Невидимая вселенная: орлиный глаз человечества

      Комментарии к записи Невидимая вселенная: орлиный глаз человечества отключены

Невидимая вселенная: орлиный глаз человечества

Рентгеновская астрономия — порождение ракетно-космического века. Она не имела возможности показаться раньше в силу неумолимых законов физики. Воздух надежно защищает поверхность отечественной планеты от коротковолнового электромагнитного излучения, исходя из этого регистрация рентгеновских квантов внеземного происхождения вероятна только на громадных высотах.

Рентген самых высоких энергий возможно найти посредством устройств, размещенных на борту стратостатов, но полностью рентгеновский диапазон раскрывается лишь при выносе аппаратуры конкретно в космическое пространство.

На военной работе

Первые опыты для того чтобы рода были осуществлены во второй половине 40-х годов в Соединенных Штатах под руководством Пентагона. Именно тогда сотрудник вашингтонской Военно-морской исследовательской лаборатории Герберт Фридман сконструировал модифицированный счетчик Гейгера, детектирующий кванты высоких энергий и потому талантливый засечь атмосферный ядерный взрыв (это и была главная цель).

Как раз посредством этих устройств американские ученые и взяли данные об опробованиях первой советской ядерной бомбы 29 августа 1949 года. В том же 1949 году его коллеги и Фридман начали отправлять новые счетчики в космос в носовых конусах трофейных германских ракет «Фау-2», стартовавших с военного полигона Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. Первый же запуск принес наиболее значимую данные — оказалось, что Солнце испускает рентгеновские лучи!

Кстати, через несколько десятков лет история повторилась: во второй половине 60-ых годов двадцатого века американские спутники ядерного мониторинга серии Vela зарегистрировали космические гамма-вспышки, каковые сперва были приняты за ядерные взрывы. Фридман пробовал кроме этого найти рентгеновское излучение звезд, но чувствительности тогдашних детекторов очевидно не хватало, и из данной выдумки ничего не вышло. Но со временем будущее вознаградила Фридмана за упорство — в 1964-м он и его сотрудники первыми нашли рентгеновское излучение известной Крабовидной туманности, появившейся на месте взорвавшейся в первой половине 50-ых годов одинадцтого века сверхновой и покинувшей по окончании себя нейтронную звезду.

Фридман устанавливал собственную аппаратуру на геофизических ракетах, но для систематического поиска космических рентгеновских источников нужно долгое постоянное наблюдение. Исходя из этого в начале 1960-х пара американских астрофизиков убедились, что детекторы рентгена направляться размещать на спутниковых платформах. Среди них был выпускник Миланского университета врач Рикардо Джиаккони.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века его несколько нашла Скорпион Х-1 — первый рентгеновский источник за пределами Нашей системы. К 1966 году опыты на ракетах и воздушных шарах разрешили астрофизикам из америки и Англии распознать более 30 таких источников. Это убедило начальников NASA в целесообразности запуска рентгеновского спутника.

В проекте он именовался X-Ray Explorer, но по окончании выхода на орбиту был переименован в Uhuru, что на языке суахили свидетельствует «свобода» (он ушел в космос с установленной вблизи берегов Кении платформы 12 декабря 1970 года — в Сутки независимости данной страны). Uhuru проработал около двух с половиной лет, и посланная с него информация стала источником многих открытий. Данный аппарат зарегистрировал 339 рентгеновских источников, среди них и объект в созвездии Лебедя, что стал первым в истории астрономии претендентом на роль черной дыры.

телескопы и Спутники

Uhuru был рентгеновским спутником, но никак не телескопом. Любой хороший этого имени прибор обязан владеть оптической совокупностью, талантливой собирать и фокусировать излучение, проходящее через апертуру. Ничего аналогичного на Uhuru не было и в помине.

Вся фокусировка заключалась в том, что рентгеновские лучи перед попаданием на газоразрядные детекторы (практически те же счетчики Гейгера) проходили через узкое отверстие-коллиматор. Эта аппаратура прекрасно регистрировала отдельные точечные источники, но не годилась для съемки протяженных объектов.

Джиаккони это замечательно осознавал. Еще в первой половине 60-ых годов двадцатого века в соавторстве с наибольшим американским экспертом по космическим лучам Бруно Росси он разместил статью, содержащую первую в мире принципиальную схему настоящего рентгеновского телескопа с фокусирующей зеркальной совокупностью. Устроена она была, мягко говоря, нестандартно.

Рефлекторы простых телескопов отражают луч, падающий под любым углом, причем они создают изображение с меньшей аберрацией, в случае если данный угол не через чур велик (угол падения отсчитывается от перпендикуляра к поверхности). Исходя из этого основное зеркало аналогичного телескопа отбрасывает пучок света назад к апертуре.

С рентгеновскими квантами такое не проходит — из-за собственной громадной энергии они фактически не преломляются в веществе (соответственно, нереально создать рентгеновские «линзы») и не отражаются, а поглощаются при любых углах падения, не считая самых «пологих» (около 90 градусов). Исходя из этого для действенного рентгеновского зеркала входящие лучи должны идти практически параллельно отражающей поверхности.

Вычисления продемонстрировали, что зеркало для рентгеновского телескопа должно быть сужающейся полой трубкой с параболической либо гиперболической поверхностью. Рентгеновский луч входит вовнутрь нее со стороны раструба и по окончании отражения выходит из узкого финиша. Еще в 1952-м германский физик-оптик Ганс Волкер подчернул, что для надлежащей фокусировки необходимы две последовательно установленные отражающие поверхности.

Со своей стороны Джиаккони и Росси осознали, что для повышения чувствительности телескопа любой фокусирующий блок обязан складываться из нескольких положенных приятель в приятеля трубковидных зеркал с единой центральной осью. По данной схеме и строят рентгеновские телескопы.

Продолжительный путь к «Чандре»

Джиаккони вместе с другими энтузиастами рентгеновской астрономии задумался о громадном рентгеновском телескопе еще до запуска Uhuru. В мае 1970 года в NASA был направлен проект инструмента с пятью парами зеркал диаметром до 105 сантиметров. Но в Вашингтоне решили поберечь деньги и утвердили более скромный восьмизеркальник. Сперва его именовали HEAO-2 (High Energy Astronomy Observatory-2), а по окончании запуска присвоили имя Эйнштейна.

Эта обсерватория, запущенная в космос 13 ноября 1978 года и проработавшая до апреля 1981 года, и стала первым рентгеновским телескопом. «Эйнштейн» имел разрешающую свойство порядка пяти угловых секунд и регистрировал рентгеновские кванты в диапазоне 200 эВ — 20 кэВ. Эта станция в первый раз осуществила отличное спектрографирование остатков сверхновых и открыла множество весьма не сильный внегалактических источников рентгеновского излучения.

В 1980—1990-е годы европейские государства, СССР и Япония послали в космос много рентгеновских спутников и телескопов (самым замечательным из них был германский ROSAT с зеркалами 80-сантиметрового диаметра, действовавший в 1990—1999 годах). Но ни один из них не смог значительно улучшить уровень качества наблюдений, сделанных «Эйнштейном». Астрономии XXI века был нужен инструмент, владеющий куда более широкими возможностями.

Как раз исходя из этого во второй половине 70-ых годов двадцатого века Джиаккони и его сотрудник Харви Тананбаум направили в NASA новые предложения на данный счет. На этот раз в Вашингтоне выделили средства на их изучение, и проект получил официальный статус.

Крещение

Будущую обсерваторию назвали AXAF (Advanced X-Ray Astrophysics Facility). Задумка была грандиозной — телескоп с шестью парами зеркал с большим диаметром 120 см, талантливый регистрировать в сто раз менее броские рентгеновские источники, нежели «Эйнштейн». Но управление NASA имело иные приоритеты, да и с финансами, как неизменно, была напряженка.

Договор на изготовление телескопа был утвержден только во второй половине 80-ых годов двадцатого века (его взяла калифорнийская компания TRW). В начале 1990-х проекту угрожало закрытие из-за недостатка денег, и он был спасен только за счет некоей утраты качества — ученым было нужно дать согласие, что телескоп возьмёт 8 зеркал, а не 12 и будет оснащен меньшим числом устройств.

NASA совсем утвердила данный усеченный проект в августе 1992-го, а спустя четыре с маленьким года оптическая совокупность телескопа была смонтирована и послана для проверки в Центр космических полетов имени Маршалла. испытания и Калибровка продолжались полгода и подтвердили, что зеркала и регистрирующая аппаратура сделаны безупречно и все модули всецело готовы к сборке. Кстати, тщательность изготовления зеркал этого телескопа до сих пор остается непревзойденной — неточность полировки не превышает нескольких размеров атомов, а точность позиционирования неспециализированной практически трехметровой сборки покрытых иридием пластин образовывает 1,3 мкм!

Наименование телескопу решили выбрать на открытом конкурсе, собравшем более шести тысяч заявок из 61 страны. Победителями были школьник из штата Айдахо Тайрел калифорнийская учительница и Джонсон Джатила ван дер Виин. Как раз они внесли предложение назвать обсерваторию «Чандрой» в честь одного из наибольших астрофизиков XX века Субрахманьяна Чандрасекара.

У этого имени, официально опубликованного в пресс-релизе NASA от 21 декабря 1998 года, имеется еще один скрытый астрономический суть: в переводе с санскрита слово «чандра» свидетельствует «луна» (и «сияющий»).

Телескоп был запущен на орбиту через 7 месяцев по окончании «крещения». 4 февраля его загрузили в огромный военно-транспортный самолет С-5 «Гэлэкси» и доставили из Лос-Анджелеса на мыс Канаверал, а 23 июля «Чандра» отправился в космос на борту челнока «Колумбия». Через два часа по окончании выхода на орбиту космонавты начали операции по перемещению обсерватории из грузового отсека в открытый космос.

После этого в течение 14 дней пять раз по команде с Почвы станция включала разгонные двигатели, каковые вывели ее на вытянутую рабочую орбиту с апогеем 139 200 км и перигеем 9700 км. 12 августа телескоп открыл апертурную заслонку, а спустя пять дней отправил на Землю прекрасное рентгеновское изображение громадного облака раскаленного газа, появившегося по окончании взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи. С этого времени «Чандра» непрерывно трудится в штатном режиме.

Научная начинка

К моменту запуска «Чандры» в небесах трудились (либо уже вышли в отставку) два десятка космических аппаратов, предназначенных для регистрации рентгеновского излучения. Но новая обсерватория сразу же доказала, что она в состоянии трудиться как минимум в 50 раз лучше любого из собственных предшественников. Ее камера большого разрешения позволяет приобретать качественные изображения с точностью до 0,5 угловой секунды — это приблизительно 1/600 углового размера полной Луны.

И в этом «Чандра» до сих пор не имеет равных (к примеру, европейский рентгеновский телескоп «Ньютон», запущенный четырьмя месяцами позднее, снабжает разрешение в 5−14 угловых секунд).

В фокальной плоскости телескопа размещены два прибора — камера большого разрешения и спектрометр. Детектирующее устройство камеры представляет собой две пластины величиной с открытку, на которых находится по 69 млн. узких трубочек из свинцового стекла. Удары рентгеновских квантов выбивают из них электроны, каковые ускоряются электрическим полем и порождают электронные ливни.

Регистрация этих сигналов разрешает выяснить, сколько квантов падает на каждую трубочку, и на данной базе компьютер формирует изображение объекта. В спектрометре задействованы чувствительные ПЗС-матрицы, каковые не только «рисуют» картины, но и измеряют энергию приходящего излучения. Для большей точности телескоп оснащен двумя дифракционными спектрометрами, один из них трудится в диапазоне от 80 эВ до 2 кэВ, а второй — от 400 эВ до 10 кэВ.

Полученная информация хранится в цифровой памяти и иногда отсылается на Землю. Не обращая внимания на много устройств, станция весом в 4,8 т потребляет по земным меркам не так уж большое количество энергии — две трехпанельных полупроводниковых солнечных батареи снабжают ее мощностью в 2350 Вт.

Глаза для космологов

Для чего по большому счету нужна рентгеновская астрономия? И в отечественной Галактике, и в совсем дальнем космосе имеется множество объектов так тёплых, что их излучение смещено в рентгеновский диапазон. Таковы рентгеновские пульсары, скоро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, любая из которых имеет в компаньонах простую светящуюся звезду.

Газ, перетекающий с данной звезды на чёрную нейтронную соседку, нагревается до сотен миллионов градусов и испускает рентгеновские кванты. Замечательное рентгеновское излучение появляется и при падении вещества в черную дыру. Еще один занимательнейший объект изучения — рентгеновские барстеры, космические рентгеновские вспышки, каковые, по всей видимости, также обязаны своим существованием чёрным дырам и нейтронным звёздам.

Источником рентгена может стать и тёплый межгалактический газ, и звезды любого типа, а также самые маломощные коричневые карлики, а также планеты. Исходя из этого ясно, что без наблюдения небосвода в рентгеновском диапазоне отечественные астрономические знания окажутся очень ущербными.

«С отечественного орбитального телескопа поступило так много занимательнейшей информации, что, право, тяжело выбрать самое основное, — поведал «ПМ» директор исследовательского центра рентгеновской астрономии «Чандра» Смитсоновской астрофизической обсерватории Харви Тананбаум. — Как раз ‘Чандра’ распознал в ядрах галактик множество сверхмассивных черных дыр и тем самым подтвердил, что столь экзотические объекты очень распространены во Вселенной. Само собой разумеется, дыры возможно замечать и в оптические телескопы, но ‘Чандра’ находит их в несколько раз чаще.

Крайне важно, что он удачно регистрирует черные дыры, каковые приблизительно в два раза моложе отечественной Вселенной, тогда как оптические устройства лучше отслеживают дыры, появившиеся существенно раньше. Рекордная разрешающая свойство ‘Чандры’ разрешает ему видеть дыры, поделённые малыми углами зрения, что раньше было нереально. По данной же причине как раз ‘Чандра’ первым сфотографировал процесс разрушения простой звезды, которая, на собственный несчастье, через чур близко подошла к черной дыре.

А в 2004 году он в первый раз зарегистрировал замечательные рентгеновские источники, каковые могут быть черными дырами доселе малоизвестного типа с массой в пара сотен солнечных».

Информация, полученная данной орбитальной обсерваторией, свидетельствует, что в замечаемой Вселенной содержится никак не меньше 300 млн. черных дыр. В конце 2002 года «Чандра», опять-таки в первый раз, нашёл две черные дыры, сосуществующие в пределах одной галактики. А годом позднее он зарегистрировал рентгеновскую «подпись» звуковых волн очень низкой частоты, исходящих от сверхмассивной дыры в галактическом скоплении Персея, расположенном в 250 млн. световых лет от Нашей системы.

«В случае если сказать о совсем свежих наблюдениях, то необходимо отметить очень любопытную нейтронную звезду, найденную в ноябре прошлого года, — продолжает врач Тананбаум. — В самой звезде массой около полутора солнечных нет ничего необыкновенного, но вот о ее происхождении необходимо задуматься. Имеется основания считать, что она есть потомком сверхновой, которая при жизни была в 40 раз тяжелее Солнца.

До сих пор считалось, что взрывающиеся звезды массой не меньше 20−30 солнечных весов оставляют по окончании себя не нейтронные звезды, а черные дыры. В случае если оценка массы родительницы новооткрытой нейтронной звезды не содержит неточности, то придется высказать предположение, что кое-какие взрывающиеся звезды-гиганты столь скоро расстаются со промежуточными слоями и своими оболочками, что оставляют по окончании себя довольно легкое ядро, не талантливые сколлапсировать в черную дыру».

В скором времени «Чандра» продолжит удивлять астрологов. По расчетам NASA, он проработает не меньше пяти лет, и деньги на это уже заложены в бюджеты. Астрологи сохраняют надежду, что эти же прогнозы будут настоящи и в 2010 году. По крайней мере, «Чандра» пока не страдает ни от недостатка электричества, ни от дефицита ракетного горючего.

Орбита обсерватории в полной мере стабильна, и все главные блоки функционируют нормально. Так что, как думает Харви Таннанбаум, «Чандра» еще не меньше десяти лет будет додавать все новые кирпичики в космологическую картину Вселенной.

Рентгеновский диапазон

Единого определения рентгеновского диапазона не существует. Многие справочники определяют его как электромагнитные волны длиной 10−10−5 нм (1 нм = 10−9 м). В астрофизике рентгеновский спектр измеряют в электронвольтах (эВ) и относят к нему кванты с энергиями от 100 эВ до 100 (время от времени до 300−500) кэВ (килоэлектронвольт).

Прекрасная четверка

Орбитальный телескоп «Хаббл» положил начало целой серии астрономических инструментов космического базирования, каковые NASA пиара для назвала «громадными обсерваториями» (Great Observatories). Спустя ровно год по окончании запуска «Хаббла», 5 апреля 1991 года, космический корабль «Атлантис» доставил в околоземное пространство второй инструмент — 17-тонную обсерваторию «Комптон», которая проводила наблюдения в твёрдом рентгене и в гамма-диапазоне.

Из-за выхода гироскопов из строя «Комптон» проработал только 9 лет — 4 июня 2000 года он был снят с орбиты и затоплен в Тихом океане. Третья станция — рентгеновская обсерватория «Чандра» (Chandra X-Ray Observatory). Четвертый и до тех пор пока последний представитель семейства «громадных обсерваторий», инфракрасный телескоп «Спитцер», посланный в космос 25 августа 2003 года, благополучно трудится во славу науки на собственной околосолнечной орбите.

Что в имени тебе

Субрахманьян Чандрасекар (1910 — 1995) появился в Лахоре (Индия). Его дядя со стороны отца — Чандрасекара Венката Раман, лауреат Нобелевской премии в области физики 1930 года.

По окончании окончания Президентского колледжа в Мадрасе Чандрасекар продолжил образование в Кембридже, а во второй половине 30-ых годов XX века эмигрировал В США Америки, где до самой смерти был доктором наук Университета Чикаго и взял фундаментальные результаты во всех областях астрофизики, в особенности в теории звездных эволюции и структур звезд, за что в первой половине 80-ых годов XX века был удостоен Нобелевской премии в области физики. В первой половине 30-ых годов двадцатого века Чандрасекар доказал, что масса белого карлика не имеет возможности превышать определенный порог, что на данный момент именуется пределом Чадрасекара.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№40, февраль 2006).

Невидимая Вселенная напоказ


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: