Российский телескоп построил самую детальную карту звездного неба

Созданный российскими учеными рентгеновский зеркальный телескоп ART-XC построил самую детальную карту Вселенной в жестких рентгеновских лучах. О сути проекта, удостоенного премии правительства РФ, рассказывает Александр Лутовинов, заместитель директора Института космических исследований РАН, научный руководитель телескопа ART-XC, член-корреспондент РАН.

Сегодня древняя наука астрономия переживает второе рождение. В ее арсенале появились самые разные виды телескопов, которые просканировали космос вдоль и поперек, заглянули в самое детство Вселенной, открыли новые галактики, множество черных дыр, нейтронных звезд и других экзотических космических объектов. Что нового добавляет в эту картину Вселенной ваш телескоп?

Александр Лутовинов: Если в двух словах, то цель, к которой мы стремились, - построить самую детальную карту Вселенной в рентгеновских лучах, на которую способна современная техника. С начала 70-х годов разные страны запускали на орбиты различные инструменты, постоянно улучшая технологии, получая все более совершенные и подробные карты рентгеновского неба. Но ученым, как говорится, всегда мало, хочется заглянуть еще дальше, увидеть невидимое.

А почему ученые решили, что остались "белые пятна"? Вроде рентген основательно просвечивает Вселенную? Видит, к примеру, как рождаются галактики. Куда же глубже?

Александр Лутовинов: Дело в том, что рентген бывает разный. К началу 90-х была получена карта Вселенной с помощью немецкого телескопа РОСАТ, который работал в "мягком" диапазоне энергией (0,3-2,4 кэВ). Но в космосе есть немало объектов, которые могут быть окружены достаточно толстым слоем пыли или газа. Они поглощают "мягкий" рентген, а значит, многие объекты оказываются скрыты за этой завесой и мы их не видим. Зато для рентгена более высоких энергий, "жесткого" (4-30 кэВ), в котором работает телескоп ART-XC, такая завеса не преграда.

И невидимки на карте Вселенной проявляются, она пополняется новыми объектами?

Александр Лутовинов: Совершенно верно. В начале 2000-х годов появились обсерватории, которые работали в "жестком" рентгене, например "Интеграл" и "Свифт". За 20 лет они построили достаточно подробные карты всего неба, зарегистрировали примерно 1200 объектов, значительная часть которых оказалась новыми рентгеновскими источниками. Это очень серьезное достижение, но как у любой техники, наряду с очевидными плюсами, например, широким полем зрения, есть и минусы - не очень высокая чувствительность и недостаточное угловое разрешение. Это снижало возможности поиска, устанавливало некий предел, за который эти телескопы не могут проникнуть, а потому некоторые уголки Вселенной остаются невидимыми.

Понимая причины этих минусов, сотрудник нашего института, доктор физико-математических наук Михаил Николаевич Павлинский предложил принципиально другую конструкцию телескопа. Он был идеологом и руководителем проекта. К сожалению, несколько лет назад он ушел из жизни, но успел увидеть первые прорывные результаты, который получил телескоп ART-XC, названный затем его именем.

Установленный на обсерватории "Спектр-РГ" телескоп всего за два года работы обнаружил более 1500 космических объектов! Уже больше, чем уже упомянутые выше "Интеграл" и "Свифт" за десятилетия.

За счет чего удалось совершить такой прорыв?

Александр Лутовинов: Прежде всего, он работает по другому принципу - это телескоп с рентгеновскими зеркалами, так называемого скользящего падения. За счет такой конструкции у него по сравнению с другими телескопами гораздо выше чувствительность и угловое разрешение. Поэтому он может разглядеть то, что остальные вообще не видят. В качестве регистрирующих элементов используются высокочувствительные полупроводниковые детекторы на основе теллурида кадмия, разработанные в ИКИ РАН под руководством Василия Левина, одного из лауреатов премии. Такие детекторы были впервые созданы в нашей стране.

Еще один ключевой момент для всей астрономической техники - поле зрения приборов. Так вот, ART-XC - это единственный в мире зеркальный рентгеновский телескоп "жесткого" диапазона, у которого поле зрения в разы больше, чем у других. Оно получено, в том числе, за счет оригинальной конфигурации зеркал. Такая комбинация высокой чувствительности и широкого поля зрения позволяет ему делать обзоры и значительных участков, и всего неба с недостижимой ранее детализацией. Все остальные зеркальные рентгеновские телескопы имеют узкие поля зрения и могут проводить наблюдения только отдельных участков.

И третий наш плюс - платформа "Навигатор", на которой установлены инструменты обсерватории. Эту уникальную конструкцию разработали и сделали в АО "НПО имени Лавочкина".

Платформа? А что в ней такого уникального?

Александр Лутовинов: В успехе нашего проекта платформа играет не менее важную роль, чем сам телескоп. Тут надо пояснить, как работают все космические обсерватории. Они ведут наблюдения в режиме так называемой трехосной стабилизации. Выбрали участок или объект исследования, навели на него телескоп, стабилизировали и начинаете наблюдение. Затем переходите на участок. Если вам нужно изучать крупные площади неба, то ведете наблюдение, говоря попросту, "скачками". И чтобы получить общую картину, вам надо потом связать эти фрагменты. И тут начинаются серьезные проблемы с обработкой данных. В общую картину могут быть внесены искажения, и она получается неоднородной.

А платформа "Навигатор" может не только смотреть в нужную точку, но и проводить обзор всего неба, непрерывно вращаясь вокруг своей оси, а также работать в режиме сканирования значительных по площади участков неба. Вам не надо "сшивать" отдельные картинки, собирать пазл, вы сразу получаете практически однородную экспозицию по всему полю, что позволяет в деталях изучать, например, морфологию протяженных объектов, регистрировать какие-то очень слабые источники.

На создание телескопа ART-XC потребовалось целых 9 лет. Такой срок скорей всего связан с тем, что он попал на период наших проблем с наукой, с промышленностью?

Александр Лутовинов: Конечно, трудности и задержки были, планировали сделать его быстрее. Но на самом деле для телескопа 9 лет не так много. Скажем, обсерваторию "Джеймс Уэбб" американцы и европейцы создавали около 20 лет. Вообще астрономические инструменты, предназначенные для работы в космосе, считаются одними из самых сложных инструментов, к ним предъявляются очень высокие требования, при создании приходится не раз пересматривать какие-то решения, находить новые.

В нашей работе участвовали несколько российских организаций. Важнейшую роль, наряду с АО "НПО Лавочкина", сыграл Российский федеральный ядерный центр в Сарове, несколько сотрудников которого также стали лауреатами премии. Там не только освоили чрезвычайно сложную технологию рентгеновской металлооптики, которой не было в нашей стране, сделали рентгеновские зеркальные системы, но и собрали сам телескоп из множества отдельных элементов - корпусов, зеркал, детекторов, датчиков и многого другого. Эта работа требовала, с одной стороны, ювелирной точности - ведь необходимо "свести" зеркальные системы с детекторами, чтобы обеспечить точную фокусировку, затем сьюстировать все модули телескопа (а их 7) так, чтобы они "смотрели" в одну точку на небе. А с другой стороны, вся конструкция должна обладать высокой жесткостью и надежностью, чтобы при запуске, при огромных перегрузках что-то не отвалилось, не перекосилось и т.д. И наши коллеги великолепно справились с этой работой.

Итак, этот единственный в своем роде инструмент составил самую детальную на сегодня карту Вселенной, "увидел" сотни неизвестных ранее объектов. Что вы особо могли бы выделить?

Александр Лутовинов: Многие источники, действительно, уникальны. Например, недавно мы обнаружили новый, очень редкий объект - аккрецирующий миллисекундный пульсар. Эта нейтронная звезда очень маленькая (шарик размером примерно 12 км) и одновременно очень тяжелая, весит полторы массы Солнца. Но самое удивительное, что она делает в секунду - трудно даже себе представить - 448 оборотов!

Другой интересный объект - это обнаруженный в нашей галактике микроквазар. Вначале от него шел слабенький сигнал, который смог зарегистрировать наш телескоп, а потом совершенно неожиданно он усилился в тысячу раз! И тут уже на него нацелились практически все космические и наземные обсерватории. В итоге удалось определить, что это "черная дыра". Причем она продолжает светить и сейчас, как в радиодиапазоне, так и в инфракрасном, видимом и даже в гамма-лучах. Всё это говорит о том, что в нашей галактике находится очень необычный объект, который до этого просто никто не видел.

Или еще пример, совсем уж неожиданный. В октябре 2022 года на небе произошел самый яркий за всю историю наблюдений гамма-всплеск. Он был настолько мощный, что специальные приборы, которые предназначены для поиска и наблюдений таких событий, просто "захлебнулись" от количества информации. Нам же удалось зарегистрировать это событие сквозь боковую защиту, поэтому оно пришло к нам ослабленным. Это позволило, совместно с данными другого российского инструмента Конус-Wind, впервые измерить его "энергетику". Она огромная - в пике более чем на 20 (!!!) порядков ярче, чем Солнце.

На что этот уникальный телескоп нацелен сейчас?

Александр Лутовинов: В настоящий момент он продолжает обзор всего неба. По плану мы должны сделать восемь таких обзоров, что позволит кратно увеличить число регистрируемых объектов, открыть множество новых. Ориентировочно в начале 2026 года обсерватория перейдет к исследованиям отдельных объектов или наиболее интересных областей неба. В ИКИ РАН состоится традиционная конференция по астрофизике высоких энергий, приедет много коллег из обсерваторий и астрономических институтов, университетов страны, с которыми обсудим задачи и программу наблюдений на будущий период.

Есть ли какие-то планы по дальнейшему развитию рентгеновской астрономии в России?

Александр Лутовинов: Мы продолжаем развивать технологии, разрабатывать новые инструменты. Сейчас сосредоточены на новом проекте, в котором не только будем изучать нейтронные звезды и "черные дыры", но решать вполне практические задачи по отработке элементов системы рентгеновской навигации космических аппаратов. Также в планах создание крупной обсерватории нового поколения, включающей рентгеновские и гамма-телескопы.