Астрофизика
Рентгеновская астрономия: вчера, сегодня, завтра*
М.Г. РЕВНИВЦЕВ,
доктор физико-математических наук
A.A. ЛУТОВИНОВ,
доктор физико-математических наук
М.Н. ПАВЛИНСКИЙ,
доктор физико-математических наук ИКИ РАН
В статье кратко рассказывается история развития рентгеновской астрономии, начиная с первых ракетных экспериментов
до современных орбитальных обсерваторий. Описаны объекты исследования рентгеновской астрономии и достижения последних
лет. Большое внимание уделено развитию технологий формирования изображений и технологий регистрации рентгеновского излучения.
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ СПЕКТРЫ РЕНТГЕНОВСКИХ ИСТОЧНИКОВ
Широкий диапазон температур объектов, излу-
чающих в рентгеновском диапазоне, таких как двойные системы с черными дырами и нейтронными звездами,требовал
расширения диапазона энергий, в котором происходит регистрация спектра их излучения. Было обнаружено, что в раз-
* Окончание. Начало см. в № 4, 2014.
© Ревнивцев М.Г., Лутовинов A.A., Павлинский М.Н.
ное (или даже в одно и то же) время излучение аккрецирующих черных дыр может иметь в излучении компоненты с характерными температурами в 1-2 кэВ и свыше 30-50 кэВ. Эффективную регистрацию фотонов в таком широком диапазоне энергий практически невозможно выполнить с помощью одного прибора. Решением этой проблемы стали комбинации приборов на орбитальных обсерваториях.
Интерес к более жесткому рентгеновскому излучению (с энергиями выше 5-10 кэВ) обусловлен тем фактом, что фотоны таких энергий практически не поглощаются в межзвездной среде нашей Галактики. Для фотонов более низких энергий межзвездное фотопоглощение является эффективным экраном, закрывающим от нас области в направлении плоскости Галактики, и в особенности интереснейшую область ее центра. Первые картографирования области Галактического центра обсерваторией им. Эйнштейна показали, что межзвездное поглощение на энергиях ниже 2-3 кэВ существенно ограничивает чувствительность к источникам в этом направлении. На более высоких энергиях угловое разрешение инструментов составляло не лучше 20-30 угловых
минут, что было совершено недостаточно для картографирования этой "густонаселенной" области неба.
Одна из первых попыток построения карты области Галактического центра на энергиях выше 3-4 кэВ была предпринята в ходе экспедиции STS-51G космического корабля "Дискавери" в июне 1985 г. с помощью аппаратуры "SPARTAN-1". Рентгеновский инструмент представлял собой два спектрометра, работающих в диапазоне энергий 1-12 кэВ и наблюдавших небо через коллиматоры с полями зрения 0,5' х з°. Узкая полоса пропускания коллиматоров по одной оси позволяла при сканировании объектов получать изображение со значительно улучшенным угловым разрешением относительно существовавших ранее. Для получения полноценного изображения в ходе эксперимента направление сканирования инструмента несколько раз менялось.
Следующим шагом в получении изображений на энергиях выше 3-4 кэВ стал эксперимент XRT (X-Ray Telescope) в составе космической лаборатории "Спейслэб-2" ("Space lab-2"), работавшей в составе экспедиции STS-51F на КК "Челленджер" в июле -августе 1985 г. Общее
время наблюдений области центра Галактики телескопа Х1ТГ было невелико (всего около 6 ч), что ограничило чувствительность полученной карты неба. Основной принцип построения изображения телескопа Х1ТГ существенно отличался как от принципа построения изображения в телескопах косого падения, так и от метода модуляционных коллиматоров. Если в первом случае рентгеновские фотоны фокусируются в малой области в фокальной плоскости телескопа, то во втором поток квантов модулируется во времени.
В телескопе Х1ТГ применялся метод кодирующей апертуры. Этот метод основан на пространственной модуляции первичного потока рентгеновских квантов с помощью маски, расположенной над детектором и состоящей из большого числа случайным образом размещенных прозрачных и непрозрачных элементов. Поток фотонов, приходящий от рентгеновского источника, находящегося на бесконечности, "кодируется" маской и регистрируется позицион-но-чувствительным детектором.
Важнейшей особенностью описываемого метода является то, что для разных направлений прихода излучения (источников на небе) фор-
фц^вг у "г" щш СРЮ 1] 1314-28 _шй.__(А
г,Нг I ^(г ^^ Ль 1Е1743.1-284^ к5 6 2Э01 кз#41. ¥ 1 Г* г ^ Щ ?93 1Е 1740.7-294
„п . ^ . 1 г о О о ГГПП ' тля. (§) ^р — '
г ^^ ш Ль * Ч г... , -—-— Ь Л^Ш 'Ал О О . О А1742-294 Ш • * «4 г ^ щ ШЬ -Чн Ф Л
51X1744-299 с| У17ЛЯ-ЧПП
о _ (1) 1 1 1 I I V V V щ I _1
Область центра Галактики на энергиях 3-30 кэВ. Объекты с обозначением "КБ" были впервые открыты аппаратурой модуля 'Квант". Изображение получено в 1987-1993 гг. телескопом с кодирующей апертурой ТТМ на модуле "Квант"станции "Мир". Рисунок ИКИ РАН.
мируется своя, отличная от других, засветка детектора (тенеграм-ма). При наличии в поле зрения нескольких источников на детектор проецируется тень, являющаяся суперпозицией разных тенеграмм, и вклад каждой из них зависит от интенсивности источника. Фон детектора маской не кодируется, поэтому можно однозначно выделить сигнал фотонов неба и восстановить двумер-
ное изображение участка небесной сферы, что впервые продемонстрировано в эксперименте на модуле "Спейслэб-2".
Концепция телескопа с кодирующей апертурой получила свое развитие при создании приборов космической обсерватории "Рентген" на модуле "Квант" орбитальной станции "Мир" (19871996; Земля и Вселенная, 2000, № 6). В создании уникальной аппаратуры обсерватории, позволяв-
шей исследовать рентгеновские источники в широчайшем диапазоне энергий 2-800 кэВ, участвовали ученые и специалисты СССР (телескоп-спектрометр "Пульсар Х-1"), Нидерландов и Великобритании (телескоп с кодирующей маской ТТМ), Германии (спектрометр "Гексе") и Европейского космического агентства (спектрометр "Сирень-2"). С помощью телескопа ТТМ были впервые получены карты
Космическая обсерватория "Гранат" (1989-1999) с рентгеновскими телескопами "Сигма" и APT-П. Рисунок ИКИ РАН.
ли теоретические расчеты, гамма-излучение, обусловленное распадом радиоактивного кобальта 56Со, должно выходить наружу сквозь расширяющуюся оболочку примерно через полгода после взрыва, что и зафиксировали инструменты обсерватории "Рентген" модуля "Квант".
Помимо открытия рентгеновского излучения от Сверхновой 1987А, среди наиболее значимых результатов обсерватории "Рентген" следует отметить следующие:
- впервые обнаружено жесткое рентгеновское/ гамма-излучение рентгеновских Новых, простирающееся до энергий выше 200-300 кэВ, что позволило указать на необходимость учета нетепловых процессов в формировании, по крайней мере, части излучения от аккрецирующих черных дыр;
- открыт ряд аккрецирующих нейтронных звезд и черных дыр, для которых были впервые получены широкополосные спектры;
- получены изображения области центра Галактики в широком диапазоне энергий.
больших участков рентгеновского неба в диапазоне энергий до 30 кэВ, открыты новые источники в области Галактического центра.
Выдающимся результатом, полученным обсерваторией "Рентген", безусловно, является открытие жесткого рентгеновского излучения от Сверхновой 1987А. Эта сверхновая вспыхнула в феврале 1987 г. в соседней галактике Большое Магелланово Облако и до сих пор является самой близкой к нам из
известных сверхновых за последние 400 лет. Ее наблюдения стали наиболее приоритетными в ранней программе обсерватории. Оболочка, образовавшаяся при взрыве звезды с общей массой более 15 М0, сначала настолько плотная, что полностью задерживает рентгеновские лучи. Но, поскольку оболочка разлетается во все стороны с огромными скоростями, она постепенно становится прозрачной для рентгеновских и гамма-лучей. Как показыва-
Область Галактического центра в диапазоне энергий 12-17кэВ. Белые контуры показывают распределение молекулярного газа. Рентгеновское излучение, регистрируемое от молекулярного облака Бдг В2, рождается в результате переизлучения прошлой активности сверхмассивной черной дыры в центре Галактики. Изображение получено в 1990-е гг. телескопом АРТ-П обсерватории "Гранат". Фото ИКИ РАН.
Практически одновременно с подготовкой запуска обсерватории "Рентген" в СССР велись разработки по созданию космической обсерватории "Гранат" (1989-1998; Земля и Вселенная, 1989, №3; 1993, №6). Этот
проект осуществлялся совместно советскими, французскими, датскими и болгарскими учеными. Обсерватория была задумана как комплекс научной аппаратуры для детальных исследований астрофизических объек-
тов в диапазоне энергий 2 кэВ - 100 МэВ. В комплекс вошли основные приборы: французско-советский телескоп "Сигма" и телескоп АРТ-П (астрофизический рентгеновский телескоп позици-онно-чувствительный),
Международная космическая астрофизическая обсерватория "Интеграл" (ESA - Россия). Работает на околоземной орбите с 2002 г. Рисунок ESA.
разработанный в ИКИ АН СССР. Оба телескопа работали по принципу кодирующей апертуры и дополняли друг друга, имея перекрывающиеся рабочие диапазоны энергий: 2-60 кэВ (АРТ-П) и 40 кэВ - 2 МэВ ("Сигма"). Телескоп "Сигма" был первым в мире астрофизическим телескопом, способным строить изображения в жестком рентгеновском диапазоне (40-1300 кэВ).
Необходимо упомянуть советско-болгарский прибор "Подсолнух", предназначавшийся для наблюдения гамма-всплесков и транзиент-ных источников в диапа-
8
зоне энергий 2-25 кэВ. Особенностью прибора было его размещение на поворотной платформе, обеспечивающий оперативный поворот (со скоростью 90° в секунду) и наведение в автоматическом режиме установленных на ней приборов в предполагаемую точку расположения источника космического гамма-всплеска по сигналам прибора "Конус". В рамках программы исследований предполагалось изучение временной структуры гамма-всплеска, проведение спектрального анализа его послесвечения, осуществление точной локали-
зации источника гамма-всплеска. На поворотной платформе устанавливался также оптический монитор, построенный на основе ПЗС-матри-цы. Таким образом, весь комплекс приборов на поворотной платформе был задуман и соз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.