На международной конференции «Рубежи нелинейной физики-2019» ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН, член-корреспондент РАН Евгений Чуразов рассказал о развитии рентгеновской астрономии и отечественной обсерватории «Спектр-РГ», запусккоторой состоялся 13 июля.
— Мы с вами сегодня участвуем в конференции, посвященной нелинейной физике. Астрофизические процессы тоже нелинейны?
— Физические законы везде одинаковы. Линейная теория очень важна и позволяет многое понять без сложных расчетов, но нелинейная физика гораздо богаче и разнообразнее. Астрофизика предоставляет широкий диапазон параметров для изучения самых больших плотностей, самых больших температур, самых больших гравитационных полей. Поэтому в этом смысле астрофизика – это настоящая лаборатория, существующая сама по себе. С ее помощью мы можем исследовать самые экстремальные физические состояния, а затем применять полученные данные для уточнения привычной физики, с которой мы встречаемся на Земле.
Главная трудность заключается в том, что нужны приборы, которые способны исследовать астрофизические объекты в различных диапазонах длин волн.
— Меня всегда удивляло то, что в астрофизике нельзя ни с чем повзаимодействовать и нужно полагаться только на приборы.
— Я ведь сейчас тоже вижу вас в оптическом диапазоне. Но при этом получаю массу информации. То же самое происходит в рамках астрофизики.
Раньше люди могли смотреть на звезды исключительно в оптическом диапазоне. Но сейчас у нас появилась возможность видеть Вселенную от радио до гамма-диапазона электромагнитного спектра. Недавно появилась нейтринная астрономия и даже гравитационно-волновая. Наши наблюдательные возможности принципиально расширились. Так что прогресс налицо.
«АСТРОФИЗИКА – ЭТО НАСТОЯЩАЯ ЛАБОРАТОРИЯ, СУЩЕСТВУЮЩАЯ САМА ПО СЕБЕ. С ЕЕ ПОМОЩЬЮ МЫ МОЖЕМ ИССЛЕДОВАТЬ САМЫЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ, А ЗАТЕМ ПРИМЕНЯТЬ ПОЛУЧЕННЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ УТОЧНЕНИЯ ПРИВЫЧНОЙ ФИЗИКИ, С КОТОРОЙ МЫ ВСТРЕЧАЕМСЯ НА ЗЕМЛЕ»
— Один астроном мне сказал, что до появления инфракрасных телескопов мы о Вселенной почти ничего не знали. Именно с помощью этих приборов ученым удалось увидеть самые разные объекты.
— Это можно сказать и про любой другой диапазон энергий. Спектры источников разной природы радикально отличаются, и, выбирая разные диапазоны энергий, мы часто видим совершенно разные объекты. В инфракрасном излучении – это, в частности, молекулярный газ и пыль. Переходя на инфракрасный диапазон, необходимо создавать специальные приемники излучения и охлаждать их до низкой температуры, поскольку тепловые шумы мешают наблюдениям.
Говоря о рентгеновском диапазоне, замечу, что, к счастью для нас, атмосфера Земли непрозрачна для рентгеновских лучей. Поэтому приходится запускать телескопы за пределы земной атмосферы.
— Вы работали над несколькими проектами рентгеновских обсерваторий. Может быть, прослеживается какая-то эволюция этих приборов?
— Конечно. Рентгеновская астрономия началась с того момента, как стали возможны космические полеты. Первые ракеты поднимались на несколько минут на высоту более 80 километров, а потом падали. И в момент, когда они были на достаточной высоте, приборы собирали данные в рентгеновском диапазоне. Исходная идея состояла в детектировании рентгеновского излучения Солнца, отраженного поверхностью Луны. А вместо этого в 1962 году открыли ярчайший источник рентгеновского излучения в созвездии Скорпиона (аккрецирующую нейтронную звезду в двойной системе), получивший название Скорпион Х-1. Кстати, один из авторов этого открытия – Риккардо Джиаккони – получил в 2002 году Нобелевскую премию за вклад в развитие рентгеновской астрономии.
С этого всё и началось. Каждая новая обсерватория чем-то превосходила предыдущую. Сначала детекторы мерили направление и энергию рентгеновских фотонов очень приблизительно. Затем научились строить изображения и получать спектры излучения. С развитием технологий одновременно увеличивалось и качество, и чувствительность изображений. Например, сегодня космический телескоп «Чандра» (Chandra X-ray Observatory, NASA) имеет угловое разрешение лучше одной секунды дуги, а это уже сравнимо с разрешением оптических телескопов при наблюдении сквозь атмосферу Земли.
Следующий этап – на ближайшие несколько лет – это (1) запуск криогенных болометров для получения качественных рентгеновских спектров (обсерватория XRISM [JAXA/NASA]), (2) измерение поляризации рентгеновского излучения (спутник IXPE [NASA]) и (3) проведение самого чувствительного обзора всего неба в рентгеновских лучах (наша обсерватория Спектр-Рентген-Гамма [Роскосмос], которая будет запущена через неделю).
— Чем отличаются задачи этих обсерваторий?
— Приведу лишь несколько примеров.
Что касается криогенных болометров, то они улучшают точность измерения энергии фотонов по меньшей мере в 30 раз. Это, в частности, позволяет измерять скорости движения горячего газа в скоплениях галактик, когда энергии рентгеновских эмиссионных линий сдвигаются за счет эффекта Доплера. Мы много знаем о свойствах газа в скоплениях – его плотность, температуру и обилие тяжелых элементов, но скорости газа до сих пор остаются важнейшим неизвестным ингредиентом.
По части поляриметров — единственный источник, для которого измерена почти 50 лет назад (!) поляризация рентгеновского излучения – это Крабовидная туманность, где релятивистские электроны в магнитном поле порождают синхротронное излучение. А ведь есть еще много других интересных задач, где знание поляризации было бы очень важно, например, для нейтронных звезд с очень сильным магнитным полем или для рассеяния рентгеновских фотонов в неоднородной среде, окружающей рентгеновский источник. В частности, измерение направления и степени поляризации рассеянного излучения в центральной зоне Млечного пути позволило бы подтвердить, что около 100 лет назад сверхмассивная черная дыра в нашей Галактике (источник Стрелец-А*) была в миллионы раз ярче, чем сегодня.
Наконец обсерватория Спектр-Рентген-Гамма должна за 4 года провести обзор всего неба в рентгеновских лучах, который будет в 20 раз чувствительнее предыдущего обзора тридцатилетней давности, выполненного спутником ROSAT. Это позволит исследовать рекордно большой объем Вселенной и зарегистрировать около ста тысяч скоплений галактик (в том числе, абсолютно все массивные скопления, которые существуют в наблюдаемой Вселенной), более трех миллионов аккрецирующих сверхмассивных черных дыр и многое другое. Все это позволит решать самые амбициозные задачи космологии, такие как, например, определение свойств темной энергии, а также вести поиск самых редких объектов во Вселенной.
— Как вы считаете, какое будущее ждет рентгеновскую астрономию и астрофизику в целом?
— Надеюсь, хорошее. Как мы обсуждали выше, следующие несколько лет будут очень насыщенными и интересными. А планы на следующие 10-20 лет еще более амбициозны – сразу несколько групп предлагают соединить высокое спектральное разрешение, громадную эффективную площадь и отличное угловое разрешение в одном телескопе. Жаль только, что на создание подобных обсерваторий уходят десятилетия сложной, дорогостоящей работы. Поэтому необходимо строить планы на много лет вперед.
— Как вы считаете, удастся ли человечеству заглянуть в самое начало зарождения Вселенной?
— Существует такое понятие – «поверхность последнего рассеяния», которая примерно соответствует возрасту Вселенной в 400 тыс. лет. В этот момент электроны и протоны объединились в атомы водорода, свободные электроны почти исчезли, и Вселенная стала прозрачной для фотонов реликтового излучения. В более ранней Вселенной свободные электроны быстро рассеивают и «запутывают» фотоны. Поэтому с Земли в виде электромагнитного излучения мы получаем информацию непосредственно с этой поверхности. Именно ее наблюдали спутники, работающие в микроволновом диапазоне – Планк (ЕКА) и WMAP (НАСА), измеряя флуктуации температуры реликтового излучения. Напрямую «заглянуть» за поверхность последнего рассеяния нельзя, но, изучая свойства наблюдаемой Вселенной, например, те же флуктуации температуры, распределение галактик вокруг нас или измеряя обилие дейтерия и гелия в газе, мы можем сделать вывод о том, что происходило на очень ранних этапах возникновения Вселенной, гораздо раньше, чем Вселенная стала прозрачной.