С учетом геополитической обстановки Совет РАН по космосу обсудил «план Б» развития российской гамма-астрономии, предложенный руководителем Отделения физики плазмы, атомной физики и астрофизики Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ) РАН, членом-корреспондентом РАН Андреем Быковым. Установка гамма-спектрометров на лунные и межпланетные аппараты позволит российским ученым исследовать проявления фундаментальных законов мироздания в условиях, недостижимых в земных лабораториях.

Гамма-астрономия изучает Вселенную в диапазоне самых коротких электромагнитных волн — длиной менее 2⋅10⁻¹² м. Эти волны столь коротки, что проявляют себя почти исключительно как частицы, которые называют гамма-фотонами. Гамма-фотоны, прилетающие из космоса, могут обладать гигантской энергией, которую невозможно получить на наземных ускорителях. За ними стоит фантастическая физика. Исследования позволяют проверять и устанавливать фундаментальные физические законы в условиях, недостижимых в земных лабораториях. Недаром, как минимум 20 % новых статей по астрофизике, которые ежедневно публикуются в научном онлайн-журнале arxiv.org, связаны с гамма-астрономией.

Есть в ней и прикладной аспект: вспышки гамма-излучения столь мощны, что в ряде случаев они сильно воздействуют на магнитосферу Земли, нарушая радиосвязь, поэтому мониторинг вспышечных событий в гамма-астрономии — это и элемент космической безопасности.

Сейчас на орбите находятся несколько телескопов, которые работают в гамма-диапазоне. Среди них — три с российским участием: это российско-германская обсерватория «Спектр-РГ» (запущена в 2019 г.), международная обсерватория INTEGRAL (2002 г.) и гамма-детекторы «Конус» на космическом аппарате (КА) Wind (1994 г.).

О последнем стоит сказать особо. Wind — это спутник NASA, запущенный для исследования солнечного ветра. В настоящее время он находится в межпланетном пространстве вблизи точки Лагранжа L1 системы Земля-Солнце, в 1,5 млн км от нашей планеты. На нем установлен и вот уже более 27 лет бесперебойно работает российский гамма-спектрометр «Конус» с детекторами на основе кристаллов натрий-йод NaI(Tl). Аналогичная аппаратура успешно работала на российских межпланетных станциях «Венера» с номерами 11, 12, 13, 14 (1978-1981 гг.), на спутниках серии «Космос» с номерами 2326, 2367, 2421 (1995-2006 гг.), на КА «Коронас-Ф» (2001-2005 гг.) и «Коронас-Фотон» (2009 г.).

Российский «Конус»: дешево и эффективно

«Конусы» дают ценнейшую научную информацию. Прибор отличается очень широким полем зрения: один детектор может наблюдать половину небесной сферы, два детектора — почти всю сферу. Но их особое достоинство состоит в том, что они легкие (в последней версии весят всего по 24 кг) и дешевые. Пара спектрометров «Конус» обходится всего в несколько десятков миллионов рублей. Наконец, немаловажно, что они разработаны и построены в России, в ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Хотя с их помощью трудно заниматься чувствительной прецизионной спектроскопией ядер галактик и прочих подобных источников, но они обладают достаточной чувствительностью для поисков мощных космических транзиентов (нерегулярно вспыхивающих источников).

«Имея широкое поле зрения, «Конусы» видят гамма-всплески тысячами, — рассказывает Андрей Быков. — За время работы в составе КА Wind приборы «Конус» зафиксировали около 3 тыс. всплесков».

Данные наблюдений позволили построить статистическое распределение соотношений длительности всплеска и жесткости излучения, то есть соотношение количества жестких и мягких гамма-фотонов (см. рис. выше). Было замечено, что популяция делится на две части: длинные мягкие и короткие жесткие всплески. Со временем эта классификация получила физическое объяснение как результат слияния компактных релятивистских объектов (короткие и жесткие всплески) и результат коллапса ядер массивных звезд (длинные мягкие всплески).

Другой пример хорошей научной отдачи от «Конусов» — это исследование транзиентов с экстремальным энерговыделением, в том числе таких редчайших источников, как магнетары — молодые нейтронные звезды, обладающие самыми сильными магнитными полями во Вселенной.

«В Галактике существует несколько типов объектов, которые создают вспышки с гигантским энерговыделением, — рассказывает Андрей Быков. — К примеру, всплеск магнетара SGR 1806-20 27 декабря 2004 считается крупнейшим взрывом в Галактике после вспышки сверхновой SN 1604 в 1604 году. Этот магнетар, по оценкам, имеет магнитное поле в триллион раз больше, чем магнитное поле у поверхности Солнца. За одну десятую долю секунды он испустил больше энергии, чем Солнце за 100 000 лет. Всплеск был столь огромен, что никакие детекторы не в состоянии были измерить параметры этого импульса, потому что их просто засвечивало. К счастью, в момент, когда произошла эта вспышка, в космосе работали два «Конуса». Один из них находился на Wind в прямом видении этого источника и тоже не смог ничего измерить, но оказалось, что другой «Конус», установленный на КА «Коронас-Ф», в этот момент находился в тени Земли и принял отраженный от Луны сигнал, что позволило впервые увидеть, как выглядит этот импульс».

Еще один пример: 28 апреля 2020 года «Конус» на КА Wind обнаружил сигнал, который идеально совпал по времени с быстрым радиовсплеском — так называют единичные радиоимпульсы длительностью несколько миллисекунд с энергией, эквивалентной выбросу всей энергии Солнцем в течение нескольких дней. Это был первый случай идентификации вспышки магнетара с быстрым радиовсплеском. Быстрые радиовсплески были открыты в 2007 году и более десяти лет их природа была неизвестна. Первое отождествление радиовсплеска с магнетаром открыло новые направления дальнейшего исследования и моделирования этого уникального космического явления.

Особо стоит отметить, что если в космосе находится несколько «Конусов» на разных КА, достаточно удаленных в пространстве друг от друга, это позволяет проводить локализацию транзиентных источников на небесной сфере методом триангуляции. В случае трех КА с достаточно большой базой, то есть, большим расстоянием между ними, локализацию источника можно провести с точностью до минуты дуги. В частности, первый источник, идентифицированный как магнетар, был зафиксирован 5 марта 1979 года во время эксперимента «Конус», проводившегося на советских межпланетных станциях «Венера-11» и «Венера-12». На сегодняшний день аппаратура «Конус» входит в триангуляционную сеть IPN, состоящую из большого числа детекторов.

«За последние 25 лет по данным «Конусов» опубликованы более 100 статей в The Astrophysical Journal и десяток статей в Nature, — говорит Андрей Быков. — Это широко востребованные в астрофизике результаты самого высокого мирового уровня».

Клин вышибается «Конусом»

В дальнейшей программе российских исследований в области гамма-астрономии предусмотрено несколько направлений развития.

Во-первых, установка гамма-спектрометра «Конус» на космической обсерватории «Спектр-УФ» с ориентировочной датой запуска в 2025 году. Во-вторых, разрабатывается проект «Гамма-400», направленный на создание специализированной гамма-обсерватории с датой запуска за горизонтом 2030 года. В-третьих, обсуждается проект наземного гамма-телескопа нового поколения ALEGRO, для которого рассматриваются две площадки — в Приэльбрусье на высоте 3,7 км и в аргентинских Андах на высоте 4,7 км. Черенковский атмосферный телескоп ALEGRO должен иметь рекордную чувствительность для квантов с энергией несколько гигаэлектронвольт и в сочетании с детекторами «Конус» и другими инструментами позволит проникнуть вглубь процессов формирования гамма-излучения космических источников.

Наконец, в-четвертых, в России, как и во всем мире, в качестве дальнейшей перспективы ведется создание высокочувствительных кремниевых гамма-детекторов (DSSD — double-sided silicon strip detector). Российские ученые над ними также работают в рамках международного проекта e-ASTROGAM. Детектор e-ASTROGAM будет состоять из 56 слоев кремниевых пластин площадью по 1 м² каждый. Над этим проектом работают 400 ученых из более чем двух десятков стран. И как раз в ФТИ РАН в рамках этого проекта разработаны технологии кремниевых детекторов, которые уже успешно испытаны в ускорительных экспериментах в ЦЕРНе.

«Мы такие детекторы умеем делать, и реализация этого проекта позволит нам на много порядков улучшить чувствительность измерений, — говорит Андрей Быков. — Однако это международный проект стоимостью порядка 500 млн. евро. Работы по детекторам продолжаются, но тем не менее мы понимаем ситуацию, поэтому предлагаем обсудить план Б — развитие гамма-астрономии с ограниченным бюджетом».

План Б основан на том, что в ФТИ РАН имеется огромный опыт создания и эксплуатации космических детекторов типа «Конус».

«Мы предлагаем рассмотреть возможность установки детекторов «Конус» в лунных проектах: непосредственно на Луне или, еще проще, на окололунной орбите», — поясняет ученый.

Это будут компактные приборы с габаритами менее 35 х 25 см и массой порядка 10 кг, потребляющие меньше 5 Вт. Их установка не очень обременит создателей лунных КА.

«В новых детекторах предполагается использовать перспективные кристаллы бромида лантана LaBr3(Ce), — говорит Андрей Быков. — По ним достигнута высокая степень технологической готовности, хотя кристалл бромида лантана еще никем в мире не испытан в условиях орбитального эксперимента. Но если скажутся экспортные ограничения, то можно использовать обычные детекторы типа натрий-йод. Они не столь чувствительны, но зато их можно сделать в России вне зависимости от внешних условий».

По словам ученого, есть уверенность, что «Спектр-УФ», на который планируется установка аппаратуры «Конус», будет запущен в ближайшей перспективе. На «Спектре-УФ» будут стоять два «Конуса», каждый из которых станет наблюдать свою половину небесной сферы. Эти два прибора на сегодняшний момент готовы к запуску.

«Спектр-УФ» будет работать на околоземной орбите. Наличие дополнительных детекторов на лунных аппаратах создаст хорошую базу для проведения локализации источников методом триангуляции. В качестве третьего КА для триангуляции можно будет использовать российские нейтронные датчики HEND (ИКИ РАН) на межпланетных станциях Mars Odyssey и Beppo-Colombo и тот же «Конус» на КА Wind.

Проект установки датчиков «Конус» на объектах на Луне, ее орбите или на межпланетных миссиях имеет ограниченное финансирование — порядка 100 млн руб., зато позволяет решать важные и интересные задачи. Можно будет осуществлять мониторинг и локализацию транзиентов, что крайне важно для их идентификации с помощью оптических телескопов, включая 6-метровый БТА, новый 2,4-метровый телескоп и глобальную сеть телескопов-роботов «Мастер» Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга. Важным аспектом является возможность совместных наблюдений мощных космических вспышек с орбитальной обсерваторией «Спектр-РГ», новым нейтринным телескопом Baikal-GVD и черенковским телескопом «Тайга».

Наконец, необходимо отметить, что уникальные наблюдательные данные стимулируют традиционно сильные теоретические исследования фундаментальных физических процессов в космических объектах и способствуют формированию и укреплению сильных научных школ с активным привлечением молодых исследователей.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН

Историческая справка. Изучение астрофизических явлений методами внеатмосферной гамма- и рентгеновской астрономии в ФТИ им. А. Ф. Иоффе были инициированы академиком Борисом Павловичем Константиновым в начале 1960-х гг., с началом спутниковой эры. Группой члена-корреспондента РАН Евгения Павловича Мазеца (1929–2013) в начале 1970-х гг. в ходе наблюдений на КА «Космос-461» было получено одно из первых независимых подтверждений нового, загадочного феномена — космических гамма-всплесков, открытых незадолго до этого Р. Клебесаделом с коллегами на спутниках «Вела». Благодаря этому результату группа исследователей в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Е. П. Мазец, С. В. Голенецкий, В. Н. Ильинский, Р. Л. Аптекарь и др.) получила возможность подготовить и провести собственные эксперименты по исследованиям нового астрофизического явления на автоматических межпланетных станциях «Венера 11–14» в 1979–1983 гг. Для исследований на станциях «Венера» была разработана оригинальная высокочувствительная и высокоинформативная по тем временам научная аппаратура «Конус», включающая детекторную систему из шести сцинтилляционных детекторов с анизотропной диаграммой угловой чувствительности, позволяющей автономно определять направление на источник гамма-всплеска. Приборы АМС «Венера» 5 марта 1979 г. зарегистрировали необычный, исключительно интенсивный гамма-всплеск с длительным «хвостом» излучения, пульсирующего с периодом около 8 секунд. Положение источника, определенное триангуляционным методом, совпало с положением остатка сверхновой N49 в спутнике нашей Галактики, Большом Магеллановом Облаке, находящемся на расстоянии примерно 163 тыс. св. лет от Солнечной системы. В дальнейшем вспышки этого источника, названного SGR 0526–66, повторялись, и такие источники повторных всплесков получили название мягкие гамма-репитеры. Они характеризуются гигантскими вспышками мягкого гамма-излучения и сегодня их исследованиям посвящены сотни научных работ.