Японский спутник изучит самое горячее во Вселенной

В космос сегодня, 28 августа 2023 года, отправляется японский орбитальный рентгеновский телескоп XRISM. Он поможет заглянуть в окрестности чёрных дыр, изучить эпоху первых звёзд и раскрыть тайну галактических скоплений.


Объекты во Вселенной — это источники излучений с разными параметрами. Человеческое тело излучает в основном инфракрасные волны. Разогретые до нескольких тысяч градусов звёзды — свет. Вещество с температурой от десятков тысяч до миллиона градусов испускает главным образом ультрафиолет. А раскалённая до миллионов и сотен миллионов градусов материя — рентгеновские лучи. Изучать наиболее горячие объекты позволяют рентгеновские телескопы. А поскольку атмосфера Земли поглощает рентгеновские лучи (X-лучи), соответствующие инструменты приходится выводить на орбиту.

Вещество разогревается до температуры рентгеновского излучения в коронах звёзд. Но намного ярче светится в рентгене материя, падающая на чёрные дыры. Такое случается, если чёрная дыра находится в облаке вещества. Её мощнейшая гравитация закручивает материю в так называемый аккреционный диск, который вращается почти со скоростью света. Потоки вещества по спирали спускаются к чёрной дыре, сталкиваясь друг с другом. Трение разогревает их до сотен миллионов градусов.

Горячие диски падающего вещества возникают также вокруг нейтронных звёзд и белых карликов. Но наибольший источник X-лучей — горячий газ в скоплениях галактик. По разреженности он — почти вакуум, однако превосходит по массе все галактики в скоплениях в несколько раз. Причём при температуре в десятки и сотни миллионов градусов такой газ состоит не из атомов, а из плазмы. Скорости галактик в крупном скоплении измеряются тысячами километров в секунду, откуда и возникает столь высокие температуры.

Итак, телескоп XRISM будет изучать и аккреционные диски, и межгалактический газ. XRISM — это аббревиатура от X-ray Imaging and Spectroscopy Mission, то есть «Проект по рентгеновской визуализации и спектроскопии». Спутник оснастили двумя инструментами: рентгеновской камерой и спектрометром. Камера работает примерно, как цифровой фотоаппарат, только фиксирует рентгеновские лучи, также измеряя яркость и условный «цвет». А спектрометр должен разложить рентгеновские лучи на частицы, фиксируя, сколько поступило квантов той или иной энергии.

XRISM будет отправлять астрономам данные о температуре, составе и скорости движения потоков газа, испускающих рентгеновские лучи. Он должен справиться с этим лучше других рентгеновских телескопов благодаря конструкции спектрометра. Принцип работы таков: рентгеновский квант нагревает мишень, что позволяет определить его энергию. За счёт охлаждения жидким гелием мишень спектрометра всего на несколько сотых долей градуса теплее абсолютного нуля, то есть чуть теплее -273,15 градуса по Цельсию. Оценить изменения после столкновения квантов с мишенью стало возможным недавно, после появления достаточно точных для этого термометров.

Учёных интересует также состав межгалактического газа. В нём довольно много элементов тяжелее гелия, хотя и в несколько раз меньше, чем в Солнце. Из галактик в межгалактические просторы его могло выбросить взрывами сверхновых, активностью сверхмассивных чёрных дыр или чем-то иным.

А также XRISM займётся аккреционными дисками чёрных дыр. Исследователи надеются, что детальные спектры помогут изучить, как чёрная дыра искривляет пространство и время.

Ещё один интересующий науку объект — облака плазмы вокруг звёзд. Излучение светила срывает электроны с атомов межзвёздного газа, окружая звезду разреженной плазменной сферой. Эта плазма недостаточно горяча, чтобы испускать рентгеновские фотоны. Напротив, она поглощает некоторые из них, оставляя подобие полупрозрачной вуали. Через такие «вуали» телескоп XRISM будет наблюдать источники X-лучей, в том числе далёкие чёрные дыры. По энергии поглощённых фотонов можно высчитать спектр поглощения. А по нему можно судить о температуре, составе и скорости движения поглощающей плазмы.

Таким образом, XRISM сможет получить сведения о плазме даже вокруг первого поколения звёзд, которые зажглись более 13 млрд лет тому назад и которые могли существенно отличаться от современных.

Что касается срока службы телескопа, то запас гелия на XRISM постепенно испаряется, так что рассчитан на три года. Затем точность измерений упадёт.