Час X-лучей: как японский спутник будет изучать самые горячие объекты во Вселенной

Горячие точки

Каждый объект во Вселенной испускает разные излучения. Какое из них преобладает, зависит от температуры источника. Теплое человеческое тело излучает в основном инфракрасные волны. Звезды, разогретые до нескольких тысяч градусов — свет. Вещество с температурой от десятков тысяч до миллиона градусов испускает главным образом ультрафиолетовые лучи. А материя, раскаленная до миллионов и сотен миллионов градусов — рентгеновские. Чтобы изучать столь горячие объекты, и нужны рентгеновские телескопы. Атмосфера поглощает рентгеновские лучи, поэтому инструменты приходится выводить на орбиту.

Где же вещество разогревается до «рентгеновской» температуры? Например, в коронах звезд, в том числе Солнца. Между прочим, до сих пор неизвестно, почему солнечная корона раскалена до миллионов градусов, хотя поверхность — всего до нескольких тысяч. Но звезды — сравнительно слабые источники рентгеновских лучей. На сколько-нибудь приличном расстоянии они уже не видны, так что тон на рентгеновском небе задают вовсе не звезды.

Куда ярче светится в рентгене материя, падающая на черные дыры. Сама черная дыра, как ей и положено, ничего не излучает. Но если она находится в облаке вещества, начинается иллюминация. Могучая гравитация «хищницы» закручивает материю в диск, вращающийся с околосветовой скоростью. Потоки вещества по спирали спускаются к черной дыре и сталкиваются друг с другом. Трение разогревает их до сотен миллионов градусов. Подобную карусель (аккреционный диск, как выражаются астрономы) устраивают вокруг себя черные дыры самого разного калибра. От монстров в миллионы и миллиарды солнечных масс до скромных остатков отгоревших звезд массой в несколько солнц. Горячие диски падающего вещества, хотя и не столь впечатляющие, бывают также вокруг нейтронных звезд и белых карликов.

Но самый масштабный источник X-лучей — горячий межгалактический газ в скоплениях галактик. Он невероятно разрежен: в литре такого газа содержится примерно один атом. Можно было бы счесть, что это просто вакуум, если бы эта «пустота» не превосходила по массе все галактики скопления в несколько раз. Да, межгалактические просторы почти пусты, но зато и необозримо огромны.

Мы сказали «один атом», но на самом деле межгалактический газ состоит не из атомов. Его температура — десятки и сотни миллионов градусов. В таких условиях атомы разваливаются, превращаясь в плазму — равномерный коктейль из атомных ядер и оторванных от них электронов. Столь громадную температуру газу придают галактики, резвящиеся в нем, словно дельфины в воде. Скорости галактик в крупном скоплении измеряются тысячами километров в секунду. Вместе с галактикой смещается и вектор ее притяжения, и частицы газа спешат за ним. А ведь температура — это и есть средняя скорость движения частиц, разве что измеренная в других единицах.

Телескоп XRISM будет изучать и аккреционные диски, и межгалактический газ. Разумеется, не он первый этим займется. Расскажем, чем новый инструмент выгодно отличается от предшественников.

Рентген для космоса

XRISM — это аббревиатура от названия X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, то есть «Миссия по рентгеновской визуализации и спектроскопии». Спутник несет на борту два инструмента: рентгеновскую камеру и спектрометр.

Камера работает примерно так же, как обычный цифровой фотоаппарат. Только регистрирует она не световые фотоны, а рентгеновские. И задачи у нее похожие: получать изображение объекта, измерять его яркость и «цвет».

Работа спектрометра куда тоньше. Он должен разложить рентгеновские лучи в спектр. Спектр обычного света — это всем известная «радуга», которую можно получить с помощью призмы. Голубые волны несут больше всего энергии, а красные — меньше всего. Так и спектрометр XRISM должен рассортировать рентгеновские фотоны, педантично отметив, сколько поступило квантов той или иной энергии.

Какую информацию это даст астрономам? Температуру, состав и даже скорость движения потоков газа, испускающих рентгеновские лучи. Тем самым межгалактическое вещество и аккреционные диски будут буквально разобраны на компоненты.

XRISM справится с этим значительно лучше, чем любой другой рентгеновский телескоп до него. Дело в оригинальной конструкции спектрометра. В ее основе простая идея: рентгеновский квант, поглощаясь мишенью, чуть-чуть нагревает ее. Измерив это «чуть-чуть», можно определить энергию кванта. Благодаря охлаждению жидким гелием мишень спектрометра всего на несколько сотых долей градуса теплее абсолютного нуля. Она гораздо холоднее, чем что угодно в природе. Подобные криогенные установки соревнуются друг с другом за звание самого холодного места во Вселенной. Но даже при этом трудно представить, как можно обнаружить нагрев от одного-единственного кванта излучения.  Для этого нужны фантастически точные термометры, появившиеся лишь недавно.

К слову, гелий постепенно испаряется. Его запас рассчитан на три года. После этого XRISM уже не сможет получать точные спектры.

Разложить Вселенную по полочкам

Итак, каких ответов астрономы ждут от нового инструмента?

Прежде всего, загадочно само существование галактических скоплений. Испуская рентгеновские лучи, межгалактический газ теряет энергию и, следовательно, охлаждается. Рано или поздно он остынет и сконцентрируется в облака, уже не заполняющие собой пространство между галактиками. Учитывая громадную массу газа, это нарушит баланс гравитационных сил и разрушит скопление. По расчетам специалистов, все это должно произойти за какой-нибудь миллиард лет. Между тем скопления галактик существуют уже более 10 млрд лет и совершенно не собираются разрушаться. Выходит, теоретики не учли чего-то очень важного. Детальные наблюдения за межгалактической средой могут дать ключ к этой загадке.

Ученых интересует и состав межгалактического газа. Если бы этот газ был «строительным мусором», оставшимся от формирования галактик, он состоял бы только из водорода и гелия. Это единственные элементы, образовавшиеся сразу после Большого взрыва в сколько-нибудь заметном количестве. Но на деле в межгалактическом газе довольно много элементов тяжелее гелия — всего в несколько раз меньше, чем в Солнце. Это значит, что к первозданному веществу примешивается газ, прошедший термоядерную переработку в недрах звезд. Какие силы выбросили его из галактик на пустынные межгалактические просторы? Это могли быть взрывы сверхновых, активность сверхмассивных черных дыр или что-то еще. Астрономы хотят разобраться в этом, а для этого им нужно как можно точнее знать состав межгалактической среды.

Кстати, о черных дырах. XRISM, как и его предшественники, займется их аккреционными дисками. Исследователи надеются, что детальные спектры помогут изучить, как черная дыра искривляет пространство и время вокруг себя.

Еще один интересный объект — облака плазмы вокруг звезд. Излучение светила срывает электроны с атомов межзвездного газа, окружая звезду разреженной плазменной сферой.  Эта плазма недостаточно горяча, чтобы испускать рентгеновские фотоны. Напротив, она поглощает их, но не все подряд, а только имеющие определенную энергию. Получается этакая полупрозрачная вуаль. Через подобные вуали телескоп XRISM будет наблюдать источники X-лучей, например, далекие черные дыры. Определив, фотоны с какой именно энергией поглотились «вуалью», можно получить своего рода теневой спектр (спектр поглощения). По нему, как и по обычному спектру, можно судить о температуре, составе и скорости движения поглощающей плазмы. Таким путем XRISM сможет изучить плазму даже вокруг первого поколения звезд, зажегшегося более 13 млрд лет назад. По расчетам теоретиков, эти светила очень отличались от современных, и ученым не терпится проверить свои выводы наблюдениями.