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

В настоящее время разрабатываются новые подходы к созданию зеркал для рентгеновских наблюдений, поскольку существующая технология крайне дорогая, а рентгеновские зеркала являются очень тяжелыми: стоимость спутника Chandra превосходит $1,5 млрд, а его масса составляет чуть менее 5 т.

Для использования фокусирующей оптики на более высоких энергиях понадобится система с большим фокусным расстоянием. Предполагается, что будущий космический телескоп будет состоять из двух аппаратов, на одном из которых установлен блок оптики, а на втором – детекторы. Прототипом такой установки является находящийся на орбите спутник NASA NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope ARray, Массив ядерных спектроскопических телескопов), в котором две части соединены раздвижной фермой. Реализация двухаппаратной концепции в случае свободного полета потребует решения ряда сложных технических проблем.

Рентгеновские наблюдения позволяют достаточно быстро покрывать большую площадь неба (если речь не идет о наблюдениях с фокусирующей оптикой), что способствует проведению обзорных наблюдений и поиску транзиентных (вспыхивающих) объектов. К числу недавних важных открытий следует отнести обнаружение приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами и регистрацию рентгеновских вспышек при выходе ударной волны сверхновой из оболочки звезды.

Рентгеновские наблюдения будут использованы для космической навигации.

В рентгеновском диапазоне наблюдают не только далекие объекты, но и тела Солнечной системы. Поверхность Луны переизлучает солнечные рентгеновские лучи за счет флуоресценции. Также благодаря флуоресценции рентгеновскими источниками являются Марс и Венера. Кометы испускают рентгеновские фотоны в процессе так называемой перезарядки, когда электрон перескакивает от нейтрального атома к иону солнечного ветра. Юпитер своим мощным магнитным полем может удерживать частицы достаточно высоких энергий, являющихся источниками рентгеновских фотонов.

Сейчас рентгеновская астрономия начинает приобретать практическое значение. Во всех ведущих космических агентствах мира идут активные разработки систем ориентации и навигации спутников по наблюдениям пульсаров в рентгеновском диапазоне. Для проверки этой технологии на орбиту уже запущен китайский спутник XPNAV-1, а на борту МКС (Международной космической станции) установлена система SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, Прибор для исследования технологии навигации с использованием рентгеновского излучения пульсаров) в составе инструмента NICER (Neutron star Interior Composition Explorer, Прибор для исследования внутреннего состава нейтронных звезд). Такой подход позволит аппаратам, совершающим полеты к другим телам Солнечной системы, проводить точное определение своего положения и скорости без связи с Землей.

К числу ближайших приоритетных задач для рентгеновской астрономии можно отнести исследования черных дыр и нейтронных звезд, а также изучение скоплений галактик.

К гамма-диапазону относят электромагнитное излучение с энергией квантов выше 100 кэВ. Энергия гамма-квантов слишком велика, чтобы они могли рождаться в тепловых процессах. Однако во Вселенной происходит много явлений, сопровождающихся гамма-излучением: в частности, это могут быть процессы перехода ядер атомов из возбужденных состояний и аннигиляция частиц, а также процессы с большим выделением энергии, ударными волнами и релятивистскими движениями, примером чего могут служить космические гамма-всплески.

Гамма-лучи имеют энергию квантов выше 100 кэВ.

Астрономические исследования в этой области спектра можно разделить на две группы: непосредственная регистрация гамма-лучей с помощью приборов, установленных на космических аппаратах, и наземная регистрация путем детектирования вторичного излучения или вторичных частиц. Поскольку количество гамма-квантов уменьшается с ростом энергии, космические проекты с прямой регистрацией позволяют регистрировать гамма-излучение более низких энергий (до сотен гигаэлектронвольт), а излучение более высоких энергий регистрируется косвенными методами с помощью наземных установок.

На космических аппаратах применяют разные типы детекторов. Детекторы гамма-квантов низких энергий аналогичны применяющимся в рентгеновской астрономии. Например, прибор IBIS на борту обсерватории INTEGRAL работает в диапазоне от 15 кэВ (рентген) до 10 МэВ (гамма). Этот детектор состоит из кадмий-теллуриевых элементов, а для повышения углового разрешения используется метод кодирующей апертуры с маской из вольфрама. В экспериментах «Конус» по изучению гамма-всплесков (эти исследования начались еще в 1970-х гг. с приборов на межпланетных станциях «Венера 11–14») используются сцинтилляционные детекторы на основе кристаллов NaI.

При более высоких энергиях начинают применяться другие методы. Гамма-квант высокой энергии, провзаимодействовав со слоем фольги (например, вольфрамовой), порождает электрон-позитронную пару. Дальнейшая регистрация основана на отслеживании трека этих частиц и измерении их энергии. Например, в детекторе LAT на борту космической обсерватории Fermi электроны и позитроны проходят через слои кремния, что позволяет определить направление исходного фотона, а затем поглощаются кристаллом CsI, что дает возможность измерить энергию фотона. Угловое разрешение таких приборов сильно зависит от энергии фотона; в случае LAT для фотонов с энергией 100 ГэВ угловое разрешение может достигать 0,04 градуса, а на энергиях 100 МэВ оно составляет лишь 3 градуса.

Гамма-излучение можно регистрировать напрямую с помощью приборов на борту космических аппаратов.

В различных экспериментах использовались и другие типы детекторов. Они определяются не только рабочей энергией, но и массой аппарата, стоимостью, энергопотреблением и другими факторами. В будущем на спутниках планируют устанавливать время-проекционные камеры (проекты AdEPT, HARPO). Такие приборы используют в ускорительных экспериментах, таких как ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.

Наземные установки регистрируют атмосферное черенковское излучение или вторичные частицы, порожденные гамма-квантами.

Фотоны с энергией порядка тераэлектронвольт регистрируются с помощью наземных установок. Попадая в земную атмосферу, фотон высокой энергии порождает поток вторичных частиц, в частности электронов и позитронов. Они, в свою очередь, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, испускают черенковское излучение в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Именно оно и регистрируется телескопами.