Вечером 13 июня 2012 года в космос после нескольких задержек отправился аппарат NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array — Ядерный спектроскопический массив телескопов). Целью этой орбитальной обсерватории станет изучение космического пространства в рентгеновском диапазоне с беспрецедентной точностью. С легкой руки СМИ NuSTAR уже получил прозвище «охотника за черными дырами».
Немного истории
Земная атмосфера для рентгеновского излучения (то есть в диапазоне энергий фотонов от 0,1 до 100 килоэлектронвольт) не прозрачна, поэтому первые наблюдения за космическими объектами в этом диапазоне начали проводиться только в конце 40-х — начале 50-х годов прошлого века (хотя первые работы в этом направлении проводились еще в 20-е годы прошлого века). Тогда появилась подходящие ракетные технологии, позволявшие поднять детекторы на достаточно большую высоту — первые рентгеновские фотоны из космоса встречаются на высоте 30 километров. Объектом первых исследований было Солнце.
Новый тип астрономии почти сразу зарекомендовал себя на отлично. Собранные учеными данные подтвердили так называемую теорию горячей солнечной короны. Оказалось, что температура верхних слоев атмосферы звезды как минимум на два порядка выше температуры расположенной под ними хромосферы и достигает нескольких миллионов градусов. Ученым также удалось разобраться со спектром рентгеновского излучения Солнца — оказалось, что он состоит из двух частей: непрерывной, обусловленной излучением короны, и линейчатой, связанной с излучением высокоионизованных тяжелых ионов. И все эти данные удалось получить благодаря исследованию диапазона, в котором сосредоточено менее миллионной части всего солнечного излучения.
В 60-х годах прошлого века Солнце все еще оставалось основным объектом исследования рентгеновской обсерватории, однако, ученые стали приглядываться и к другим небесным телам. Ни о каких удаленных объектах они, конечно, не помышляли — бытовало убеждение, что существующая на тот момент техника просто не зарегистрирует никакого излучения из космоса, — однако решили обратиться к Луне. Дело в том, что земной спутник подвергается постоянной бомбардировке космическими лучами. Как следствие, его поверхность излучает, и именно это излучение в 1962 году отправилась изучать ракета Aerobee 150, в итоге обнаружившая первый рентгеновский источник вне Солнечной системы — X-1 в созвездии Скорпиона (это оказался компактный объект, поглощающий материю аккреционного диска). За это открытие Риккардо Джаккони получил Нобелевскую премию по физике в 2002 году.
В 70-х годах основными инструментами изучения рентгеновского излучения все еще оставались аэростаты и ракеты, однако постепенно стали появляться первые орбитальные аппараты, предназначенные исключительно для наблюдения за космическим пространством в соответствующем диапазоне. Новаторами в этой области были американцы. Именно они запустили первый орбитальный телескоп Uhuru (известный также как SAS-1) в 1970 году. Находясь на орбите со средней высотой около 540 километров, аппарат наблюдал за космическим пространством в целом. Впервые у астрофизиков в руках оказалась подробная карта наблюдений космического пространства в рентгеновском диапазоне.
Вслед за SAS-1 последовали американские SAS-3 и HEAO 1, АНС (Нидерланды), UK-5 (Великобритания) и японская «Хакуте». Первый советский аппарат для изучения космического рентгеновского излучения под названием «Астрон» был запущен в 1983 году. В настоящее время половина всех космических обсерваторий работает в том числе и в рентгеновском диапазоне. Есть несколько специализированных аппаратов, например Chandra, запущенный в 1999 году, и Swift, отправившийся в космос в 2004 году.
Особенности рентгеновской обсерватории
Рентгеновская астрономия — дело совсем не простое. В первую очередь это связано с тем, что фотоны рентгеновского спектра плохо отражаются — любая поверхность стремится поглотить такую волну. В настоящий момент существуют два основных способа борьбы с такими трудностями.
Способ первый — это так называемая кодирующая апертура. Вообще говоря, этот метод универсален и может применяться не только для рентгеновского излучения (более того, совсем не нов — к этому методу можно отнести, например, камеру-обскуру). Суть подобных систем заключается в следующем: свет, проходя через непрозрачную маску, отбрасывает на стенку устройства, состоящего в современном исполнении из массива датчиков, тень. Разные источники отбрасывают разные тени, поэтому анализ получившегося рисунка позволяет восстановить изображение источников.
Такая система стояла уже на упоминавшемся SAS-3 и позволяла получить угловое разрешение (минимальный угол между объектами, который может различить оптическая система) в 15 угловых секунд. На тот момент — аппарат был запущен в 1975 году — это был абсолютный рекорд. По этой же схеме функционировал телескоп ТТМ на модуле «Квант-1» орбитальной станции «Мир». В настоящее время с помощью кодирующей апертуры работает телескоп BAT на обсерватории Swift.
Второй способ — это создание телескопов с зеркалами по принципу скользящего отражения. Суть принципа заключается в том, что отраженная электромагнитная волна почти скользит вдоль поверхности при падении на нее под достаточно малым углом. На основе этого наблюдения немецкий физик Ганс Вольтер предложил схему телескопа для рентгеновского излучения, который позволяет минимизировать кому — один из типов аберраций в оптических системах.
Вместо одного цельного зеркала физик предложил использовать несколько сегментов, представляющих собой части поверхностей второго порядка. Всего он предложил три типа, а телескопы, использующие только оптику на основе скользящего отражения, получили название телескопов Вольтера. До недавнего времени, однако, не существовало телескопов Вольтера для жесткого (7-80 килоэлектронвольт) рентгеновского излучения. Все существующие аппараты, работающие в этом диапазоне, используют принцип кодирующей апертуры. Ситуация изменилась, когда появился NuSTAR.
Новый телескоп и его цели
Проект телескопа NuSTAR появился в 2003 году, а в январе 2005 года он был одобрен в рамках программы SMEX (Small Exploration — Малое исследование). Суть этой программы была (и состоит) в создании научных аппаратов с относительно невысокой стоимостью — не более 120 миллионов долларов (цена космического телескопа может измеряться миллиардами долларов). NuSTAR стал 11-м по счету проектом, одобренным в рамках этой программы. Дело, однако, не успело сдвинуться с места — из-за недостатка финансирования проект был заморожен буквально через год после начала разработок. В 2007 году о NuSTAR вспомнили снова, однако ситуация с 2005 годом повторилась один в один.
Работа сдвинулась с мертвой точки только в 2010 году. Тогда же появилась первая вероятная дата запуска — август 2011 года. Старт переносился несколько раз по техническим причинам. Последней датой был март 2012 года, однако тогда инженеры решили, что программное обеспечение пускового комплекса требует дополнительной проверки. Наконец вечером 13 июня 2012 года ракета Pegasus, выпущенная со стартовавшего с атолла Кваджалейн самолета Stargazer, вывела в космос NuSTAR.
В окончательном варианте NuSTAR весит всего 370 килограммов (типичный вес космической обсерватории от 1,6 до 4,5 тонны) и представляет собой по сути бинокль — два спаренных телескопа Вольтера с фокальным расстоянием в 10 метров. Подобное расстояние обеспечивается специальной выдвижной мачтой, которую еще предстоит раскрыть. Каждый телескоп состоит из 133 концентрических зеркал, выполненных, в свою очередь, из отдельных фрагментов (в общей сложности 4680 штук). Каждый стеклянный фрагмент выпекался особым образом вокруг кварцевого сердечника подходящего радиуса. Все фрагменты снабжены покрытием, представляющим собой несколько слоев толщиной в атом с разными физическими свойствами. Вообще, производство зеркал для аппарата было настолько сложным процессом, что по технологии их производства вышло несколько научных статей. В общей сложности каждое зеркало создавалось в течение 4-х месяцев
В результате ученым удалось создать уникальный аппарат. Во-первых, как уже говорилось выше, новый телескоп стал первым телескопом, работающим на принципе скользящего отражения в диапазоне энергий от 7 до 80 килоэлектронвольт. Как следствие, в распоряжении ученых окажется инструмент, чувствительность которого как минимум на два порядка выше существующих систем с кодирующей апертурой, а угловое разрешение аппарата будет лучше на порядок.
Исследователи надеются, что возможности инструмента пригодятся при изучении черных дыр и нейтронных звезд. Сами по себе эти объекты не видны, однако их присутствие можно обнаружить по излучению поглощаемой ими материи. Например, газ и пыль, падая на горизонт событий черной дыры, разгоняются до околосветовых скоростей, излучая, в том числе, и в рентгеновском диапазоне. Новый аппарат также позволит изучать образование тяжелых элементов в молодых галактиках, следить за релятивистскими струями, испускаемыми черными дырами. Наконец, не забудет NuSTAR и про Солнце — старейший объект рентгеновской астрономии. Аппарат будет пристально изучать микровспышки на нем, пытаясь установить, что является причиной столь высокой температуры короны. Первые результаты начнут поступать уже в этом году.