Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Атмосфера Земли не пропускает рентгеновские лучи, поэтому наблюдения в этом диапазоне (на энергиях квантов примерно от 100 эВ до 100 кэВ, что соответствует длинам волн от 0,01 до 10 нм) возможны только из космоса (или самой верхней атмосферы для самых больших энергий). Рентгеновское излучение солнечной короны было впервые зарегистрировано в конце 1940-х гг., причем детектор был установлен на трофейной ракете V-2 («Фау-2»), совершившей суборбитальный полет. Первый источник вне Солнечной системы – двойная система с аккрецирующей нейтронной звездой – тоже был открыт в результате запуска детекторов на ракете. Это произошло в 1962 г. в эксперименте, проводившемся Риккардо Джиаккони с коллегами. За свой вклад в развитие рентгеновской астрономии в 2002 г. Джиаккони получил Нобелевскую премию по физике. Наблюдения в рентгеновском диапазоне проводились также с помощью приборов на высотных аэростатах, однако для них доступным является лишь диапазон энергий выше 35 кэВ, поэтому основные открытия были сделаны с помощью космических аппаратов.

Рентгеновские наблюдения возможны только из космоса.

Рентгеновская астрономия занимает очень важное место в исследовании Вселенной, поскольку фотоны высокой энергии испускаются веществом в экстремальном состоянии. Это может быть тепловое излучение очень горячей плазмы с температурой в миллионы градусов и выше. Такая ситуация реализуется, например, в аккреционных дисках вокруг черных дыр и в скоплениях галактик. Именно рентгеновское излучение позволяет нам в прямом смысле видеть поверхность нейтронных звезд. Также источником рентгеновского излучения являются электроны высоких энергий при движении в магнитном поле, что происходит, например, в магнитосферах пульсаров и магнитаров. Наконец, существуют спектральные линии в рентгеновском диапазоне: например, известная К-линия железа на энергии 6,4 кэВ. Изучение таких линий в дисках вокруг черных дыр позволяет определять темп вращения этих объектов.

Рентгеновский диапазон – это излучение с длиной волны от 0,01 до 10 нм.

Поскольку фотоны рентгеновского излучения имеют большую энергию, детектирование существенно отличается от применяемого в оптической или радиоастрономии. В рентгеновском диапазоне доминируют квантовые свойства излучения, а не волновые. Рентгеновские лучи очень трудно фокусировать, поскольку коэффициент преломления большинства материалов для этого диапазона очень близок к единице, кроме того, рентгеновские лучи очень сильно поглощаются в веществе. Поэтому первые детекторы имели довольно низкую чувствительность и очень плохое угловое разрешение.

Самый простой тип детекторов рентгеновских лучей, применявшихся в астрономии, – это счетчики Гейгера и пропорциональные счетчики, основанные на производимой рентгеновскими фотонами ионизации газа. Для достижения хотя бы минимально разумного углового разрешения перед детектором устанавливались коллиматоры, пропускавшие излучение лишь с небольшого участка неба площадью несколько квадратных градусов. Инструменты на первой рентгеновской орбитальной обсерватории Uhuru («Ухуру») позволяли добиться разрешения около половины градуса. Однако каталог Uhuru включал всего лишь около трех сотен объектов, многие из которых удалось связать с источниками в других диапазонах. Поэтому даже небольшое угловое разрешение позволило начать активное изучение астрономических объектов в рентгеновском диапазоне.

Первый рентгеновский источник вне Солнечной системы открыт в 1962 г.

Другой тип приборов, которые используются для детектирования рентгеновских фотонов, называется сцинтилляционными детекторами. Рабочим телом в них являются, например, кристаллы йодида натрия (NaI) или йодида цезия (CsI). При попадании рентгеновского фотона в вещество детектора происходит ионизация, энергия образующихся электронов тем или иным способом возбуждает атомы или молекулы (механизм зависит от типа детектора), которые затем переизлучают в оптическом или УФ-диапазоне. Эти вспышки можно зарегистрировать с помощью обычных фотодетекторов.

Рентгеновские детекторы обычно регистрируют отдельные кванты.

Также в научных приборах применяются твердотельные полупроводниковые детекторы на основе германия или теллура и кадмия. Рентгеновские фотоны, попадая в полупроводник, порождают электронно-дырочные пары, которые можно зарегистрировать. Такие детекторы установлены, например, на европейском спутнике INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory, Международная астрофизическая гамма-обсерватория, «Интеграл»), где для достижения хорошего углового разрешения используют кодирующую апертуру. Перед детектором устанавливается маска, состоящая из прозрачных и непрозрачных элементов, а анализ сложной теневой картины позволяет с высокой (для жесткого рентгеновского диапазона) точностью восстановить карту распределения источников в поле зрения.

Угловое разрешение в рентгеновском диапазоне даже с помощью простых приборов заметно выше, чем в гамма-диапазоне. В частности, это позволило в конце 1990-х гг. решить загадку космических гамма-всплесков. Одновременная регистрация события в гамма- и рентгеновских лучах позволила получить достаточно точные координаты, которые были использованы для оптических наблюдений. Благодаря этому была идентифицирована галактика, в которой произошел всплеск, и тем самым подтверждена космологическая природа этого явления.

Зеркальные фокусирующие системы позволяют улучшить чувствительность и угловое разрешение рентгеновских телескопов.

Наконец, существует возможность использования фокусирующей оптики. Ее разработки начиная с 1960-х гг. проводили Риккардо Джиаккони и Бруно Росси (Bruno Rossi). В крупном масштабе она была впервые применена на спутнике HEAO-2 (High Energy Astrophysics Observatory, Высокоэнергетическая астрофизическая обсерватория, или Обсерватория «Эйнштейн»), запущенном в 1978 г. (до этого несколько небольших прототипов для солнечных наблюдений летали на спутниках и на борту орбитальной станции Skylab). Рентгеновские лучи не только плохо преломляются, но и плохо отражаются, поэтому используются зеркала косого падения – набор вложенных друг в друга конусообразных зеркал с металлическим напылением. Лучи, падающие под малым углом к зеркалу (практически параллельно его поверхности), могут отражаться и тем самым фокусироваться. Это позволяет достичь и высокой чувствительности, и высокого углового разрешения.

Начиная с 1970-х гг. рентгеновская астрономия активно развивалась в США и Европе, а также в СССР (России) и Японии, сейчас к исследованиям активно подключаются Индия и Китай. На текущий момент наиболее совершенными рентгеновскими обсерваториями являются американский спутник Chandra и европейский XMM-Newton (оба аппарата запущены в 1999 г.), где в качестве детекторов используются ПЗС-матрицы, работающие в рентгеновском диапазоне. Chandra является рекордсменом по угловому разрешению, а XMM-Newton – по собирающей поверхности.