26 февраля 2022 г. немецкие партнеры перевели в «спящий» режим телескоп eROSITA, размещенный на российском космическом аппарате (КА) «Спектр-РГ», но рентгеновская обсерватория продолжает работать 24 часа в сутки и уже получает уникальные результаты, используя российский телескоп ART-XC им. М.Н.Павлинского – второй научный прибор на ее борту. К примеру, с его помощью удалось показать принципиальную возможность автономной навигации КА в дальнем космосе по сигналам рентгеновских пульсаров с точностью локализации в пространстве около 10 км. Об изменениях научной программы «Спектра-РГ» Совету РАН по космосу рассказал научный руководитель телескопа ART-XC, заместитель директора по научной работе Института космических исследований (ИКИ) РАН, профессор РАН Александр Лутовинов.

ART-XC: один в поле воин

«Концепция построения комплекса научной аппаратуры КА «Спектр-РГ», состоящего из двух уникальных, независимых, но в то же время дополняющих друг друга инструментов, оказалась абсолютной правильной», – подчеркнул Александр Лутовинов.

«Спектр-РГ» – проект Федеральной космической программы России, реализуемой «Роскосмосом» с участием Немецкого космического агентства, космическая рентгеновская обсерватория, запущенная 13 июля 2019 года. Она состоит из двух телескопов: германского eROSITA, работающего в мягком рентгеновском диапазоне, и российского ART-XC имени М.Н. Павлинского, который ведет наблюдения в жестком рентгене. Работая в течение двух лет в режиме обзора всего неба, телескопы фактически взаимно дополняли друг друга, перекрывая широкий диапазон рентгеновского излучения. Однако их работа не зависела друг от друга.

Каждый из этих инструментов обладает своими уникальными особенностями. ART-XC может видеть так называемые поглощенные объекты – излучение от них, кроме наиболее энергичного, не доходит до нас, так как его поглощают газопылевые облака, которые образуются вокруг свермассивных черных дыр в далеких галактиках или в двойных системах с массивными звездами. Жесткие рентгеновские фотоны способны пройти через это препятствие. Телескоп eROSITA видит мягкое рентгеновское излучение миллионов источников, но если он не заметит всего 5–10% таких поглощенных объектов, то без информации о них теоретики не смогут построить правильные космологические модели.

«В свое время Михаил Павлинский привел такой пример: грибник ходит по лесу, находит сыроежки и опята сотнями и тысячами, но есть трюфели, очень ценные грибы, и тот, кто нашел трюфель, тоже большой молодец, – пояснил Александр Лутовинов. – Вот мы, собственно говоря, ищем такие трюфели, скрытые объекты, которые не видны в мягком рентгене».

После 26 февраля 2022 г., когда телескоп eROSITA был переведен немцами в так называемый безопасный режим, российским ученым пришлось оперативно разрабатывать новую программу наблюдений обсерватории «Спектр-РГ», которая позволила бы с максимальной эффективностью использовать возможности телескопа ART-XC. Новая программа предусматривает четыре главных направления исследований.

Первое направление: глубокий обзор плоскости нашей Галактики, где сосредоточено большинство объектов, интересных для исследования с помощью ART-XC. Сканирование осуществляется змейкой по квадратам, каждый из которых имеет размер примерно 3 на 3 градуса. Каждый день область сканирования сдвигается примерно на один градус. На слайде выше (справа) виден результат первого скана, квадрат еще даже не полностью заполнен, но уже получены впечатляющие результаты.

«Мы видим здесь 2-3 ярких объекта, которые уже присутствовали в нашем каталоге, составленном по результатам первого года обзора всего неба, а зелеными кружками отмечены новые объекты, – поясняет Александр Лутовинов. – При более глубокой экспозиции ART-XC начинает видеть в разы больше объектов в Галактике, чем мы видели до этого».

Второе направление: исследование отдельных, наиболее интересных объектов с помощью ART-XC. На слайде выше слева видны нанесенные поверх квадрата сканирования контуры остатков вспышки сверхновой. Была осуществлена программа наблюдений этого объекта, и невнятный набор пятен превратился в изображение, на котором видна ударная волна и ее взаимодействие с окружающей средой. Эту сверхновую уже видели в мягких рентгеновских лучах, но в жестком рентгене карта такого качества получена впервые.

Третье направление: исследования транзиентных (нерегулярно-переменных) источников, которые могут вспыхнуть внезапно. Еще во время работы в режиме обзора неба телескоп АRT-XC играл важную роль в поисках слабых транзиентов.

«Мы ежедневно наблюдали лишь небольшую часть неба, примерно 1%, но видели ее существенно лучше, чем другие телескопы, которые видят все небо, – рассказал Александр Лутовинов. – У нас достаточно чувствительный телескоп, чтобы искать то, что другие пропускают».

На карте выше красными точками отмечены 18 новых источников, открытых ART-XC примерно за полтора года работы. Среди них были уникальные объекты: к примеру, микроквазар, обнаруженный в нашей галактике. Их можно пересчитать по пальцам одной руки, поэтому каждый такой объект дает новый материал для ученых. ART-XC обнаружил этот объект, когда его еще никто не видел, а примерно через 3 месяца он стал на три порядка ярче.

Четвертое направление: наблюдения миллисекундных пульсаров. До сих пор они велись урывками во время коррекций орбиты или калибровочных операций. С одной стороны, интересна физика таких объектов. Самый медленный из тех источников, сигнал которых успел изучить ART-XC, имеет период 150 мс, а самый быстрый – 3 мс (см. слайд выше). С такой скоростью вращается нейтронная звезда с массой полторы массы Солнца! Стиральная машина в минуту крутится 600 раз, а нейтронная звезда совершает 300 оборотов в секунду! Однако у этих исследований есть и прикладная составляющая.

«Перед нами поставлена «Роскосмосом» конкретная задача – продемонстрировать, что рентгеновская навигация космических аппаратов в дальнем космосе по пульсарам в принципе реализуема и что мы это можем делать», – рассказал Александр Лутовинов.

Исследования возможности автономной навигации в космосе по рентгеновским пульсарам ведутся всеми ведущими космическими державами. Подобно тому, как спутниковая навигация ГЛОНАСС или GPS позволяет определить местоположение объекта на Земле или в околоземном пространстве по синхронизированным сигналам передатчиков на орбите, можно определить местоположение космического аппарата в любой точке Солнечной системы по сигналам рентгеновских пульсаров. Но для этого также необходима высокоточная синхронизация, поэтому специалисты ИКИ РАН долго работали вместе с коллегами из НПО им. С.А. Лавочкина, создателями платформы «Навигатор», на которой установлена обсерватория «Спектра-РГ», чтобы наладить привязку бортовых часов к наземным.

«Наша обсерватория не предназначена для подобных целей, в ней нет специализированных систем для привязки времени, которые нужны для такого высокоточного измерения, – рассказал Александр Лутовинов. – Тем не менее, нам удалось достичь относительной временной точности примерно в 30 мкс. Это дает возможность пространственной локализации космического аппарат с точностью где-то 10 км. И это, конечно, не предел. Но для улучшения точности и дальнейшего продвижения в деле создания системы навигации по рентгеновским пульсарам нужен специализированный аппарат».

Нет худа без добра

Даже в условиях, когда немецкий телескоп eROSITA переведен в безопасный режим и, конечно, есть определенные научные потери, программа наблюдений обсерватории «Спектр-РГ» продолжает успешно выполняться.

«Мы сейчас фактически перешли в режим наблюдений, который планировался начать в 2024 году, – сообщил Александр Лутовинов. – Мы уже получили за 2 года результаты мирового уровня и в настоящее время перешли к фазе наблюдений точечных источников и регионов неба, для которых определяющим инструментом является телескоп ART-XC».

Важно отметить, что при создании телескопа ART-XC был достигнут высочайший технологический уровень по рентгеновским детекторам и зеркалам. После отключения телескопа eROSITA и изменения программы наблюдений «Спектра-РГ» научный выход телескопа ART-XC значительно увеличился, уже позволив получить исключительные по своему качеству данные.

Редакция сайта РАН