награды, а сам Р.З. Сагдеев получил звезду Героя Социалистического труда.

Наш отдел астрофизики высоких энергий ИКИ предложил проект высокоапогейной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» для детального исследования физических свойств черных дыр и нейтронных звезд. Этот проект поддержали более 20 видных членов Академии Наук СССР — физики-ядерщики, специалисты в области физики нейтрино, космических лучей, физики плазмы, спектроскопии высокоионизованных ионов, астрофизики-теоретики, космологи.

Громадную роль сыграла поддержка крупнейших физиков, трижды Героев Социалистического труда академиков Я.Б. Зельдовича и А.Д. Сахарова, известных своим вкладом в создание ядерного щита страны. Сыграл свою роль и заметный успех предыдущего проекта отдела: обсерватории «Рентген» на модуле «Квант» комплекса космической станции «Мир», а также успешная работа с космической промышленностью по проектам «Гранат» и «Интеграл».

Конференция одобрила обращение к правительству СССР с поддержкой двух астрофизических обсерваторий «Радиоастрон» и «Спектр-РГ» и рекомендовала широкое международное участие в проекте ведущих индустриальных стран мира.

Вскоре к проекту СРГ присоединились Дания, Великобритания, Германия, Италия, США, Израиль и Турция. Предполагалось установить на спутнике наряду с приборами ИКИ и ОКБ ИКИ во Фрунзе детекторы космических гамма-всплесков группы членкора Е.П. Мазеца из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе в Ленинграде. За создание спутника отвечало НПО имени Лавочкина под руководством членкора РАН генерального конструктора В.М. Ковтуненко. Работы шли достаточно интенсивно, многие телескопы и приборы были готовы к запуску.

К сожалению, к середине 1990-х годов работы по проекту в СССР сильно замедлились, а в 2002 году проект был закрыт. Руководитель Роскосмоса объяснил мне тогда, что он понимает важность проекта, но страна стала в два раза меньше, и ученые должны понимать, что и проектов должно стать меньше, и планы должны быть не такими грандиозными. С другой стороны, он пообещал (и сдержал слово), что оставит строчку в бюджете, но без финансирования.

Это было страшным ударом по всем, кто считал проект делом своей жизни. Многие способные люди ушли из науки в бизнес, часть эмигрировала. И это понятно, людям надо было обеспечивать семьи, растить детей.

Больно было слышать, что модификация одного из главных инструментов «старого» СРГ JET-X (Объединенный европейский рентгеновский телескоп) была установлена на американском спутнике «Свифт». Но этот прибор под названием XRT уже 16 лет успешно работает в космосе, и это очень хорошо, что труд его создателей не пропал зря. Модификация датских рентгеновских детекторов, разработанных для нашего спутника, уже более 17 лет работает на Европейском спутнике «Интеграл», и молодые сотрудники нашего отдела в ИКИ активно используют их данные. Но каждый раз сильно расстраиваюсь, когда вижу в углах сборочных цехов НПО им. Лавочкина макеты и крупномасштабные детали телескопов «старого» СРГ.

Единственное действительно положительное воспоминание того времени — это история борьбы, чтобы оптический полутораметровый телескоп, созданный по очень старому заказу астрономов Казанского университета в ЛОМО (Ленинградском оптико-механическом объединении), не был сдан в металлолом, а включен в программу наземной поддержки проекта СРГ и установлен в Турции в 50 км от Антальи на горе Бакырлытепе, на высоте в 2500 м. Этот, можно сказать, подвиг стал возможен благодаря поддержке и колоссальным усилиям академика АН РТ Наиля Сахибуллина, дфмн М.Н. Павлинского из ИКИ, и, что очень важно, проф. Али Альпара, астрофизика с мировым именем из Средне-Восточного технического университета в Анкаре. Сейчас этот телескоп вместе с полутораметровым телескопом в Саянах на границе с Монголией играют важнейшую роль в определении красных смещений квазаров. Уже есть рекорд — один из открытых СРГ квазаров имеет красное смещение z=4.19, т.е. все наблюдаемые линии в его спектре смещены в 5,19 раза. Это открытие сделала группа профессора КФУ Ильфана Бикмаева, членa-корреспондента АН РТ.

Тем не менее уже в конце 1990-х наша группа стала продумывать проект более скромной (по массе и размерам), но вполне амбициозной обсерватории, научные цели которой сильно сдвигались в сторону современной космологии и внегалактической астрофизики. В 2003 году эта программа была утверждена Советом по Космосу РАН и поддержана Роскосмосом (очень помогла та самая «строчка в бюджете»).

Мы предполагали сменить название проекта (так как на спутнике не осталось приборов, чувствительных в гамма-диапазоне спектра), но мне сразу сказали: тогда забудь о строчке в бюджете Агентства и вставай в конец очереди. И снова началась тяжелейшая работа по подбору кооперации, созданию приборов, их испытаниям, калибровкам, моделированию реальной науки.

Не буду рассказывать здесь, как шла работа по проекту, как к нему присоединились ученые Германии, долго не соглашавшиеся создавать телескоп, способный «увидеть» все (!) сто тысяч скоплений галактик, которые в принципе возможно наблюдать в расширяющейся Вселенной из-за наличия у нее горизонта. А именно такую задачу мы ставили и ставим перед своей рентгеновской обсерваторией.

А молодежь, стремящаяся в науку, должна понимать, что пути в ней не всегда усыпаны «розами» в виде результатов, а требуют интенсивного и постоянного труда и непрерывной учебы в течении десятков лет (больше 30 лет в нашем случае). Впрочем, то же самое часто имеет место в любом большом и интересном деле. Надо параллельно все время стараться делать что-нибудь другое. То, что реально завершить за несколько месяцев или лет и что позволит вам сохранить активность, квалификацию и получать новые результаты.

Планы Обсерватории СРГ на ближайшие три с половиной года

Первая же карта неба в рентгеновских лучах телескопа СРГ/«еРозита» превысила по чувствительности, угловому разрешения и числу наблюдаемых источников карту знаменитого германского спутника «Росат» (ROSAT), которая в течение 30 лет была лучшей в мире.

Телескопы обсерватории «Спектр-РГ» продолжают работу. Планируется, что через несколько дней она начнет второй обзор неба. Ожидается, что этот процесс продлится до конца года. Сумма данных двух обзоров позволит более чем вдвое увеличить чувствительность рентгеновских карт, а их сравнение позволит исследовать переменность источников и находить новые уникальные объекты на небе.

Всего планируется получить восемь таких карт. На это уйдет еще три с половиной года. Суммарная карта будет примерно в 10 раз (!) чувствительнее первой. Тогда появится уверенность, что наши карты и каталоги источников будут использоваться астрофизиками и космологами всех стран мира как минимум следующие 20 лет, пока не появятся более совершенные рентгеновские телескопы, и одно из космических агентств не решит, что пора делать новую, еще более чувствительную карту рентгеновского неба.

Предприятия Роскосмоса ведут управление спутником. 70- и 64-метровые антенны центров дальней космической связи России в Уссурийске и Медвежьих Озерах, а также антенна на Байконуре ежедневно осуществляют прием научных данных и посылают команды на спутник и научные приборы. Сотни астрономов глубоко благодарны многим десяткам специалистов, обеспечивающим даже во время пандемии непрерывный поток интереснейших данных с орбитальной обсерватории СРГ.