Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Вселенная и Солнечная система
 Исследователи
Космические аппараты
Страница: Космические аппараты, Оптический диапазон (Part #1, Part #2); Инфракрасный диапазон (Part #1, Part #2); Микроволновый диапазон (Part #1, Part #2); Радиодиапазон. Спектр-Р; Ультрафиолетовый диапазон; Рентгеновский диапазон (Part #1, Part #2);
Наше место в этом мире
Способы изучения космического пространства

Рентгеновские телескопы

    Рентгеновские лучи — диапазон электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 10 нм, промежуточный между ультрафиолетовым диапазоном и гамма-лучами. Поскольку фотоны этого диапазона обладают большой энергией, они характеризуются высокой ионизирующей и проницающей способностью, что определяет сферу их практического использования. Эти же свойства делают их очень опасными для живых организмов. От рентгеновских лучей, приходящих из космоса, нас защищает земная атмосфера. Однако с точки зрения астрономов они представляют особый интерес, поскольку несут важную информацию о веществе, разогретом до сверхвысоких температур (порядка миллионов кельвинов), и процессах, ведущих к такому разогреву.
    Как и в случае с УФ-диапазоном, первые попытки сфотографировать небесную сферу в рентгеновском спектре были сделаны оборудованием, установленным на высотных геофизических ракетах. Главная проблема здесь заключалась в том, что «обычные» методы фокусировки — с помощью линз или вогнутых зеркал — для высокоэнергетических лучей неприемлемы, поэтому приходится применять сложную технологию «скользящего падения». Такие фокусирующие системы имеют значительно большие массы и габариты, чем оптические инструменты, и должны были появиться достаточно мощные ракеты-носители, чтобы рентгеновские телескопы наконец-то вышли на околоземные орбиты.
    Первой такой удачной попыткой стал американский спутник Uhuru (Explorer 42), проработавший с 1970 по 1973 г. Заслуживают упоминания также первый голландский космический аппарат ANS (Astronomical Netherlands Satellite), запущенный в августе 1974 г., и две космических обсерватории НЕАО (NASA) — вторая из них, выведенная на орбиту 13 ноября 1978 г., получила имя Альберта Эйнштейна. Япония 21 февраля 1979 г. запустила аппарат «Хакучо» (CORSA-b), наблюдавший «рентгеновское небо» до 1985 г. Свыше восьми лет — с 1993 до 2001 г. — функционировал второй японский высокоэнергетический телескоп ASCA (ASTRO-D). Европейское космическое агентство «отметилось» в этом направлении спутниками EXOSAT (European X-ray Observatory Satellite, 1983-1986) и BeppoSAX (1996-2003). В начале 2012 г. прекращена эксплуатация одного из «космических долгожителей» — орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer, запущенного 30 декабря 1995 г.

Третий из «Большой четверки»

    Рентгеновский телескоп Chandra, доставленный на орбиту 23 июля 1999 г. на борту многоразового корабля Columbia (миссия STS-93), стал третьей из четырех больших обсерваторий NASA, запущенных в период с 1990 по 2003 г. Название он получил в честь американского физика и астрофизика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара.

 
Это изображение центральных областей Млечного Пути получено путем совмещения снимков, сделанных рентгеновским телескопом Chandra, инфракрасным телескопом Spitzer и орбитальной обсерваторией Hubble (видимый диапазон).
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Геоцентрическая орбита с высотой апогея 139 тыс. км и перигеем около 16 тыс. км позволяет проводить непрерывные сеансы наблюдений продолжительностью до 55 часов, что существенно больше по сравнению с аналогичным показателем для низкоорбитальных спутников Земли. Выбор орбиты связан также с тем, что рентгеновское излучение заметно поглощается даже разреженными газами, содержащимися в самых верхних слоях земной атмосферы — на высотах, где работает большинство искусственных спутников. Период обращения составляет 64,2 часа, причем 85% этого времени Chandra проводит вне пределов радиационных поясов Земли. Недостатком такой орбиты является, в частности, невозможность отправки к телескопу ремонтной бригады (как это неоднократно делалось в случае обсерватории Hubble).

    ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА ЧАНДРА

    > Масса: 4620 кг
    > Длина: 18 м
    > Апертура: 120 см
    > Фокусное расстояние: 10 м
    > Собирающая площадь зеркал: 1100 см2
    > Область спектральной чувствительности: 0,12-12,5 нм (0,1-10 кэВ)

    ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ:

    > Исследование черных дыр в центрах галактик
    > Поиск и изучение сверхмассивных черных дыр, процессов их образования, эволюции, возможного слияния
    > Наблюдение ядер активных галактик, окрестностей сверхмассивных черных дыр
    > Изучение нейтронных звезд, рентгеновских пульсаров, остатков сверхновых
    > Регистрация рентгеновского излучения тел Солнечной системы
    > Изучение областей активного звездообразования, процессов формирования и эволюции скоплений галактик.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Рентгеновский телескоп имеет довольно узкую специализацию. Он предназначен для наблюдений излучения очень горячих объектов Вселенной — таких, как взрывающиеся звезды, галактические кластеры, вещество в окрестностях черных дыр. Однако он может регистрировать и высокоэнергетическое излучение, возникающее тем или иным образом в атмосферах и на поверхностях различных тел Солнечной системы. Первоначально планировалось, что Chandra проработает в космосе 5 лет, но с учетом хорошего состояния бортовых систем его эксплуатация уже несколько раз продлевалась (последний раз — в 2012 г.).

Первое наблюдение телескопа

    Галактические остатки вспышек сверхновых являются источником ценнейшей информации о Вселенной, свидетельством чему могут быть результаты анализа наблюдений телескопа Chandra. В частности, с его помощью была детализирована структура остатка Кассиопея А, создана карта всех входящих и исходящих потоков вещества и ударных волн, пространственно разделены истечения межзвездной и околозвездной материи до момента взрыва Сверхновой, локализованы области ускорения космических лучей. Не менее важными результатом стала надежная регистрация сильных широких линий излучения остатка в режиме спектроскопии сверхвысокого пространственного разрешения и картирование распределения элементов от углерода до железа в выбросах вещества. Определенный из этих наблюдений возраст остатка равен примерно 140 годам, что почти совпадает с оценками, сделанными другими методами. Сравнение возрастов и линейных размеров остатков других сверхновых продемонстрировало способность телескопа Chandra измерять скорость их радиального расширения практически в микромасштабах: например, за 22 года размер остатка Сверхновой SN 1987А в Большом Магеллановом Облаке6 изменился всего лишь на 4 угловых секунды.

Изображение остатка Сверхновой Кассиопея А в условных цветах, соответствующих различным энергетическим диапазонам: красный - 0,5-1,5 кэВ, зеленый - 1,5-2,5 кэВ, голубой - 4-6 кэВ. Снимки тедлескопа Chandra показывают невиданные ранее детали структуры остатка, включая тор, джеты, протяженную центральную компактную туманность, созданную потоками заряженных частиц от пульсара, и сам пульсар в Центре туманности.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ


Туманность, «подпитываемая» пульсаром

    Многие астрономы отмечают, что одним из наиболее впечатляющих достоинств телескопа Chandra является его способность исследовать тонкую структуру так называемых плерионов (Pulsar Wind Nebulae — PWN) — туманностей, «подпитываемых» веществом пульсара, особенностью которых являются чрезвычайно малые размеры — порядка нескольких угловых секунд. Особенно преуспел Chandra в изучении такого объекта в созвездии Паруса — пульсара Vela. На данный момент это наиболее исследованный плерион.

Плерион пульсара Vela.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Снимок компактной туманности вокруг пульсара в созвездии Паруса, сделанный телескопом Chandra, демонстрирует интересную структуру, состоящую из двух дугообразных ударных волн. Они образовались при столкновении облака газа, окружающего пульсар, с веществом туманности при его движении сквозь нее. Джеты, испускаемые пульсаром, видны как яркие прямые отрезки, перпендикулярные дугам. Их направление практически совпадает с направлением движения сверхплотного объекта. Считается, что они возникают благодаря его вращению, а также взаимодействию вещества с мощными электрическими и магнитными полями в его окрестностях.

Изменения формы и яркости джетов.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Повторное фотографирование пульсара Vela рентгеновской обсерваторией Chandra выявило заметные изменения формы и яркости джетов на сравнительно коротких отрезках времени. Здесь представлено четыре из 13 его изображений, полученных на протяжении двух с половиной лет. Длина джетов достигает половины светового года (около 5 трлн км), а их ширина остается практически постоянной на всем протяжении и не превышает 200 млрд км, что можно объяснить наличием в них «удерживающего» магнитного поля. Скорость выбрасываемого пульсаром вещества равна почти половине скорости света. В таких релятивистских потоках заряженных частиц должны возникать нестабильности, уже наблюдавшиеся в экспериментах на специальных ускорителях. Теперь их удалось зарегистрировать на примере реального астрофизического объекта. Рентгеновское излучение в данном случае возникает при взаимодействии сверхбыстрых электронов и позитронов с магнитными силовыми линиями.
    Похожую нестабильность ученые ожидают обнаружить у джетов, испускаемых сверхмассивными черными дырами в центрах галактик, однако ее временной масштаб должен быть гораздо большим (порядка сотен и тысяч лет).
    Крабовидная туманность (Ml) — остаток одной из ярчайших вспышек Сверхновой в истории человечества, наблюдавшейся в 1054 г. Информация о ней содержится в японских, китайских, а также некоторых арабских хрониках.

ТОП-10 НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ЧАНДРА
    1. Молодые солнцеподобные звезды. Длительные наблюдения звездных скоплений в Туманности Ориона (М42) показали, что молодые звезды солнечных масс, имеющие возраст от 1 до 10 млн лет, демонстрируют крупномасштабную вспышечную активность, особенно заметную в рентгеновском диапазоне, при этом частота вспышек и их энергетика почти на порядок превосходит процессы подобного рода, наблюдающиеся на нашем Солнце, возраст которого близок к 4,6 млрд лет. Это может существенно влиять на формирование планет и зон обитаемости вокруг таких звезд.
    2. Сверхновые и остатки сверхновых. Изображения и спектры сверхновых, полученные телескопом Chandra, позволили изучить динамику ударных волн, генерируемых взрывами массивных звезд а также механизмы ускорения электронов и протонов до околосвето-вых скоростей, определить количество и распределение тяжелых элементов, образующихся при вспышках, и исследовать механизмы самих вспышек.
    3. Кольца вокруг пульсаров и джеты. Полученные телескопом Chandra изображения Крабовидной туманности и других остатков сверхновых демонстрируют изумительной красоты кольца и джеты - выбросы высокоэнергетических частиц, испускаемых быстровращающимися нейтронными звездами. Это свидетельствует о том, что они могут служить мощными генераторами таких частиц.
    4. Черные дыры звездных масс. Открытие двух черных дыр (ЧД), массы которых превышают 15 масс Солнца, послужило отправным пунктом для пересмотра представлений о возможных механизмах их эволюции.
    5. Стрелец А* — черная дыра в центре Млечного пути. Телескоп Chandra измерил энергетический выход и темпы уменьшения количества вещества в радиоисточнике Sagittarius А* - сверхмассивной черной дыре, расположенной в центре нашей Галактики (в направлении созвездия Стрельца). Эти данные позволили астрономам сделать вывод, что современный низкий уровень ее активности не является прямым следствием отсутствия запасов «топлива» в ее окрестностях.
    6. Двойные черные дыры. В одной галактике Chandra открыл две сверхмассивных черных дыры, которые, по расчетам, вскоре сольются. Не исключено, что именно таким образом растут ЧД в центрах галактик.
    7. Черные дыры, выбрасывающие вещество. Полученные телескопом Chandra изображения скоплении галактик предоставляют наблюдателям драматические свидетельства долговременной повторяющейся взрывной активности, связанной с вращающимися сверхмассивными ЧД. Эта активность имеет следствием высокоэффективную конверсию гравитационной энергии выпадающего на ЧД вещества в потоки высокоэнергетических частиц. Таким образом, черные дыры из «поглотителей» становятся мощными источниками энергии, за счет чего играют ключевую роль в эволюции массивных галактик.
    8. «Перепись» черных дыр. При обработке результатов наблюдений в рамках программы Chandra Deep Field были открыты сотни сверхмассивных ЧД, аккреционные диски в окрестностях которых при вращении испускают рентгеновские лучи. Существованием этих источников можно объяснить практически все диффузное рентгеновское «сияние» неба, обнаруженное более 40 лет назад и лишь в наши дни получившее адекватное объяснение. «Перепись» сверхмассивных ЧД дает представление о времени формирования этих объектов и об их эволюции. Специалисты также говорят о возможном открытии так называемых «черных дыр промежуточных масс» - фактически новой категории объектов этого класса.
    9. Темная материя. Результаты наблюдений скопления «Пуля» и ряда других галактических скоплений, проведенных телескопом Chandra совместно с несколькими оптическими телескопами, стали бесспорным доказательством того, что большая часть вещества во Вселенной пребывает в форме темной материи. Ее наличие проявляется посредством гравитационного воздействия на «нормальную» материю - электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят «привычные» атомы. Однако прямое детектирование этой компоненты мироздания не представляется возможным (по крайней мере, в наше время). Проведенные обзорные исследования многих скоплений галактик подтвердили, что Вселенная содержит в пять раз больше темной материи, нежели «обычной».
    10. Темная энергия. Полученные телескопом Chandra наблюдательные данные о скорости роста скоплений галактик показали, что расширение Вселенной ускоряется - главным образом по причине преобладания в пространстве субстанции, получившей название «темная энергия». Это независимое подтверждение открытия, сделанного благодаря анализу оптических наблюдений удаленных сверхновых, исключает любые альтернативы Общей Теории Относительности и ужесточает ограничения на природу темной энергии.
    Из других научных достижений наиболее успешного рентгеновского телескопа необходимо отметить проведение детальных спектральных исследований активности сверхмассивных черных дыр в центрах галактик (в том числе обнаружение сверхмассивных ЧД вдвое более активных по сравнению с более ранними оценками), новые данные о процессах формирования скоплений галактик и их эволюции, а также создание общего каталога Chandra Source Catalog (CSC), содержащего свыше 250 тыс. рентгеновских источников на 1% общей площади неба и использующего данные 10 тыс. отдельных наблюдений множества источников различных типов (звезд в непосредственной близости к центру Млечного Пути, галактических и внегалактических рентгеновских двойных, ядер активных галактик и пр.).
ТОП-10 НАУЧНЫХ ДОСТИЖЕНИЙ ЧАНДРА

    Через 900 с лишним лет после вспышки яркой Сверхновой в созвездии Тельца на ее месте видна расширяющаяся газовая туманность, в центре которой находится сверхплотная нейтронная звезда — пульсар. Он продолжает излучать энергию и испускать потоки высокоэнергетических частиц. Несмотря на то, что увидеть его можно только в большие телескопы, суммарное энерговыделение этого объекта в 100 тыс. раз превосходит мощность излучения Солнца.
    Высокоэнергетические электроны, испускающие рентгеновские лучи, теряют энергию быстрее и не успевают «отлететь» далеко от центра туманности, откуда они были выброшены, поэтому видимый размер области излучающей в более длинноволновом диапазоне, значительно больше плериона, сфотографированного телескопом Chandra.

Крабовидная туманность - расширяющееся газовое облако поперечником около б световых лет, возникшее на месте взорвавшейся массивной звезды. Это одно из наибольших по площади мозаичных изображений, составленных из снимков телескопа Hubble.
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

На этом составном изображении голубым цветом нанесены результаты съемки Крабовидной туманности рентгеновским телескопом Chandra, красным и желтым - данные, полученные орбитальной обсерваторией Hubble, пурпурным -космическим телескопом Spitzer (средний инфракрасный диапазон).
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Плерион пульсара в Крабовидной туманности. Изображение составлено из снимков в рентгеновском (показан условным голубым цветом) и видимом диапазоне (красный цвет).
КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Мониторинг Крабовидной туманности наземными и космическими инструментами ведется практически постоянно, за исключением периодов времени, когда недалеко от нее на небе находится Солнце. Этот объект без преувеличения можно назвать одной из самых изученных небесных «достопримечательностей».

Перосъемная насадка: выбор и использование насадки.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru