Рентгенівські знімки, зроблені на вимогу лікаря, бачила кожна доросла людина. Не всі, щоправда, розуміють в який спосіб вдається отримати ці «фотки», хоча й вивчали в шкільному курсі фізики тему про рентгенівські промені. До слова, серед першовідкривачів цих променів був українець Іван Пулюй.
Рентгенівське випромінювання використовують не лише для цілей медицини. Для науковців воно є одним з носіїв інформації про довкілля. З середини минулого століття, коли з’явилася можливість з допомогою ракет піднімати рентгенівські телескопи високо над поверхнею Землі, астрономи реєструють його від різноманітних небесних об’єктів і процесів, що відбуваються в космічному просторі.
Особливість рентгенівських променів полягає в тому, що вони виникають при дуже високих температурах, які, натомість, характеризують активні астрономічні явища. Наприклад, акрецію речовини на чорну діру, чи потужні спалахи на зорях, серед яких і наше Сонце. Друга, важлива для астрономії, особливість рентгенівського випромінювання — воно не проникає крізь атмосферу Землі до її поверхні. Саме тому рентгенівська астрономія по-справжньому розпочалася на початку 60-х років минулого століття, коли телескопи, здатні реєструвати рентген, стали виводити у космічний простір.
Серед лідерів із запусків космічних апаратів для цілей рентгенівської астрономії є японське космічне агентство — п’ять зондів було виведено на орбіту Землі. Щоправда більшість з них зазнали невдачі на різних етапах експлуатації. Новою, шостою, рентгенівською обсерваторією мав стати космічний апарат Hitomi (японською мовою «зіниця»), запущений в космос 17 лютого 2016 року. Перший місяць він працював на орбіті нормально, але наприкінці березня, коли науковці виконували останні перевірки перед введенням обсерваторії в експлуатацію, він несподівано втратив зв’язок із Землею. Невдовзі вдалося з’ясувати, що через помилку в програмному забезпеченні вийшла з ладу його система орієнтації, спричинивши швидке обертання зонда навколо власної вісі. Це призвело до того, що від нього відірвалися навіть сонячні батареї. Після цього місію, на яку покладали багато сподівань астрономи, було припинено.
На світлині — рентгенівська обсерваторія Hitomi. Фото з сайту Японського агентства аерокосмічних досліджень (http://astro-h.isas.jaxa.jp/en/).
Трирічну місію Hitomi розглядали як новий якісний етап рентгенівської астрономії. Це мав бути міжнародний проект де, окрім Японського агентства аерокосмічних досліджень, брали участь Канадське і Європейське космічні агентства, NASA, а також фахівців кількох університетів (зокрема, Кембриджського і Стенфордського) та інших наукових установ з різних країн світу.
Космічний апарат був оснащений телескопами, чутливими до м’якого й жорсткого рентгену, а також м’яких гамма-променів. Тобто міг реєструвати в 10 — 100 разів слабкіше випромінювання в доволі широкій ділянці електромагнітного спектра, ніж це робили попередні космічні зонди. Окрім цього, його прилади мали значно вищу роздільну здатність ніж, наприклад, встановлені на рентгенівських обсерваторіях «Чандра» і «XMM-Newton». Hitomi був обладнаний унікальним калориметром — детектором (приймачем) рентгенівського випромінювання, здатним визначати з високою точністю енергію кожного зареєстрованого ним фотона. Прилад дозволяв визначати рух гарячого газу поблизу чорних дір і в надрах скупчень галактик з недосяжною до цього просторовою роздільною здатністю. Іронія долі в тому, що спроби вивести такий приймач в космос на облавку попередніх рентгенівських обсерваторій Astro-E (2000) і Suzaku (2005) також зазнали невдачі.
З Hitomi трохи пощастило — астрономи встигли використати калориметр до того, як зонд вийшов з ладу. Приймач упродовж майже триденної експозиції реєстрував випромінювання від скупчення галактик у сузір’ї Персея. Воно містить понад тисячу галактик і є не лише найяскравішим серед скупчень зоряних систем в рентгенівському діапазоні, але й однією з наймасивніших структур у Всесвіті. Чорна діра велетенської маси, що лежить в ядрі центральної галактики NGC 1275 скупчення, утворює два плазмові струмені. Вздовж них приблизно кожні 10 мільйонів років поширюються хвилі тиску, утворюючи гігантські бульбашки, що виходять за межі скупчення галактик.
На зображенні показано, як надмасивна чорна діра в центрі скупчення галактик може нагрівати міжгалактичний газ, запобігаючи його охолодженню й формуванню зір. Чорна діра надуває бульбашки (ділянки синього кольору на світлині) з іонізованого газу, тобто плазми, розміри яких досягають десятків тисяч світлових років. У зовнішніх ділянках скупчення галактик ці бульбашки спричиняють турбулентність в газі, що приводить до його нагрівання. Гарячий газ випромінює потужні рентгенівські промені, які реєструють космічні обсерваторії. Фото з сайту http://astronomy.com.
Ендрю Фабіан (AndrewFabian), професор астрономії з Кембриджського університету в Англії й керівник наукової групи Hitomi, зауважив, що зонд дозволив виміряти швидкість руху газу в центрі скупчення галактик із сузір’я Персея в 50 разів краще, ніж попередні рентгенівські обсерваторії. Він звернув увагу також на те, що надмасивна чорна діра, шляхом перемішування газу, утримує його від охолодження і формування нових зір. Без такого перемішування центральна галактика була б набагато яскравішою і мала б значно більшу зоряну масу.
Спостереження показало: швидкість газу (150 кілометрів на секунду) і рівень його турбулентності відносно низькі. Мала турбулентність має «тішити» космологів, адже вони зазвичай оцінюють масу скупчення галактик на підставі рентгенівського випромінювання. Роблять вони це за умови важливого припущення — турбулентність газу незначна. Як бачимо, результати нових спостережень його підтверджують. Це означає, що такий метод оцінки маси скупчень галактик можна сміливо використовувати в космологічних дослідженнях.
Водночас висока температура газу в бульбашках вказує на те, що існує механізм його нагрівання. Оскільки спокійний газ, який поширюється через хвилі тиску від чорної діри, не може його забезпечити, то має бути якесь інше пояснення такого нагрівання. Оскільки нині будь-яку таємницю на космологічних масштабах пов’язують з темною матерією і темною енергією, то нові результати мають зацікавити космологів, які намагаються зрозуміти природу цих складових Всесвіту.
Рентгенівські приймачі Hitomi встигли чітко зареєструвати випромінювання в діапазоні 5,5 — 8,5 кеВ (кілоелектронвольт, кеВ). Науковці не втрачають надії знайти також дані для фотонів з меншою енергією.
На світлині показано комбіноване зображення, утворене на підставі спостережних даних рентгенівських обсерваторій «Чандра» (тло зображення) і Hitomi (центральна частина наймасивнішої галактики скупчення). Рентгенівський спектр з вузькими лініями заліза відображає швидкість гарячого газу. Фото з сайту http://astronomy.com.
Хоча наукова діяльність Hitomi була короткою, дослідники, які оприлюднили результати спостережень на початку липня в журналі Nature, вважають — обсерваторія «відчинила двері» до рентгенівської спектроскопії високої роздільної здатності. Питання лише в тому, коли буде зроблено наступний крок. Запуск європейської рентгенівської обсерваторії Athena (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) намічено аж на 2028 рік.
© Іван Крячко, липень 2016
