До полета космического телескопа James Webb осталось меньше месяца. Сегодня мы продолжим серию материалов, приуроченных к запуску. На очереди – космическая обсерватория HEAO-2. Как с помощью рентгеновского излучения исследовать звезды и галактики, какую роль в астрофизике сыграл телескоп HEAO-2 и чем он помог в исследовании сверхмассивных черных дыр – в новом материале цикла «Взгляд в темноту» от InScience.News.
Зачем нужна рентгеновская астрономия?
Ученые исследуют самые разные объекты Вселенной – от обычных звезд до черных дыр, – улавливая электромагнитное излучение от них. Электромагнитные волны, испускаемые космическими телами, имеют разную длину. Она зависит от температуры объекта. Например, звездами на ночном небе мы можем любоваться именно благодаря тому, что они «светят» в видимом диапазоне. Но гораздо большую часть электромагнитных волн человеческим глазом увидеть невозможно, и для их детектирования используются специальные приборы. Нейтронные и некоторые обычные звезды, белые карлики, черные дыры и скопления галактик испускают преимущественно волны в рентгеновском диапазоне (имеющие энергию от 0,1 до 100 кэВ), поэтому для обнаружения и исследования таких объектов используются рентгеновские телескопы. Космические лучи рентгеновского диапазона не проходят через атмосферу Земли, поэтому впервые доказать их существование удалось в конце 40-х годов XX века – когда стало возможно выводить регистрирующие приборы на орбиту с помощью ракет.
Развитие рентгеновских телескопов началось только в 60-х годах, и настоящим прорывом в астрономии стал запуск на околоземную орбиту обсерватории HEAO-2 (High-Energy Astronomy Observatory 2). Это была вторая из трех миссий NASA в программе по исследованию гамма- и рентгеновских космических излучений. HEAO-2 была выведена на орбиту 13 ноября 1978 года ракетой-носителем Atlas-Centaur. Сразу после запуска ее переименовали в обсерваторию имени Эйнштейна. В течение трех лет обсерватория собирала данные, а в 1981 году она прекратила свою работу. За это, казалось бы, непродолжительное время HEAO-2 провела более пяти тысяч сеансов наблюдения и обнаружила несколько тысяч ранее неизвестных источников рентгеновского излучения в космическом пространстве.
Оснащение обсерватории HEAO-2
HEAO-2 в несколько сотен раз превосходила по чувствительности оптики всех своих предшественников, в том числе HEAO-1. Обсерватория была оснащена телескопом, который фокусировал рентгеновские лучи за счет их отражения от зеркал общей площадью около 400 см2. Сверхвысокая чувствительность обеспечивалась тем, что зеркала телескопа были изготовлены из плавленого кварца и имели очень гладкую поверхность, которая наилучшим образом преломляла попадающие на нее лучи. Кроме того, в фокальной плоскости телескопа – там, где преломленные лучи образуют пучок, – были установлены специальные инструменты для обработки сигналов в изображения. Это детектор изображений высокого разрешения (HRI), пропорциональный счетчик изображения (IPC), твердотельный спектрометр (SSS) и кристаллический фокальный спектрометр (FPCS). Помимо телескопа, HEAO-2 несла пропорциональный газовый счетчик (MPC), который фиксировал интенсивность потока рентгеновских лучей от источника. Но обо всем по порядку.
Детектор изображений высокого разрешения, или HRI (High Resolution Imaging camera) – это камера высокого разрешения, которая улавливала рентгеновские волны с небольшой энергией – от 0,13 до 3,5 кэВ. Хотя площадь, которую за раз мог охватить прибор, была довольно скромной – порядка 5-20 см2, – его способность различать отдельные объекты в пространстве была крайне высокой. Угловое разрешение HRI, то есть минимальный угол между объектами, который может различить оптическая система, составлял всего две угловые секунды (2´´). Такое разрешение оставалось рекордным более двадцати лет – вплоть до запуска на орбиту Chandra X-ray Observatory в 1999 году (о которой мы скоро расскажем).
Пропорциональный счетчик изображения, или IPC (Imaging Proportional Counter) – устройство, позволяющее измерить величину потока частиц излучения, время их прохождения через счетчик, а также определить тип и энергию частиц. Эффективная площадь работы этого инструмента значительно превышала HRI и составляла 100 см2. Угловое разрешение при этом позволяло различать объекты на расстоянии в одну угловую минуту (1´). Благодаря совместной работе IPC и HRI ученые впервые наблюдали увеличение массы черных дыр и объяснили природу космического рентгеновского фона. Оказалось, что его создает суммарное излучение огромного количества внегалактических источников, преимущественно – активных ядер галактик.
Твердотельный спектрометр, или SSS (Solid State Spectrometer) – еще одно устройство, расположенное в фокальной плоскости телескопа. Он детектировал рентгеновские лучи диапазона энергий 0,5-4,5 кэВ на площади 200 см2. Интересно, что для работы спектрометр требовал довольно низких температур – порядка -173°С, что периодически приводило к обледенению его поверхности. А это, в свою очередь, ухудшало чувствительность. Поэтому перед длинными сериями наблюдений детектор нагревали до более высокой температуры (-53°С), что позволяло уменьшить количество льда. После девяти месяцев периодической разморозки детектора удалось практически полностью избавиться ото льда, но в октябре 1979 года – через год после запуска обсерватории – криогенная система охлаждения детектора исчерпала запасы охладителя, что привело к выходу инструмента из строя.
Кристаллический фокальный спектрометр, или FPCS (Bragg Focal Plane Crystal Spectrometer) состоял из шести различных кристаллов, которые улавливали и преобразовывали рентгеновские лучи. Этот прибор давал возможность исследовать пространство в четырех вариантах поля зрения: 1´ x 20´, 2´ x 20´, 3´ x 30´, а также через круглое поле диаметром 6´. Обычно при наблюдениях использовались только три последних варианта. Эффективная площадь спектрометра, по сравнению с остальными приборами телескопа, была небольшой и составляла от 0,1 до 1 см2.
Пропорциональный газовый счетчик, или MPC (Monitor Proportional Counter) был установлен в обсерватории отдельно от фокусирующего телескопа. Он детектировал рентгеновские волны широкого диапазона энергий: от 1 до 20 кэВ – на рабочей площади 667 см2. Прибор представлял собой газовую камеру, заполненную смесью аргона и углекислого газа, проходя через которую заряженные частицы распадались на пары «ион-электрон». При этом количество таких пар зависело от того, какой энергией обладала изначальная частица. Счетчик регистрировал количество поступивших частиц и рассчитывал их энергию.
Внутреннее устройство HEAO-2. NASA
Согласованная работа всех устройств и, в целом, управление обсерваторией обеспечивалось несколькими системами контроля и определения ориентации. В качестве чувствительных устройств, с помощью которых можно было определять и менять ориентацию телескопа в пространстве, использовались гироскопы, солнечные датчики и звездные трекеры.
Достижения обсерватории HEAO-2
Результаты работы обсерватории HEAO-2 значительно расширили границы рентгеновской астрономии. Благодаря тому, что чувствительность ее оптических приборов в сотни раз превосходила запущенные ранее рентгеновские телескопы, обсерватория впервые зафиксировала излучение от тысяч космических объектов. Среди них – излучение от полярных областей Юпитера, обычных и нейтронных звезд, остатков вспышек сверхновых, белых карликов и горячего газа в эллиптических галактиках. Кроме того, обсерватория Эйнштейна дала возможность исследовать нейтронные звезды и черные дыры в двойных системах по всей нашей Галактике, а также в других галактиках. Так, с помощью HEAO-2 ученые получили высококачественные изображения центральной области галактики Туманность Андромеды.
Настоящим прорывом в науке стало открытие природы космического рентгеновского фона. Исследования, проведенные на HEAO-2, показали, что при увеличении чувствительности наблюдений количество регистрируемых источников рентгеновского излучения существенно возрастает. Подавляющее большинство таких излучающих объектов оказались активными сверхмассивными черными дырами, находящимися в центрах далеких галактик. Благодаря этому открытию в астрофизике появилось новое направление – космологическая эволюция черных дыр.
Обсерватория Эйнштейна завершила свою работу 26 апреля 1981 года, спустя три года успешной работы. После этого она еще год оставалась на низкой околоземной орбите, медленно приближаясь к Земле по спирали до окончательного спуска 25 марта 1982 года.
Переоценить вклад обсерватории HEAO-2 в науку невозможно. Она не только позволила исследовать тысячи самых разных космических объектов, но также стала важным этапом в развитии рентгеновских телескопов и дала толчок появлению и освоению новых, ранее недоступных направлений астрофизики.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
