В 1999 году на орбиту Земли была запущена Chandra X-ray Observatory. Аппарат, срок службы которого оценивался в 5 лет, уже более 20 лет совершает удивительные открытия и продвигает наши знания о Вселенной вперед. О рентгеновской космической обсерватории, входящей в четверку «Больших обсерваторий», расскажет новый материал проекта «Взгляд в темноту» от InScience.News.
Быстрее, выше, тяжелее
Космическая рентгеновская обсерватория Chandra NASA была разработана специально для обнаружения рентгеновского излучения от особенно горячих объектов Вселенной, таких как сверхновые, нейтронные звезды, квазары, звездные скопления и черные дыры. Chandra была и остается наиболее сложной и эффективной космической рентгеновской обсерваторий из всех построенных на сегодняшний день. Вместе с телескопами Hubble и Spitzer и обсерваторией Compton она входит в четверку «Больших обсерваторий», запущенных NASA на рубеже XX — XXI веков.
Идея Chandra была предложена еще в 1976 году двумя американскими физиками Риккардо Джаккони и Харви Тананбаумом как развитие идей, лежащих в основе рентгеновской космической обсерватории HEAO-2. Работы над созданием обсерватории, которая тогда носила название AXAF, начались на следующий год и продолжались вплоть до 1992 года. Тогда для уменьшения затрат пришлось провести реконструкцию, в результате которой были убраны некоторые из запланированных зеркал и приборов. Однако длина обсерватории составила почти 14 метров, а ее взлетная масса — 22753 кг — абсолютный рекорд массы, выведенной на орбиту шаттлами.
Чтобы сохранить уникальные возможности обсерватории, ее изначально запланированная орбита была изменена на эллиптическую. В результате Chandra оказалась на высоте 133 тысячи км. Это более трети расстояния от Земли до Луны и в 200 раз выше орбиты телескопа Hubble. Самая близкая к Земле точка орбиты находится на расстоянии 16 тыс. км, а полный оборот занимает 64 часа 18 минут. Из-за такой высокой орбиты модернизация или ремонт обсерватории невозможны, в отличие от Hubble. Зато 85% времени она проводит над поясами заряженных частиц, окружающих Землю, и процент полезного времени ее наблюдений намного превосходит большинство существующих спутников, вращающихся на низкой околоземной орбите.
Свое нынешнее имя Chandra получила только в 1998 году в честь лауреата Нобелевской премии, индийско-американского астрофизика Субраманяна Чандрасекара. Он прославился своими работами по изучению белых карликов, внесшими огромный вклад в понимание физики нейтронных звезд и черных дыр. В переводе санскрита слово «chandra» означает «луна».
Запуск и оборудование
Обсерватория была запущена на низкую околоземную орбиту 23 июля 1999 году космическим шаттлом Columbia в рамках миссии STS-93. Командиром шаттла впервые была женщина — Эйлин Коллинз. Ракета с инерционным разгонным блоком, которая и составляла основную часть взлетной массы, подняла Chandra на еще большую высоту, а собственные силовые установки обсерватории вывели ее на окончательную орбиту.
Запуск STS-93. NASA
Изначально планировалось, что обсерватория прослужит 5 лет. В 2001 году этот срок продлили на 10 лет. Однако на дворе уже 2021, и Chandra ведет наблюдения до сих пор. Обсерваторией управляет Центр Смитсоновской астрофизической обсерватории, расположенный в городе Кембридж штата Массачусетс, при содействии Массачусетского технологического института и компании Northrop Grumman Space Technology.
В отличие от оптических телескопов, оснащенных простыми параболическими зеркалами, покрытыми алюминием, в рентгеновских телескопах используется сложная система цилиндрических парабалоидных и гиперболоидных зеркальных поверхностей, покрытых золотом или, как в случае Chandra, иридием. Чтобы рентгеновское излучение отражалось, а не поглощалось зеркалами, их поверхность должны быть идеально гладкой. Если мысленно увеличить зеркала телескопа Chandra до размеров Земли, то высота самой большой горы составит менее двух метров. У Chandra четыре пары вложенных друг в друга зеркал. Попадающие в них рентгеновские лучи фокусируются в конце 9,2-метровой оптической скамьи в точку размером с половину толщины волоса. Такая конструкция обеспечивает Chandra непревзойденное разрешение.
Главное зеркало обсерватории. NASA
Роль регистрирующего детектора играет камера высокого разрешения HRC. Она позволяет улавливать огромное количество фотонов в секунду, что крайне важно при наблюдении далеких и неярких объектов. Спектрометр ACIS (Advanced CCD Imaging Spectrometer) предназначен для построения изображений рентгеновских объектов с одновременным определением энергии каждого фотона. Две дифракционные решетки LETG и HETG (Low и High Energy Transmission Grating Spectrometer), отклоняющие рентгеновские лучи на разные углы в зависимости от их энергии, обеспечивают высокое разрешение изображений.
Чтобы понять, куда направлен телескоп, Chandra использует механические гироскопы. Другие системы навигации на борту обсерватории представлены камерами и датчиками. У нее также есть и подруливающие двигатели для движения и замедления. При этом для работы обсерватории требуется мощность всего 2кВт, примерно столько же, сколько для работы обычного фена.
Открытия и исследования
За долгие годы службы Chandra открыла новые горизонты рентгеновской астрономии. Уникальное оборудование и орбита позволили обсерватории получать изображение, которое в 25 раз превышало по четкости все предыдущие рентгеновские снимки космоса. С помощью Chandra астрономы до сих пор продолжают исследовать черные дыры, сверхновые и темную материю, улучшать понимание происхождения, эволюции и судьбы Вселенной. Chandra улавливает рентгеновские лучи от огромных облаков газа, диаметр который достигает 5 млн световых лет, позволяет наблюдать квазары, расположенные на расстоянии 10 млрд световых лет, и прослеживать частицы до их последней секунды перед падением в черную дыру.
Остатки сверхновой SNR 0519–69.0 в Большом Магеллановом облаке. X-ray: NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes; Optical: NASA/STScI
С помощью Chandra было получено первое изображение остатка сверхновой Кассиопея А, в центре которой обнаружился компактный объект, вероятно, нейтронная звезда или черная дыра. В другом остатке сверхновой — Крабовидной туманности, — астрономам удалось разглядеть незаметные ранее ударные волны вокруг центрального пульсара и джетов. Chandra впервые зафиксировала рентгеновское излучение Стрельца A —сверхмассивной черной дыры в центре галактики Млечный Путь, а также впервые получила рентгеновское изображение ударной волны сверхновой и того, как крупная галактика поглощает более мелкую.
Среди наблюдаемых Chandra галактик оказались и весьма необычные, такие как M60-UCD1 — чрезвычайно плотная и светящаяся карликовая галактика. Chandra также позволила подробно исследовать известные черные дыры, такие как в Messier 87, и открыть множество новых, среди которых был совершенно новый тип, обнаруженный в галактике M82. Этот тип оказался недостающим звеном между черными дырами звездных размеров и сверхмассивными черными дырами. Используя данные Chandra, американские школьники обнаружили в остатке сверхновой Туманности Медуза нейтронную звезду.
Анализируя наблюдения Chandra, ученые предположили, что мощнейшие во Вселенной выбросы энергии — гамма-всплески — могут происходить в областях звездообразования. Также с помощью обсерватории родилось предположение, что пульсары RX J1856.5-3754 и 3C58 представляют собой еще более плотные объекты — кварковые звезды. Кроме того, астрономы доказали, что почти все звезды главной последовательности (этап эволюции звезды, на котором ее единственным источником энергии служит термоядерный синтез, а в ядре содержится водород) являются источниками рентгеновского излучения. Chandra позволила уточнить значение постоянной Хаббла — коэффициента, связывающего расстояние до внегалактического объекта со скоростью его удаления.
В 2006 году, наблюдая столкновение сверхскоплений галактик, Chandra обнаружила убедительные доказательства существования темной материи — формы матери, не вступающей в электромагнитные взаимодействия. Темную материю нельзя наблюдать напрямую, однако с помощью рентгеновского телескопа были получены данные о поверхностной яркости и температуре скоплений, на основе которых ученые рассчитали массовый профиль. При этом рассчитанной массы звезд и газа было недостаточно для удержания входящего в скопления горячего газа, что свидетельствовало о гравитационном воздействии темной материи.
В январе 2015 года NASA объявило, что Chandra наблюдала рентгеновскую вспышку, исходящую от Стрельца A, которая в 400 раз превосходили по яркости вспышки, рекордные для этой черной дыры. Вероятно, они были вызваны разрушением астероида, падающего в черную дыру, или запутыванием силовых линий магнитного поля в газе, текущем в Стрельца A.
Вспышка, исходящая от Стрельца А. NASA
Chandra внесла свой вклад и в изучение планет, показав, что рентгеновское излучение Юпитера исходит от его полюсов, а не от кольца полярных сияний. В сентябре 2016 обсерватория зафиксировала рентгеновское излучение Плутона — первые рентгеновские лучи от объекта пояса Койпера. В апреле 2021 года Chandra обнаружила рентгеновское свечение Урана, а в октябре — первую экзопланету за пределами Млечного Пути, в галактике Водоворот (M51). До сих пор признаки экзопланет наблюдались на расстоянии не более 3 тыс. световых лет. Однако до нового объекта-кандитата, обнаруженного с помощью новой техники обработки данных, целых 28 млн световых лет. Он расположен в системе двойной звезды M51-ULS-1 и сравним по размеру с Сатурном. Его открытие произошло в тот момент, когда он на три часа закрыл собой поток рентгеновского излучения от объекта-компаньона M51-ULS-1, вероятно черной дыры или нейтронной звезды.
Рентгеновское излучение Плутона.
Сегодня Chandra X-ray Observatory остается на орбите, хотя по первым планам давно должна была выйти на пенсию. Кто знает, какие еще открытия ученые смогут совершить с ее помощью?
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
