вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №6




Астрономия


Рентгеновский телескоп
АРТ-П на борту
обсерватории «Гранат»



С. А. ГРЕБЕНЕВ,
М. Л. МАРКЕВИЧ,
М. Н. ПАВЛИНСКИЙ,
Р. А. СЮНЯЕВ
академик РАН


К настоящему времени известно несколько сот галактических и внегалактических источников, ярких в гамма— и рентгеновском диапазонах энергий. Среди них — нейтронные звезды и черные дыры, входящие в двойные системы, сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик и квазарах, горячий разреженный газ в скоплениях галактик, остатки вспышек новых и сверхновых звезд. Излучение большинства из них связано с высвобождением энергии при аккреции, т. е. падении в сильном гравитационном поле нейтронной звезды или черной дыры, вещества, захваченного в окрестностях компактного объекта или перетекающего на него со звезды-компаньона в тесной двойной системе. Наблюдаемое рентгеновское излучение свидетельствует об экстремально высоких температурах, до которых разогревается падающее вещество (сотни и тысячи миллионов Кельвинов), и о светимостях, в десятки тысяч раз превышающих светимость Солнца.
Уже почти четыре года с 1 декабря 1989 г. на высокоапогейной околоземной орбите успешно работает международная астрофизическая обсерватория «Гранат» (Земля и Вселенная, 1989, № 3, с. 17). Телескопы, установленные на ней, позволяют проводить детальный спектральный анализ жесткого излучения космических источников в широчайшем диапазоне энергий (от 3 кэВ до 1,3 МэВ) и исследовать переменность излучения на масштабах времен от миллисекунд до года и более. Два основных инструмента обсерватории, отечественный телескоп АРТ-П и французский — SIGMA, предоставили астрономам уникальную возможность наблюдать звездное небо в рентгеновских и гамма-лучах с угловым разрешением в несколько минут дуги, определять точное положение компактных источников и строить карты распределения поверхностной яркости излучения протяженных источников.


ПОСТРОЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ В РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ И ТЕЛЕСКОП АРТ-П

Как правило, рентгеновские источники расположены на достаточно больших угловых расстояниях друг от друга (несколько градусов и более). Однако на небе существует несколько областей и, прежде всего, район центра нашей Галактики, галактическая плоскость (Млечный Путь), Большие и Малые Магеллановы Облака, скопления галактик и т. д., где на площади в один квадратный градус могут находиться сразу несколько ярких источников. Важнейшее преимущество, которым обладают телескопы АРТ-П и SIGMA

Рентгеновский телескоп АРТ-П, установленный на борту орбитальной обсерватории «Гранат». С его помощью группе российских астрофизиков удалось выполнить множество впечатляющих наблюдений и получить уникальные результаты
по сравнению со стандартными рентгеновскими инструментами — способность восстанавливать изображение области неба внутри поля зрения телескопа с высоким угловым разрешением. Стандартные приборы позволяют измерять лишь полный поток излучения от всех источников, оказавшихся в поле зрения. Ширина поля зрения этих инструментов ограничивается коллиматором и обычно бывает порядка одного градуса. Существенно уменьшить поле зрения (чтобы таким образом повысить угловое разрешение) невозможно, так как для этого требуется значительно увеличить массу прибора и ввести жесткие ограничения на точность наведения и стабилизацию космического аппарата во время сеанса наблюдения.

Получить изображение неба в рентгеновских лучах далеко не просто. Оптические схемы, основанные на эффектах отражения и преломления световых лучей и радиоволн, с успехом применяемые в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и радио-диапазонах, в данном случае работают плохо. Большинство материалов либо полностью прозрачны для рентгеновского и гамма-излучения и оно проходит сквозь них не испытывая преломления, либо совершенно непрозрачны. Отражение возможно лишь под очень малыми, скользящими углами падения рентгеновских лучей и только для сравнительно «мягких» фотонов.

Тем не менее телескоп с оптикой косого падения, основанный на принципе отражения под малыми углами, впервые установленный на борту американской орбитальной обсерватории НЕАО-2 им. А. Эйнштейна (запущена в конце 70-х гг.), привел к перевороту в рентгеновской астрономии. Этот инструмент, как и подобный ему, но имеющий большую площадь зеркал, телескоп на борту германской обсерватории ROSAT, успешно работающий на околоземной орбите в настоящее время, эффективны только в сравнительно «мягком» диапазоне энергий (до 4 кэВ). Продвижение в более «жесткий» диапазон дается крайне тяжело, прежде всего потому, что при этом требуется значительное увеличение фокусного расстояния, и соответственно, и физической длины телескопа, а очень длинный инструмент трудно вывести в открытый космос. Лишь недавно, 20 февраля 1993 г. на японском спутнике «АСАКА» (известном также под именем «Astro-D» (Земля и Вселенная, 1992, № 3, с. 40) удалось доставить на орбиту телескоп косого падения, чувствительный к фотонам с энергиями вплоть до 8 кэВ. И лишь в 1996 г. на орбиту планируется вывести размещенную на отечественном спутнике серии СПЕКТР международную астрофизическую обсерваторию «Спектр-Рентген-Гамма», в состав аппаратуры которой войдут телескоп-концентратор косого падения «СОДАРТ», чувствительный к фотонам с энергиями в диапазоне 300 эВ — 20 кэВ, и телескоп косого падения «Джет-Х», регистрирующий фотоны в диапазоне 30 эВ — 10 кэВ.

Мотив кодирующей маски телескопа АРТ-П. Маска состоит из 16 одинаковых мотивов. Принцип построения изображений в телескопах с кодирующей апертурой поясняется нижним рисунком

Принцип работы телескопа АРТ-П (как и телескопа SIGMA) совершенно иной. Каждый из четырех модулей телескопа АРТ-П состоит из позиционно-чувствительного детектора — многопроволочной пропорциональной камеры, кодирующей маски и коллиматора. Излучение источника, проходя через маску, создает на детекторе сложную картину — мозаику из освещенных и затененных мест. Расположение прозрачных и непрозрачных элементов маски подобрано таким образом, что по тени на детекторе удается определить направление приходящего излучения (если более точно, определить вклад, который дает излучение, приходящее из данного направления, в полный поток излучения области неба, ограниченной коллиматором). Поле зрения телескопа равно 3,6°Х3,4°, номинальное угловое разрешение (угловой размер элемента маски) — 5'. Благодаря более высокому разрешению детектора (соответствующему — 1,5'), точность локализации компактных источников обычно оказывается намного выше. Инструмент позволяет получать изображения неба и проводить спектральный анализ излучения рентгеновских источников в диапазоне энергий 2,5—60 кэВ. Телескоп разработан и создан совместными усилиями ученых Института космических исследований (ИКИ РАН) и Особого конструкторского бюро ИКИ в г. Бишкек.

ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЛАСТИ ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА

Центр нашей Галактики — наиболее плотно «заселенная» область неба. В сентябре — октябре 1990 г. эта область была исследована с помощью телескопа АРТ-П в диапазоне энергий 3—17 кэВ. В поле, размером 5° X 5°, были обнаружены 12 компактных рентгеновских источников, в том числе три прежде неизвестных. Они названы источниками обсерватории «Гранат» (Granat Sources: GRS 1734-292, GRS 1736-297 и GRS 1747-312). Ранее, в марте — апреле 1990 г. в ходе наблюдений этого же поля телескопом АРТ-П был зарегистрирован еще один новый рентгеновский источник, GRS 1741.9-2853, расположенный менее чем в 10' (~25 парсек) от известного рентгеновского источника «Стрелец А» (Sgr А). Новый источник в течение двух недель наблюдений был ярким, но к осени 1990 г. исчез.

Сильная переменность была обнаружена и у одного из наиболее ярких (и самого «жесткого») рентгеновских источников в этой области — 1Е 1740.7-2942. Он находится в центре внимания астрофизиков всего мира с 13 октября 1990 г., когда телескоп SIGMA зарегистрировал в его энергетическом спектре линию аннигиляционного

Изображение области вокруг центра Галактики, полученное телескопом АРТ-П в сентябре — октябре 1990 г. в диапазоне энергий 3-17 кэВ. Хорошо видны несколько мощных компактных источников рентгеновского излучения. Здесь и далее, если это не оговаривается особо, по осям отложены склонение и прямое восхождение (эпоха 1950,0 г.) в градусах
излучения с энергией 511 кэВ. Инструменты обсерватории «Гранат» не смогли обнаружить этот источник во время очередных наблюдений весной 1991 г. Он оставался погасшим вплоть до конца года, и лишь к лету 1992 г. его яркость достигла уровня, сравнимого с уровнем 1990 г. Один из самых интересных источников в поле, хотя далеко не самый яркий,— «Стрелец А». По положению он совпадает с компактным нетепловым радиоисточником «Стрелец А» и инфракрасным IRS 16. Анализ собственных движений звезд показывает, что именно здесь находится динамический центр (ядро) нашей Галактики. Предполагается, что здесь скрывается сверхмассивная черная дыра с массой свыше 106 М. Остается только гадать, почему ядро имеет столь низкую рентгеновскую светимость, ~10зв эрг/с (превышающую болометрическую светимость Солнца всего лишь в 250 раз), тогда как светимость многих активных ядер других галактик и квазаров достигает 1043-1044 эрг/с.

Два ярких источника, А 1742-294 и SLX 1744-299/300, являются рентгеновскими барстерами (вспыхивающими источниками). Вспышки, происходящие нерегулярно и имеющие длительность от нескольких десятков до сотен секунд, связывают с термоядерным горением вещества, падающего на поверхность нейтронной звезды при аккреции. Вспышка происходит, когда на поверхности звезды накапливается достаточно много вещества. 9 октября 1990 г. во время сеанса телескопа АРТ-П были зарегистрированы сразу три вспышки от источников, находившихся внутри поля зрения телескопа, самой яркой из которых оказалась происшедшая в источнике SLX 1744-300.

Способность телескопа строить изображение оказывается особенно важной, когда нужно ответить на вопрос, с каким именно из видимых в поле зрения источников связана данная вспышка? Телескоп АРТ-П оказался способным решить это. Экспозиция всего лишь в 10 с, во время которых продолжалась самая яркая вспышка, вполне достаточна, чтобы зарегистрировать источник вспышки — SLX 1744-300. За это время постоянные источники в поле «проработаться» не успели. Этот пример лишний раз иллюстрирует, как сильно может возрастать светимость источника во время вспышки. Отметим, что за 2,5 г. наблюдений телескоп АРТ-П зарегистрировал более 30 таких событий, связанных с объектами из области центра Галактики.

ДИФФУЗНЫЙ ИСТОЧНИК В ЦЕНТРЕ ГАЛАКТИКИ

Наряду с компактными источниками, в центре Галактики обнаружен источник диффузного излучения с угловыми размерами около 1,5°, что соответствует поперечнику порядка 120 пк. Его полная светимость в диапазоне энергий 3-22 кэВ достигает 8·1036 эрг/с или 1/3 от интегральной светимости условной области размером 3°Х3°, окружающей галактический центр.

Телескоп АРТ-П впервые позволил детально исследовать источник диффузного излучения вблизи галактического центра в широком диапазоне энергий, в том числе построить карту распределения его поверхностной яркости в жестких рентгеновских лучах (hν≥8 кэВ). Было обнаружено сильное различие в распределении яркости излучения на энергиях 12-17 кэВ по сравнению с изображениями в более мягком диапазоне, полученными телескопами АРТ-П и в ходе предыдущих экспериментов (приборами спутника «Ginga» и обсерватории «SpaceLab-2») В «жестком» диапазоне рентгеновское изображение имеет много общего с картой гигантских молекулярных облаков, что косвенно указывает на природу диффузного излучения на этих энергиях (томсоновское рассеяние жесткого излучения окружающих компактных источников электронами в молекулярном газе облаков). Это подтверждается сильным фотопоглощением на энергиях выше 7.1 кэВ, зарегистрированным телескопом АРТ-П в спектре излучения диффузного источника (хорошо заметно на изображении 8 диапазоне 8.5-11 кэВ; см. рис. на обложке). В более «мягком» диапазоне диффузное излучение имеет тепловую природу и связано с излучением горячей (Т~5-107 К) оптически тонкой плазмы.


Рентгеновские карты области неба вблизи центра Галактики (размер 2,4° Х 2,4°). Видна сильная переменность компактных источников. Диапазон энергии 8-20 кэВ


Запись скорости счета детектора телескопа АРТ-П 9 октября 1990 г. во время наблюдения области неба вблизи центра Галактики (диапазон энергий 3— 17 кэВ). По вертикальной оси отложена скорость счета имп/с, по горизонтальной время, с. Во время этого сеанса зарегистрированы три рентгеновских вспышки (от источников А1742-294 и SLX 1744-300). Общее небольшое плавное изменение скорости счета связано с вращением спутника, регулярные «провалы» соответствуют временным интервалам, во время которых данные телескопа передаются из временного буфера в бортовую память обсерватории
На врезке: рентгеновское изображение источника — области неба внутри поля зрения телескопа в момент самой яркой из вспышек, зафиксированной в записи. Время экспозиции 10 с. Видно, что источником всплеска был рентгеновский барстер SLX 1744-300

Излучение компактных источников, рассеянное в молекулярных облаках, приходит к нам со значительной задержкой порядка 400 лет (Δt~l/c, где I — линейный размер молекулярного облака порядка 120 пк и с — скорость света). Таким образом, наблюдаемый диффузный поток жесткого излучения позволяет получить верхний предел для общей яркости компактных источников в этой области в далеком прошлом — за последние несколько сотен лет яркость источников в галактическом центре, и в том числе самого ядра Галактики, существенно не изменялась.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ПУЛЬСАРЫ GRS 0834-430 И Н 1657-415

В феврале 1990 г. прибор «Watch» на борту обсерватории «Гранат», регулярно обозревающий все небо в поисках транзиентных (вновь вспыхнувших) рентгеновских источников, зарегистрировал ранее неизвестный яркий источник в созвездии Парусов. Положение источника было измерено с большой неопределенностью, порядка 1°, и в круг ошибок попадал известный, но обычно довольно слабый рентгеновский источник МХ0836-42. Он или какой-то новый неизвестный источник породил вспышку?

Приборы, установленные на трех рентгеновских обсерваториях («Гранат», «Ginga» и «Rosat»), были срочно направлены на эту область. Детектор большой площади на борту спутника «Ginga» обнаружил, что поток излучения пульсирует с периодом 12,3 с (серьезный довод в пользу того, что наблюдается излучение нового рентгеновского источника). МХ0836-42 известен как барстер, т. е. согласно современным представлениям, он содержит аккрецирующую нейтронную звезду со слабым магнитным полем, и маловероятно, чтобы поток излучения такого источника мог пульсировать. Но все же этих фактов для окончательного суждения о природе вспышки было недостаточно. Проблема была решена в ходе наблюдений этой области неба телескопом АРТ-П в декабре 1990 г. и мае 1991 г. Карта, полученная в 1990 г., показывает, что в этой области существует два близких рентгеновских источника, один из которых — известный ранее МХ0836-42, другой — новый источник, получивший название GRS 0834-430. В декабре 1990 г. источник был тусклым и его светимость была сравнима со светимостью МХ0836-42. Источники находятся очень близко друг к другу, на расстоянии менее 25', поэтому в ходе наблюдений 1990 г. достоверно определить, который из них является пульсаром, не удалось. К счастью, к маю 1991 г. источник вспыхнул вновь. Поток его излучения возрос более чем в 20 раз, и телескоп АРТ-П вновь был направлен в эту область. Экспозиции в один час оказалось недостаточно, чтобы зарегистрировать излучение МХ0836-42, в то время как GRS 0834-430 прекрасно получился на изображении. Для сравнения можно отметить, что для получения изображения в 1990 г. потребовалось три сеанса наблюдений длительностью от 10 до 20 ч каждый. Пульсации потока излучения с периодом 12,3 с были надежно зарегистрированы и в ходе майского наблюдения, что не оставило никаких сомнений в том, что источником пульсаций является именно GRS 0834-430.


Карты области неба вблизи нестационарного рентгеновского пульсара GRS 0834-430. Левая получена по данным наблюдений 19-23 декабря 1990 г., правая 28 мая 1991 г. Диапазон энергий — 3-30 кэВ, размер области 2°X 2°



Рентгеновский пульсар Н 1657— 415 и рентгеновский барстер 4U1702-42. Изображение получено 27 марта 1990 г. в диапазоне энергий 3-24 кэВ. На рентгеновском изображении (справа), полученном во время всплеска всего за 50 с, барстер выглядит чрезвычайно ярким, в то время как пульсар даже не начал прорабатываться (проявляться)


Запись скорости счета детектора телескопа АРТ-П 27 марта 1990 г. во время наблюдения поля, содержащего рентгеновский пульсар Н 1657-415. В ходе наблюдения зарегистрирован всплеск излучения от источника 4U1702-42. По вертикальной оси отложена скорость счета (имп/с), по горизонтальной время (с) с 0h00m 27 марта 1990 г.



Общее уменьшение периода пульсаций известного рентгеновского источника SMC X-1, по данным многолетних наблюдений, в том числе и с борта обсерватории «Гранат» (слева) и изменение периода, обусловленное эффектом Доплера при орбитальном движении. На левом графике по вертикальной оси отложен период вращения (с), по горизонтальной — даты наблюдений в юлианских сутках (JD2440000+). Перечислены космические аппараты, с борта которых были получены использованные здесь данные. На правом графике по вертикальной оси — смещение периода пульсаций (10-4 с), по горизонтальной — фаза орбиты

С подобной проблемой пришлось столкнуться и при наблюдении жесткого рентгеновского пульсара Н1657-415, имеющего период 38 с. Эта область неба наблюдалась телескопом АРТ-П 27 марта 1990 г. Наряду с самим пульсаром в поле зрения был виден еще один источник 4U1702-42. Он находился на краю поля зрения, поэтому его излучение регистрировалось с довольно низкой эффективностью. Во время этого сеанса телескопом АРТ-П был зарегистрирован мощный рентгеновский всплеск, что вызвало определенное замешательство у исследователей, поскольку согласно современным представлениям рентгеновский пульсар не может быть барстером, а второй источник казался слишком слабым, чтобы дать такой мощный всплеск. Тем не менее ответственным за него оказался именно он. На карте той же области, полученной в течение 50 с во время всплеска, виден только источник 4U1702-42. Таким образом сенсации не состоялось.

АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧНОСТИ РЕНТГЕНОВСКИХ ПУЛЬСАРОВ И СПЕКТРОСКОПИЯ

Выше приведены только те из результатов работы телескопа АРТ-П, в которых наилучшим образом проявилось его высокое угловое разрешение. Но телескоп зарекомендовал себя и как прекрасный инструмент для стандартных рентгеновских наблюдений — спектроскопии рентгеновских источников и построения их кривых блеска, измерения периодов рентгеновских пульсаров, изучения быстрой хаотической переменности объектов — кандидатов в черные дыры и нейтронных звезд со слабым магнитным полем.

По результатам девяти разных экспериментов, выполненных в течение 22 лет, была построена кривая векового изменения периода пульсаций известного рентгеновского пульсара SMC X-1. В нее вошли и данные телескопа АРТ-П. В апреле — мае 1990 г. с помощью телескопа АРТ-П было измерено изменение периода пульсаций источника при его орбитальном движении, обусловленное эффектом Доплера. Период пульсаций SMC Х-1, отнесенный к барицентру двойной системы, оказался равен 0,7095 с, а период орбитального движения — 3,89 дня. Подобные наблюдения позволяют с высокой точностью определять параметры орбиты рентгеновских источников.

Рентгеновские спектры источника GX 339-4 в «высоком» и «низком» состояниях, измеренные с помощью приборов обсерватории «Гранат» в 1990 г. Интенсивность излучения GX 339-4 увеличилась между наблюдениями телескопов «SIGMA» 27—28 марта и АРТ-П 2—3 апреля в 1,6 раза. По вертикальной оси отложен поток излучения (фотонов/см2/с/кэВ), по горизонтальной — энергия (кэб)

«Гранат» не обошел вниманием и наиболее экзотические объекты современной астрофизики — черные дыры. Были изучены несколько объектов-кандидатов в черные дыры, получены их спектры. Одним из таких источников был GX339-4. Во время наблюдений в марте-апреле 1990 г. источник находился в «низком» состоянии интенсивности и имел жесткий степенной спектр излучения, подобный спектру «Лебедя Х-1» — наиболее известного кандидата в черные дыры. 18 августа 1990 г. GX339-4 наоборот был очень ярок в стандартном рентгеновском диапазоне (источник находился в «высоком» состоянии), однако его спектр был чрезвычайно «мягким» — тепловым. Он был близок к спектру излучения черного тела с температурой Т~107 К. Подобный спектр должен формироваться в оптически непрозрачном аккреционном диске.

Это лишь два примера, иллюстрирующих, насколько может быть эффективен телескоп АРТ-П для исследования излучения рентгеновских источников. Всего к настоящему времени с помощью этого инструмента выполнено более 500 сеансов наблюдений и изучены десятки источников.