velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Орлиный глаз населения земли

Рентгеновская астрономия, начинавшаяся со спутников для обнаружения ядерных взрывов, сейчас помогает открывать потаенны космоса.





Рентгеновская астрономия – порождение ракетно-космического века. Она не могла показаться ранее в силу неумолимых законов физики. Атмосфера накрепко защищает поверхность нашей планетки от коротковолнового электрического излучения, потому регистрация рентгеновских квантов инопланетного происхождения вероятна только на огромных высотах. Рентген самых больших энергий можно найти при помощи устройств, размещенных на борту стратостатов, но полностью рентгеновский спектр раскрывается только при выносе аппаратуры конкретно в галлактическое место.


На военной службе


1-ые опыты такового рода были осуществлены в конце 1940-х годов в США под эгидой Пентагона. Именно в этот момент сотрудник вашингтонской Военно-морской исследовательской лаборатории Герберт Фридман сконструировал измененный счетчик Гейгера, детектирующий кванты больших энергий и поэтому способный засечь атмосферный ядерный взрыв (это и была основная цель). Конкретно при помощи этих устройств южноамериканские ученые и получили информацию об испытаниях первой русской атомной бомбы 29 августа 1949 года. В том же 1949 году Фридман и его коллеги начали отправлять новые счетчики в космос в носовых конусах трофейных германских ракет «Фау-2», стартовавших с военного полигона Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. 1-ый же пуск принес самую важную информацию – оказалось, что Солнце испускает рентгеновские лучи! Кстати, через пару 10-ов лет история повторилась: в 1969 году южноамериканские спутники ядерного мониторинга серии Vela зарегистрировали галлактические гамма-вспышки, которые поначалу были приняты за атомные взрывы. Фридман пробовал также найти рентгеновское излучение звезд, но чувствительности тогдашних сенсоров очевидно не хватало, и из этой затеи ничего не вышло. Но с течением времени судьба наградила Фридмана за упорство – в 1964-м он и его сотрудники первыми нашли рентгеновское излучение известной Крабовидной туманности, появившейся на месте взорвавшейся в 1054 году сверхновой и оставившей после себя нейтронную звезду.


Фридман устанавливал свою аппаратуру на геофизических ракетах, но для периодического поиска галлактических рентгеновских источников нужно долгое непрерывное наблюдение. Потому сначала 1960-х несколько американских астрофизиков пришли к убеждению, что сенсоры рентгена следует располагать на спутниковых платформах. Посреди их был выпускник Миланского института доктор Рикардо Джиаккони. В 1962 году его группа нашла Скорпион Х-1 – 1-ый рентгеновский источник за пределами Галлактики. К 1966 году опыты на ракетах и воздушных шарах позволили астрофизикам из США и Великобритании выявить более 30 таких источников. Это уверило управляющих NASA в необходимости пуска рентгеновского спутника. В проекте он именовался X-Ray Explorer, но после выхода на орбиту был переименован в Uhuru, что на языке суахили значит «свобода» (он ушел в космос с установленной поблизости берегов Кении платформы 12 декабря 1970 года – в Денек независимости этой страны). Uhuru проработал около 2-ух с половиной лет, и отправленная с него информация стала источником многих открытий. Этот аппарат зарегистрировал 339 рентгеновских источников, в том числе и объект в созвездии Лебедя, который стал первым в истории астрономии претендентом на роль темной дыры.


Спутники и телескопы


Uhuru был рентгеновским спутником, но никак не телескопом. Хоть какой достойный этого имени прибор должен владеть оптической системой, способной собирать и фокусировать излучение, проходящее через апертуру. Ничего подобного на Uhuru не было и в помине. Вся фокусировка заключалась в том, что рентгеновские лучи перед попаданием на газоразрядные сенсоры (практически те же счетчики Гейгера) проходили через узенькое отверстие-коллиматор. Эта аппаратура отлично регистрировала отдельные точечные источники, но не годилась для съемки протяженных объектов.


Джиаккони это отлично осознавал. Еще в 1960 году в соавторстве с наикрупнейшим южноамериканским спецом по галлактическим лучам Бруно Росси он опубликовал статью, содержащую первую в мире принципную схему реального рентгеновского телескопа с фокусирующей зеркальной системой. Устроена она была, мягко говоря, неординарно. Рефлекторы обыденных телескопов отражают луч, падающий под хоть каким углом, при этом они делают изображение с наименьшей аберрацией, если этот угол не очень велик (угол падения отсчитывается от перпендикуляра к поверхности). Потому главное зеркало подобного телескопа отбрасывает пучок света вспять к апертуре. С рентгеновскими квантами такое не проходит – из-за собственной большой энергии они фактически не преломляются в веществе (а означает, нереально сделать рентгеновские «линзы») и не отражаются, а поглощаются при всех углах падения, не считая самых «пологих» (около 90 градусов). Потому для сотворения действенного рентгеновского зеркала входящие лучи должны идти практически параллельно отражающей поверхности.


Вычисления проявили, что зеркало для рентгеновского телескопа должно быть сужающейся полой трубкой с параболической либо гиперболической поверхностью. Рентгеновский луч заходит вовнутрь нее со стороны раструба и после отражения выходит из узенького конца. Еще в 1952-м германский физик-оптик Ганс Волкер отметил, что для соответствующей фокусировки необходимы две поочередно установленные отражающие поверхности. В свою очередь Джиаккони и Росси сообразили, что для роста чувствительности телескопа каждый фокусирующий блок должен состоять из нескольких вложенных друг в друга трубковидных зеркал с единой центральной осью. По этой схеме и строят рентгеновские телескопы.


Длинный путь к «Чандре»


Джиаккони совместно с иными энтузиастами рентгеновской астрономии задумался о большенном рентгеновском телескопе еще до пуска Uhuru. В мае 1970 года в NASA был ориентирован проект инструмента с пятью парами зеркал поперечником до 105 см. Но в Вашингтоне решили поберечь средства и утвердили более умеренный восьмизеркальник. Поначалу его называли HEAO-2 (High Energy Astronomy Observatory-2), а после пуска присвоили имя Эйнштейна. Эта самая обсерватория, запущенная в космос 13 ноября 1978 года и проработавшая до апреля 1981 года, и стала первым рентгеновским телескопом. «Эйнштейн» имел разрешающую способность порядка 5 угловых секунд и регистрировал рентгеновские кванты в спектре 200 эВ – 20 кэВ. Эта станция в первый раз выполнила качественное спектрографирование остатков сверхновых и открыла огромное количество очень слабеньких внегалактических источников рентгеновского излучения.


В 1980–1990-е годы европейские страны, СССР и Япония выслали в космос много рентгеновских спутников и телескопов (самым массивным из их был германский ROSAT с зеркалами 80-сантиметрового поперечника, действовавший в 1990–1999 годах). Но ни какой-то из них не сумел значительно сделать лучше качество наблюдений, изготовленных «Эйнштейном». Астрономии XXI века был нужен инструмент, владеющий куда более широкими способностями. Вот поэтому в 1976 году Джиаккони и его сотрудник Харви Тананбаум направили в NASA новые предложения на этот счет. На этот раз в Вашингтоне выделили средства на их исследование, и проект обрел официальный статус.


Крещение


Будущую обсерваторию окрестили AXAF (Advanced X-Ray Astrophysics Facility). Задумка была превосходной – телескоп с шестью парами зеркал с наибольшим поперечником 120 см, способный регистрировать в 100 раз наименее калоритные рентгеновские источники, ежели «Эйнштейн». Но управление NASA имело другие ценности, ну и с деньгами, как обычно, была напряженка. Договор на изготовка телескопа был утвержден только в 1988 году (его получила калифорнийская компания TRW). Сначала 1990-х проекту грозило закрытие из-за нехватки средств, и он был спасен только за счет некой утраты свойства – ученым пришлось согласиться, что телескоп получит 8 зеркал, а не 12 и будет обустроен наименьшим числом устройств. NASA совсем утвердила этот усеченный проект в августе 1992-го, а спустя четыре с маленьким года оптическая система телескопа была смонтирована и выслана для проверки в Центр галлактических полетов имени Маршалла. Калибровка и тесты продолжались полгода и подтвердили, что зеркала и регистрирующая аппаратура изготовлены идеально и все модули стопроцентно готовы к сборке. Кстати, тщательность производства зеркал этого телескопа до сего времени остается непревзойденной – ошибка полировки не превосходит нескольких размеров атомов, а точность позиционирования общей практически трехметровой сборки покрытых иридием пластинок составляет 1,3 мкм!


Заглавие телескопу решили избрать на открытом конкурсе, собравшем более 6 тыщ заявок из 61 страны. Фаворитами оказались школьник из штата Айдахо Тайрел Джонсон и калифорнийская учительница Джатила ван дер Виин. Конкретно они предложили именовать обсерваторию «Чандрой» в честь 1-го из огромнейших астрофизиков XX века Субрахманьяна Чандрасекара. У этого имени, официально обнародованного в пресс-релизе NASA от 21 декабря 1998 года, еще есть один сокрытый астрономический смысл: в переводе с санскрита слово «чандра» значит «луна» (также «сияющий»).


Телескоп был запущен на орбиту через 7 месяцев после «крещения». 4 февраля его погрузили в огромный военно-транспортный самолет С-5 «Гэлэкси» и доставили из Лос-Анджелеса на мыс Канаверал, а 23 июля «Чандра» отправился в космос на борту челнока «Колумбия». Через два часа после выхода на орбиту космонавты начали операции по перемещению обсерватории из грузового отсека в открытый космос. Потом в течение 2-ух недель 5 раз по команде с Земли станция включала разгонные движки, которые вывели ее на вытянутую рабочую орбиту с апогеем 139 200 км и перигеем 9700 км. 12 августа телескоп открыл апертурную заслонку, а спустя 5 дней прислал на Землю прекрасное рентгеновское изображение великанского облака раскаленного газа, образовавшегося после взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи. С сих пор «Чандра» безпрерывно работает в штатном режиме.


Научная внутренность


К моменту пуска «Чандры» в небесах трудились (либо уже вышли в отставку) два 10-ка галлактических аппаратов, созданных для регистрации рентгеновского излучения. Но новенькая обсерватория сразу обосновала, что она в состоянии работать как минимум в 50 раз лучше хоть какого из собственных предшественников. Ее камера высочайшего разрешения дает возможность получать высококачественные изображения с точностью до 0,5 угловой секунды – это приблизительно 1/600 углового размера полной Луны. И в этом «Чандра» до сего времени не имеет равных (к примеру, европейский рентгеновский телескоп «Ньютон», запущенный 4-мя месяцами позднее, обеспечивает разрешение в 5–14 угловых секунд).


В фокальной плоскости телескопа расположены два прибора – камера высочайшего разрешения и спектрометр. Детектирующее устройство камеры представляет собой две пластинки величиной с открытку, на которых находится по 69 млн. тончайших трубочек из свинцового стекла. Удары рентгеновских квантов выбивают из их электроны, которые ускоряются электронным полем и порождают электрические ливни. Регистрация этих сигналов позволяет найти, сколько квантов падает на каждую трубочку, и на этой базе компьютер сформировывает изображение объекта. В спектрометре задействованы чувствительные ПЗС-матрицы, которые не только лишь «рисуют» рисунки, да и определяют энергию приходящего излучения. Для большей точности телескоп обустроен 2-мя дифракционными спектрометрами, какой-то из них работает в спектре от 80 эВ до 2 кэВ, а 2-ой – от 400 эВ до 10 кэВ. Приобретенная информация хранится в цифровой памяти и временами отсылается на Землю. Невзирая на огромное количество устройств, станция весом в 4,8 т потребляет по земным меркам не так много энергии – две трехпанельных полупроводниковых солнечных батареи обеспечивают ее мощностью в 2350 Вт.


Глаза для космологов


Для чего вообщем нужна рентгеновская астрономия? И в нашей Галактике, и в совершенно далеком космосе имеется огромное количество объектов так жарких, что их излучение смещено в рентгеновский спектр. Таковы рентгеновские пульсары, стремительно крутящиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, любая из которых имеет в компаньонах обыденную светящуюся звезду. Газ, перетекающий с этой звезды на черную нейтронную соседку, греется до сотен миллионов градусов и испускает рентгеновские кванты. Массивное рентгеновское излучение появляется и при падении вещества в черную дыру. Очередной наинтереснейший объект исследования – рентгеновские барстеры, галлактические рентгеновские вспышки, которые, по всей вероятности, тоже должны своим существованием нейтронным звездам и черным дырам. Источником рентгена может стать и жаркий межгалактический газ, и звезды хоть какого типа, в том числе самые маломощные карие лилипуты, и даже планетки. Потому понятно, что без наблюдения небосклона в рентгеновском спектре наши астрономические познания окажутся очень ущербными.


«С нашего орбитального телескопа поступило настолько не мало наинтереснейшей инфы, что, право, тяжело избрать самое главное, – поведал «ПМ» директор исследовательского центра рентгеновской астрономии «Чандра» Смитсоновской астрофизической обсерватории Харви Тананбаум. – Конкретно ‘Чандра’ выявил в ядрах галактик огромное количество сверхмассивных темных дыр и тем подтвердил, что настолько экзотичные объекты очень всераспространены во Вселенной. Естественно, дыры можно следить и в оптические телескопы, но ‘Чандра’ находит их в два-три раза почаще. Очень принципиально, что он удачно регистрирует темные дыры, которые приблизительно в два раза молодее нашей Вселенной, в то время как оптические приборы лучше выслеживают дыры, возникшие существенно ранее. Рекордная разрешающая способность ‘Чандры’ позволяет ему созидать дыры, разбитые очень малыми углами зрения, что ранее было нереально. По этой же причине конкретно ‘Чандра’ первым сфотографировал процесс разрушения обыкновенной звезды, которая, на свое несчастье, очень близко подошла к темной дыре. А в 2004 году он в первый раз зарегистрировал массивные рентгеновские источники, которые возможно окажутся темными дырами доныне неведомого типа с массой в несколько сотен солнечных».


Информация, приобретенная этой орбитальной обсерваторией, свидетельствует, что в наблюдаемой Вселенной содержится никак не меньше 300 млн. темных дыр. В конце 2002 года «Чандра», опять-таки в первый раз, нашел две темные дыры, сосуществующие в границах одной галактики. А годом позднее он зарегистрировал рентгеновскую «подпись» звуковых волн очень низкой частоты, исходящих от сверхмассивной дыры в галактическом скоплении Персея, расположенном в 250 млн. световых лет от Галлактики.


«Если гласить о совершенно новых наблюдениях, то можно отметить очень любопытную нейтронную звезду, обнаруженную в ноябре прошедшего года, – продолжает доктор Тананбаум. – В самой звезде массой около полутора солнечных нет ничего необыкновенного, но вот о ее происхождении стоит задуматься. Есть основания считать, что она является потомком сверхновой, которая при жизни была в 40 раз тяжелее Солнца. До сего времени числилось, что взрывающиеся звезды массой более 20–30 солнечных масс оставляют после себя не нейтронные звезды, а темные дыры. Если оценка массы родительницы новооткрытой нейтронной звезды не содержит ошибки, то придется представить, что некие взрывающиеся звезды-гиганты настолько стремительно расстаются со своими оболочками и промежными слоями, что оставляют после себя относительно легкое ядро, не способные сколлапсировать в черную дыру».


В ближнем будущем «Чандра» продолжит поражать астрологов. Согласно прогнозам NASA, он проработает не меньше 5 лет, и средства на это уже заложены в бюджеты. Астрологи уповают, что эти же прогнозы будут действительны и в 2010 году. Во всяком случае, «Чандра» пока не мучается ни от недостатка электроэнергии, ни от нехватки ракетного горючего. Орбита обсерватории полностью размеренна, и все главные блоки работают нормально. Так что, как считает Харви Таннанбаум, «Чандра» еще не меньше 10 лет будет добавлять все новые кирпичики в космологическую картину Вселенной.






Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments