Японський космічний телескоп XRISM розкриватиме секрети високих енергій Всесвіту.

Перший не вийшов на орбіту. Другий загинув незабаром після виходу в космос, коли було випадково скинуто його гелієвий теплоносій. Третій працював 37 днів, перш ніж його космічний зонд розпався на частини внаслідок фатального обертання.

Японське агентство аерокосмічних досліджень (Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA) сподівається, що четверта спроба стане успішною для революційного рентгенівського приладу, який дасть астрономам безпрецедентний огляд гарячих газів навколо наднових і чорних дір, а також у скупченнях галактик. 26 серпня поточного року агентство планує запустити місію X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), телескоп, оснащений пристроєм, розробленим NASA. Цей космічний інструмент має зробити те, що тривалий час було викликом для рентгенівських телескопів: розділіть рентгенівське випромінювання за окремими довжинами хвиль, як призма розділяє видиме світло. Докладна рентгенівська спектроскопія дасть змогу науковцям не тільки побачити гарячі гази, але й дізнатися, з чого вони складаються та як рухаються. «Це абсолютно новий тип детектора», — сказав астрофізик Пошак Ґанді (Poshak Gandhi) з Саутгемптонського університету.

Атмосфера Землі блокує рентгенівське випромінювання, тому астрономи мають відправитися в космос, щоб їх зареєструвати. Але навіть там робити рентгенівські знімки непросто. Оскільки рентгенівське випромінювання проникає крізь звичайні дзеркала, його фотони збирають та фокусують методом відбивання на малих кутах від поверхні кількох циліндричних дзеркал, вкладених одне в одне. Рентгенівські телескопи, що працюють на основі цього методу, можуть отримувати зображення гарячих газів, які складають більше половини видимої матерії у Всесвіті. Але астрономи хочуть більшого, каже Ґанді. «Нам справді треба вміти розрізняти різні кольори рентгенівського світла».

Звичайні спектрометри «нехтують» рентгенівським випромінюванням, особливо високоенергетичними фотонами від сильних джерел. Але в 1990-х роках інженери Центру космічних польотів імені Ґоддарда NASA розробили приймач на основі мікросхеми під назвою мікрокалориметр, який може вимірювати енергію окремих фотонів рентгенівського випромінювання, що тісно пов’язана з довжиною хвилі. Коли рентгенівське проміння потрапляє на один із пікселів телуриду ртуті в калориметрі, воно вибиває електрон і передає йому всю свою енергію. Це спричиняє підвищенню температури пікселя на незначну частку градуса, а, відтак, нагріванню сусіднього сенсора температури. Щоб зареєструвати ці крихітні кількості тепла, які вказують на енергію фотона, що потрапив на пік сель, весь пристрій потрібно охолодити до 1/20 градуса вище абсолютного нуля.

Астрономи відчули «смак» можливостей мікрокалориметра під час його польоту на борту злощасного телескопа Hitomi (див. «Hitomi — новий крок рентгенівської астрономії», Ред.), третьої спроби JAXA. До того, як зонд у 2016 р. розвалився через фатальне обертання, він виконав новаторські спостереження скупчення галактик у напрямку сузір’ї Персея та кількома іншими об’єктами. «Ми побачили “обіцяну землю”, але не змогли туди потрапити», — сказав Брайан Вільямс (Brian Williams), науковий співробітник NASA в проєкті XRISM. За ці кілька тижнів Hitomi «змінив науку одним порухом пальця», — зауважила Еліза Костантіні (Elisa Costantini) з Нідерландського інституту космічних досліджень, головний дослідник з боку швейцарсько-голландського внеску в місію XRISM. «Це довело, в якій мірі це було потрібно».

Скупчення Персея є одним із наймасивніших об’єктів у Всесвіті, конгломератом тисяч галактик, що плавають у морі газу, нагрітого до 50 мільйонів Кельвінів. За допомогою мікрокалориметра Hitomi дослідники змогли побачити безпрецедентні подробиці газу в рентгенівських променях. Вони виявили лінії спектрі газу, за якими визначили конкретні елементи, такі як залізо. Це вказало науковцям на те, які типи наднових викинули важкі елементи в космос. На подив, хімічний склад був дуже схожий на склад Сонця. Це мало «дивовижно знайомий» вигляд, зазначила Костянтіні.

Дослідники також помітили, що деякі лінії в спектрі були розмиті внаслідок руху газу. Але не дуже: газ скупчення був напрочуд спокійним, а не тим виром, який передбачали теоретики. Одним із перших завдань XRISM буде вивчення інших скупчень, щоб побачити, чи є скупчення Персея винятком з правила чи нормою. «Це домашнє завдання, яке залишила Хітомі», — каже Макото Тасіро (Makoto Tashiro) з Сайтамського університету в Японії, головний дослідник XRISM.

Сектор одного з дзеркал XRISM, яке фокусує рентгенівське випромінювання через відбиття. Авторські права на зображення: Taylor Mickal /NASA. Фото з сайту www.science.org.

Окрім скупчень галактик, XRISM вивчатиме гарячі гази, що обертаються навколо залишків наднових і чорних дір, як надмасивних у галактичних центрах, так і зоряних мас, які перетягують речовину із зір-компаньйонів. «За допомогою рентгенівського телескопа дуже легко знайти чорні діри у Всесвіті», — зауважив Ґанді.

Що не так просто, так це знати, як рухається закручена речовина і чи відбуваються її викиди назовні, тобто в довкілля галактики. Такі процеси впливають на утворення зір і еволюцію галактики. Відомо, що деякі потоки рухаються зі швидкістю сотні кілометрів за секунду. Але є натяки на те, що вітри з частинок дмуть у сотні разів швидше. Це має глибокий вплив на материнську галактику. «Є багато речей, яких ми не знаємо, — сказала Костянтіні.

JAXA наполегливо працювало, щоб гарантувати: XRISM вартістю 190 мільйонів доларів не спіткає доля його попередників. Він має оновлену систему контролю положення, перероблений трубопровід теплоносія та резервний механічний охолоджувач, який дасть йому змогу працювати після того, як через три роки закінчиться гелій. Хоча XRISM має менше інших інструментів, ніж Hitomi, «спектроскопія є найсильнішою стороною, [і] яка може розширити науку», — сказав Тасіро.

Надії на XRISM покращують важкі часи для рентгенівської астрономії. Ця галузь значною мірою покладається на дві головні місії — рентгенівську обсерваторію Chandra («Чандра») NASA та XMM-Newton від Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA). Їм уже понад 20 років, і вони давно вичерпані. «Здоров’я “Чандри” в цілому дуже добре», — відзначив Пет Слейн (Pat Slane), директор рентгенівського центру «Чандра». Але, за його словами, відкладення на фільтрах телескопа знижують чутливість, а його прекрасне теплове екранування погіршується, що призводить до перегріву. Що стосується XMM-Newton, його детектори старіють, каже Норберт Шартел (Norbert Schartel), головний дослідник місії ESA, але він «все ще може робити науку». Команда ESA сподівається, що охолоджувальної рідини для телескопа вистачить до 2030 року.

Якщо будь-який з телескопів припинить роботу раніше, «це буде втратою для галузі», — наголосив Цзячен Цзян (Jiachen Jiang) з Кембриджського університету. Заміни прийдуть не раніше середини 2030-х років.

Це ще вище піднімає ставки на успішний запуск. XRISM — це рентгенівська обсерваторія не загального призначення, як Chandra та XMM-Newton. Але, як сказав Вільямс, це «буде визначальна рентгенівська місія 2020-х років».

За інф. з сайту www.science.org