Космическая астрономия и астрофизика в России. Исследования дальнего космоса
Мы открываем цикл публикаций, посвященных тому, что было сделано в российской науке за первую четверть века в такой широкой области, как астрономия, астрофизика и науки о космосе. Статьи расскажут об исследованиях, проведенных отечественными учеными с помощью космических аппаратов, наземных телескопов, работающих в разных диапазонах электромагнитного излучения, о новых направлениях – гравитационной и нейтринной астрономии, о результатах теоретических исследований и лабораторных экспериментов. Мы надеемся, что читатели смогут составить общее представление о значимости многих ярких академических исследований, выполнявшихся в России в этот достаточно непростой для отечественной науки период, и оценить масштабы ее достижений.
Авторы цикла статей: Зеленый Лев Матвеевич, академик, член Президиума РАН, научный руководитель Института космических исследований РАН и Кильпио Елена Юрьевна, кандидат физико-математических наук, сотрудник Отделения физических наук РАН и Крымской астрофизической обсерватории РАН.
В XX веке, с началом космической эры, возможности получения информации об астрофизических объектах существенно возросли – выход в космос сделал реальными наблюдения в диапазонах электромагнитного излучения, ранее недоступных из-за экранирующего влияния атмосферы Земли. Астрономия стала всеволновой. Несомненно, центральное место в астрофизических космических исследованиях в нашей стране занимает амбициозная и масштабная программа «Спектр», задуманная еще в 80-х годах прошлого века и предполагающая исследования Вселенной в самом широком диапазоне длин волн – от радио до гамма (Спектр-Р или Радиоастрон, Спектр-УФ, Спектр-РГ и, наконец, Спектр-М или Миллиметрон). Реализовываться эта программа начала только в 2011 году, когда был успешно запущен первый из аппаратов этой серии – Спектр-Р. Второй запуск состоялся в 2019 году (Спектр-РГ). Спектр-УФ и Спектр-М еще ждут своей очереди. Но наш рассказ будет построен не по хронологии, а по принципу – от высоких энергий к низким. Также следует упомянуть, что мы ограничиваемся здесь только исследованиями дальнего космоса – рассказ об исследованиях нашей Солнечной системы и имеющихся у нас достижениях будет предметом отдельной статьи.
1Рентгеновская и гамма-астрономия
Начало российской рентгеновской астрономии лежит еще в 80-х годах прошлого столетия, тогда на станции МИР работал гамма-спектрометр «Пульсар». Среди важных результатов, полученных с его помощью, – открытие гамма-излучения от знаменитой сверхновой 1987 года. Примерно в то же время был создан отечественный рентгеновский телескоп АРТ, ставший прототипом будущих более мощных инструментов. АРТ около 10 лет успешно функционировал на астрофизической станции ГРАНАТ и позволил подробно исследовать центр Галактики, открыть новые черные дыры. В 2000 году эти достижения были удостоены Государственной премии – «за результаты астрофизических исследований в рентгеновских и мягких гамма-лучах: наблюдения черных дыр и нейтронных звезд с орбитальной обсерватории «ГРАНАТ» в 1990— 1998 годах».
В 2002 году нашей страной был осуществлен вывод на орбиту Международной космической обсерватории Европейского космического агентства Интеграл (INTEGRAL, International Gamma-ray observatory). Впервые в России был реализован принцип международной обсерватории – в обмен на запуск космического аппарата наша страна получила 25% наблюдательного времени обсерватории, благодаря чему российские астрономы оказались в «элитном» консорциуме тех, кто имел возможность участвовать в самых передовых исследованиях последнего десятилетия – открытии гравитационных волн и их генерации при слиянии нейтронных звезд. Обсерватория проработала в несколько раз больше запланированного (более 22 лет) и завершила свою миссию только в феврале 2025 года (по решению Научного программного комитета Европейского космического агентства, технически ее ресурс еще не был исчерпан до конца). Обсерватория проводила наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного излучения 15 кэВ – 10 МэВ и фактически стала лабораторией ядерной физики в космосе. Наблюдались двух- и трехфотонные аннигиляции электронов и позитронов, удалось зарегистрировать распад радиоактивных изотопов тория и кобальта после вспышек двух сверхновых – 1987 года (уже упоминавшейся выше) и 2014 года. По результатам обсерватории Интеграл к настоящему моменту опубликованы тысячи статей, при этом роль российских ученых в ключевых публикациях по проекту достаточно велика.
Тем временем в 2019 году с космодрома Байконур был произведен долгожданный запуск второго космического телескопа серии «Спектр» – «Спектр-РГ» (Рентген-Гамма), который стал первым в истории российского космоса аппаратом на орбите в окрестности точки Лагранжа L2 (примерно 1,5 млн км. от Земли в направлении от Солнца). Головная роль в этом проекте принадлежит Институту космических исследований РАН (ИКИ РАН), а научным руководителем является академик РАН Р. А. Сюняев.
В составе обсерватории «Спектр-РГ» два телескопа – немецкий eROSITA и первый российский зеркальный рентгеновский телескоп АRТ-ХС (Astronomical Roentgen Telescope – X-ray Concentrator), работающий в более жестком диапазоне энергий, вплоть до 30 кэВ. Необходимо отметить, что в 2024 году коллектив создателей телескопа ART-XC был удостоен премии Правительства Российской Федерации «за создание первого российского рентгеновского зеркального телескопа ART-ХС, открывающее новое направление в технологиях отечественного космического приборостроения».
Диапазоны энергий телескопов eROSITA и АRТ-ХС перекрываются, что дает дополнительное преимущество с точки зрения проведения их калибровок и повышения надежности научных результатов.
С начала работы обсерватории телескопы ART-XC и eROSITA вместе провели четыре полных скана небесной сферы и в декабре 2021 года приступили к пятому. Уже первый обзор eROSITA дал почти миллион новых рентгеновских источников – на порядок больше, чем было известно ранее. По итогам 4-го обзора (более 1,7 млрд рентгеновских фотонов) построена карта, содержащая три миллиона рентгеновских источников. К сожалению, весной 2022 года, по инициативе немецкой стороны, телескоп eROSITA был переведен в спящий режим. Но даже если он так и не будет снова включен, уже полученный огромный наблюдательный материал обеспечивает ученых еще на многие годы исследований.
АRТ-ХС работает в более жестком диапазоне энергий, где наблюдаемых источников меньше, но, тем не менее, уже за первые два года работы обзор, сделанный этим телескопом, позволил найти около полутора тысяч новых источников жесткого рентгеновского излучения, из которых около 10% ранее не были известны. Большая часть этих источников – аккрецирующие сверхмассивные черные дыры, скрытые за толщей газа и пыли в ядрах галактик. После отключения телескопа eROSITA программа научных наблюдений телескопа АRТ-ХС была скорректирована, и ее ключевой задачей стал глубокий обзор уже не всего неба, а плоскости нашей Галактики, завершенный осенью 2023 года, после чего телескоп вернулся к решению основной задачи проекта и возобновил программу обзора всего неба. К концу 2024 года было выполнено 2 полных скана небесной сферы и обнаружены новые интересные объекты.
Обсерватория успешно функционирует, по результатам, полученным «Спектр-РГ», уже опубликованы сотни научных статей и телеграмм об открытиях, и их число постоянно растет. Приведем лишь некоторые примеры.
Обнаружены (телескопом eROSITA) крупномасштабные пузыри горячего газа в гало Млечного Пути, получившие впоследствии название «пузыри eROSITA» (по аналогии с ранее обнаруженными обсерваторией Ферми в гамма-диапазоне пузырями Ферми). Эти структуры четко видны на карте рентгеновского обзора, их угловые размеры сравнимы с размерами Галактики. Скорее всего, они связаны с ударными волнами, вызванными мощнейшим всплеском активности центра нашей Галактики десятки миллионов лет назад. Это открытие помогает понять циркуляцию вещества в Млечном Пути и вокруг него, а также в других галактиках, изучение которых с такой детализацией нам недоступно.