Воскресенье, 26 мая, 2024

16+

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной

Время на чтение 8 мин.

«Чандра, вероятно, думал о нашей Вселенной масштабнее и глубже, чем кто-либо со времен Эйнштейна», — так охарактеризовал американского астрофизика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара Мартин Рис, член Королевского астрономического общества Великобритании. Чандрасекар, или Чандра, как сократили его фамилию в научном мире, собственно, был одним из первых ученых, который в своих работах объединил знания по физике и астрономии.

Мы продолжаем цикл статей о четырех Великих обсерваториях NASA. В прошлый раз мы рассказали об инфракрасном телескопе «Спитцер», теперь на очереди «Чандра» — запущенный в 1999 году аппарат, до сих пор остающийся самой совершенной рентгеновской обсерваторией на орбите нашей планеты.

Начинать нужно заранее

В 1976 году рентгеновская обсерватория Чандра (в то время именовавшаяся аббревиатурой AXAF — Advanced X-ray Astrophysics Facility) была предложена учеными NASA Риккардо Джаккони и Харви Тананбаумом как сменщик на орбите первой в мире рентгеновской обсерватории HEAO-2, которая в то время готовилась к запуску. Рентгеновские излучение от небесных тел полностью поглощается атмосферой Земли. Поэтому, чтобы изучать космос и в этом электромагнитном диапазоне, астрономам необходимы орбитальные аппараты.

Работа над проектом AXAF продолжалась на протяжении 1980-х и 1990-х годов. В 1992 году для снижения затрат в аппарат внесли изменения. Четыре из двенадцати запланированных зеркал были удалены, как и два из шести научных инструментов. Запланированная орбита AXAF была изменена на эллиптическую — в максимальном удалении от Земли телескоп проходил треть пути до Луны. Это исключило возможность модернизации или ремонта с помощью спейс-шаттлов, но выводило обсерваторию за пределы радиационных поясов Земли на большей части ее орбиты.

AXAF получил название «Чандра» в рамках конкурса, проведенного NASA в 1998 году. На него было подано более 6000 заявок со всего мира, а победителями стали учительница средней школы Джатила ван дер Вин и ее ученик Тайрел Джонсон, предложившие название в честь Субраманьяна Чандрасекара.

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной
Джатила ван дер Вин и ее ученик Тайрел Джонсон с Лалитой Чандрасекар (слева), вдовой Субраманьяна Чандрасекара. Фото: chandra.harvard.edu

Тяжелый груз

Первоначально запуск обсерватории планировался на декабрь 1998 года, но был отложен на несколько месяцев. «Чандра» отправился на орбиту 23 июля 1999 года на борту шаттла «Колумбия» в рамках миссии STS-93. При весе больше 22 тонн телескоп оказался самой тяжелой полезной нагрузкой, когда-либо выведенной шаттлом на орбиту. Такой вес обусловлен двухступенчатой инерционной разгонной системой, необходимой для перевода обсерватории на высокую орбиту.

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной
Команда миссии STS-93 с мсштабной моделью телескопа «Чандра». Фото: NASA

Рентгеновские лучи возникают в космосе, когда вещество нагревается до миллионов градусов. Такие температуры возникают там, где господствуют сильные магнитные поля, чудовищная гравитация или происходят взрывы космических масштабов. «Чандра» предназначена для наблюдения рентгеновских лучей из высокоэнергетических областей Вселенной, таких как остатки взорвавшихся звезд.

Огромные облака горячего газа в скоплениях галактик могут иметь диаметр в несколько миллионов световых лет и содержать достаточно вещества, чтобы образовать сотни триллионов звезд. Рентгеновские телескопы способны отслеживать горячий газ взрывающейся звезды или обнаруживать рентгеновские лучи от материи, вращающейся на расстоянии до 90 километров от горизонта событий черной дыры звездной массы. «Чандра» может фиксировать излучение, испущенное частицами буквально за минуту до падения в небытие за горизонт событий.

Необычная орбита

Упоминавшаяся необычная орбита «Чандры» имеет форму эллипса. Космический аппарат проходит более трети пути до Луны, а затем возвращается к точке максимального сближения с Землей на расстояние 16 тысяч километров. Время одного витка — 64 часа 18 минут.

Благодаря этому обсерватория проводит 85 % своей орбиты над поясами заряженных частиц, окружающими Землю. Таким образом, непрерывные наблюдения возможны в течение 55 часов, а общий процент полезного времени наблюдений намного больше, чем если бы «Чандра» находился на низкой околоземной орбите в несколько сотен километров, используемой большинством спутников.

Совершенный инструментарий

Обсерватория состоит из трех основных частей: собственно рентгеновского телескопа, зеркала которого фокусируют рентгеновские лучи от космических объектов; научных инструментов, которые фиксируют излучение; космического аппарат, который обеспечивает работу телескопа и инструментов.

Камера высокого разрешения (HRC) — один из двух инструментов, используемых в точке фокуса «Чандры», где она обнаруживает рентгеновские лучи, отраженные от узла из восьми зеркал. Уникальные возможности HRC обусловлены точным соответствием его возможностей формирования изображений и фокусирующей способности зеркал. При использовании с зеркалами телескопа камера может создавать изображения, на которых видны детали размером до половины угловой секунды. Это эквивалентно способности читать газету на расстоянии полумили.

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной
Один из модулей камеры HRC. Фото: NASA

Спектрометр Chandra Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) представляет собой набор из сложных версий обычных ПЗС-матриц. Этот прибор может одновременно формировать рентгеновские изображения и измерять энергию каждого входящего рентгеновского луча. Таким образом, ученые могут делать снимки объектов, используя только рентгеновские лучи, производимые одним химическим элементом. Благодаря этому инструменту ученые могут анализировать изменения температуры в источниках рентгеновского излучения, таких как огромные облака горячего газа в межгалактическом пространстве, и химические изменения в облаках, образовавшихся в результате взрывов сверхновых.

На борту «Чандры» есть два прибора, предназначенных для спектроскопии высокого разрешения: спектрометр с решеткой пропускания высокой энергии (HETGS) и спектрометр с решеткой пропускания низкой энергии (LETGS).

Миссия продолжается

Хотя изначально ожидаемый срок жизни Чандры составлял 5 лет, 4 сентября 2001 года NASA продлило срок ее жизни до 10 лет «на основании выдающихся результатов обсерватории». Исследование 2004 года показало, что обсерватория может прослужить не менее 15 лет. Впрочем, «Чандра» активно работает до сих пор.

В 1999 году «Чандра» обнаружил источник рентгеновского излучения в созвездии Кассиопеи. Это оказался остаток сверхновой Кассиопея А. Телескоп сделал первый его снимок, который позволил астрономам разглядеть в центре компактный объект — нейтронную звезду или черную дыру. Также «Чандра» уловил излучение от сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, а в галактике М82 обнаружил новый тип черных дыр, промежуточных между сверхмассивными и черными дырами звездной массы.

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной
Фотография объекта Лебедь Х-1, первой открытой черной дыры звездной массы. Фото: NASA

Исследования «Чандры» уточнили значения постоянной Хаббла, показывающей скорость расширения Вселенной, а наблюдение столкновения сверхскоплений галактик в 2006-м дали ученым доказательства существования темной материи — загадочной формы материи, проявляющейся только в гравитационном взаимодействии и составляющей около четверти всего вещества Вселенной.

Также «Чандра» нашел первого кандидата в экзопланеты за пределами Млечного Пути — объект M51-ULS-1b, находящийся в спиральной галактике Водоворот на расстоянии 28 миллионов лет от нас.

Великие обсерватории: «Чандра» — рентген-кабинет для Вселенной
Снимок Юпитера в рентгеновском диапазоне. Фото: NASA

10 октября 2018 года «Чандра» перешла в безопасный режим из-за сбоя гироскопа. NASA сообщило, что все научные инструменты в безопасности, а через несколько дней гироскоп, в котором произошел сбой, был переведен в резерв.

В июле 2008 года NASA предложило проект (pdf) Constellation-X Observatory в качестве следующей крупной рентгеновской обсерватории, но позже была отменена. Позже ESA озвучило планы по подготовке миссии ATHENA — Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics — с предполагаемым запуском в 2028 году. Но пока «Чандра» остается единственным телескопом, улавливающим высокоэнергетические частицы из самых глубин нашей Вселенной.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь