ОБСЕРВАТОРИЯ "ИНТЕГРАЛ"

Семнадцатого октября 2002 года с космодрома "Байконур" ракета-носитель "Протон" вывела на околоземную орбиту международную космическую обсерваторию "Интеграл" с аппаратурой, позволяющей наблюдать Вселенную в жестких рентгеновских и гамма-излучениях. За четыре года работы обсерватория обнаружила множество космических объектов с неизвестными ранее свойствами, скрытых от наблюдения в видимом диапазоне. Может показаться удивительным, как много интереснейших событий и явлений, происходящих во Вселенной, остаются от нас скрытыми. Человеческой глаз способен видеть электромагнитное излучение лишь очень узкого, оптического диапазона. А Вселенная излучает в широком спектре, в диапазоне от радиоволн длиной порядка сотен метров до экстремальных рентгеновского и гамма-излучений с длиной волны до 10-17 метра.

    Чем меньше длина волны, тем больше энергия фотонов - ее изменение по всему спектру составляет почти 20 порядков величины. "Невидимое" излучение Вселенной стало доступно для наблюдений совсем недавно, около пятидесяти лет назад, с появлением мощных радиотелескопов и специализированных космических рентгеновских и гамма-обсерваторий. Сейчас на околоземных орбитах находится несколько таких космических аппаратов, в их числе - обсерватория "Интеграл". Ее название - аббревиатура английского наименования INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей). Основные телескопы обсерватории предназначены для наблюдения за космическими источниками жесткого рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне энергий от 15 килоэлектронвольт (кэВ) до 10 мегаэлектронвольт (МэВ).
    Обсерватория впервые позволила детально исследовать ту Вселенную, которая ранее была скрыта от наблюдателей. Даже дважды скрыта: помимо того, что фотоны с такими энергиями недоступны человеческому глазу, в космосе есть источники излучения, "спрятанные" за окружающей их плотной газопылевой оболочкой. Фотоны более низких энергий практически полностью поглощаются в ее толще, поэтому телескопы, работающие в оптическом, ультрафиолетовом и даже мягком рентгеновском диапазонах (до 10-20 кэВ), просто не могли видеть подобные объекты. Фотоны более высоких энергий беспрепятственно проходят сквозь пыль и газ, открывая новые подробности Вселенной.

Схема построения изображения телескопом IBIS (1) с кодирующей маской. На картинке изображена упрощенная схема его работы. Кодирующая маска (a) из непрозрачных для рентгеновского и гамма-излучения элементов закрывает поле зрения телескопа (2). На детекторе (b) отпечатывается тень маски, созданная излучением гамма-источников, расположенных в поле зрения телескопа (c). На рисунке (3) показано наложение теней от маски на детектор в случае, когда источников два.

    Увидеть "скрытую Вселенную" непросто. Энергия рентгеновских и гамма-фотонов очень велика, и использовать классические телескопы-рефлекторы для их наблюдения почти невозможно: чтобы гамма-фотоны отразились от поверхности зеркала, а не поглотились им, угол падения должен быть чрезвычайно малым. Даже в мягком рентгеновском диапазоне приходится "вытягивать" зеркало, превращая его фактически в трубу и тем самым уменьшая поле зрения телескопа. Для наблюдения высокоэнергичных фотонов используется другой метод - кодирующих, или теневых, масок (такие телескопы также называют телескопами с кодированной апертурой). Устроены они следующим образом: над позиционно-чувствительным детектором фотонов устанавливается непрозрачная (например, вольфрамовая) пластина с прорезанными в определенном порядке отверстиями. Это и есть маска. Когда на телескоп падает поток фотонов, маска отбрасывает тень и на детекторе образуется своеобразный узор засвеченных и темных участков. По этому узору можно восстановить изображение неба в соответствующем диапазоне энергий.
    Основные телескопы "Интеграла" имеют большие поля зрения - 30 на 30 градусов, что позволяет одновременно следить за достаточно обширным участком неба. Обсерватория обращается вокруг Земли по уникальной орбите c периодом трое суток, с начальной высотой перигея около 9 тысяч и высотой апогея 154 тысячи километров. Необычно высокий перигей потребовался для того, чтобы минимизировать пребывание аппарата в зоне радиационных поясов Земли, где могут быть повреждены уникальные приборы обсерватории и где эффективные наблюдения в любом случае невозможны. "Интегрирование" Вселенной началось в конце 2002 года, когда обсерватория была выведена на орбиту ракетой-носителем "Протон" с разгонным блоком ДМ. В обмен за запуск российские ученые получили приоритетные права на четверть наблюдательного времени приборов обсерватории. Данные "Интеграла" не принадлежат какой-либо отдельной группе - любой российский исследователь может подать заявку на наблюдение интересующего его объекта и, если она будет одобрена Международным программным комитетом, получить данные для анализа и публикации результатов. Данные поступают на Землю непрерывно через две приемные антенны, находящиеся на территории США и Бельгии. В России работа с информацией обсерватории происходит через Российский центр научных данных обсерватории "Интеграл", организованный в Институте косм. исследований Российской академии наук.

Звезды, прячущие сами себя
    Источниками жесткого излучения в нашей Галактике, как правило, служат рентгеновские двойные системы, состоящие из двух звезд - обычной оптической и релятивистской рентгеновской. Последняя (нейтронная звезда или черная дыра) имеет очень малые размеры (порядка 10 километров) при массе, сравнимой с массой Солнца или превышающей ее. Как следствие, она создает вокруг себя сильнейшее гравитационное поле. Под его воздействием вещество с оптической звезды перетекает на поверхность звезды-компаньона (этот процесс называется аккрецией), разогревается до десятков и сотен миллионов градусов и начинает активно излучать рентгеновские фотоны. За время существования рентгеновской астрономии было обнаружено более сотни таких источников. Наблюдения обсерватории "Интеграл" привели к открытию множества новых источников, позволив почти удвоить этот список. Важно, что это увеличение было не просто количественным, но и качественным - были обнаружены группы источников с неизвестными ранее свойствами.
    Одним из таких результатов стало открытие обсерваторией жестких рентгеновских источников, названных "сильнопоглощенными". Первый такой источник, IGR J16318-4848, был обнаружен вскоре после запуска "Интеграла", а в настоящее время подобных источников известно уже более десятка. Они привлекли внимание тем, что яркость их излучения резко, примерно на три порядка, падала на энергиях ниже 20 кэВ. По форме спектра можно было заключить, что излучение в более мягком диапазоне поглощается газом или пылью, причем степень поглощения очень высока. Дальнейшие исследования обнаруженных источников позволили предположить, что наблюдаются системы, состоящие из нейтронной и оптической звезды (гиганта или сверхгиганта) с мощным звездным ветром - истекающим с поверхности звезды газом. Этот газ "окутывает" двойную систему и питает нейтронную звезду, однако он же не пропускает фотоны низких энергий, возникающие при аккреции.
    Массивные звезды, входящие в состав таких систем, сравнительно молоды, они образовались не более 10 миллионов лет назад. А значит, и сами системы, называемые массивными рентгеновскими двойными, не могут быть старше. В нашей Галактике молодые массивные звезды наблюдаются в основном в спиральных рукавах, где до сих пор продолжается процесс звездообразования. Исследования обсерватории "Интеграл" подтвердили, что массивные рентгеновские двойные также сосредоточены преимущественно в областях неба, соответствующих спиральным рукавам Галактики.
    Другая интересная группа источников, выявленная обсерваторией "Интеграл", - так называемые быстрые рентгеновские транзиенты. Это источники рентгеновского излучения, вспыхивающие на небе лишь на очень короткое время - на несколько часов. Иногда такие вспышки происходят регулярно, иногда - всего лишь один раз за всю историю наблюдений. Оптические компоненты в системах, соответствующих этим транзиентам, были идентифицированы со сверхгигантами раннего спектрального класса (OB). До этого открытия обсервато рии "Интеграл" в Галактике было известно всего несколько источников, входящих в двойную систему с OB-сверхгигантом, и все эти источники излучали в рентгеновских лучах более или менее постоянно. В их число входят известнейший источник Лебедь X-1, в котором, как предполагают, скрывается черная дыра, а также рентгеновские пульсары Паруса X-1 и Центавр X-3. Столь малое число рентгенов -ских источников этого типа вызывало удивление, так как, согласно расчетам эволюции звезд, систем, содержащих OB-сверхгигант и релятивистскую звезду, в Галактике должно быть в сотни тысяч раз больше. Наблюдения "Интеграла" показали, что подобные системы обычно имеют плотность потока ниже уровня чувствительности современных широкоугольных телескопов, становясь яркими рентгеновскими источниками на очень короткое время. Если это действительно так, число известных рентгеновских источников этого типа может со временем сильно увеличиться.
    Сложность в наблюдении быстрых транзиентов состоит в том, что их вспышки сложно "поймать", так как невозможно предсказать, когда и где они произойдут. Пока не существует и модели, которая бы объясняла механизм такой вспышки. Непонятным представляется временной масштаб: если предположить, что вещество звездного ветра захватывается на определенном расстоянии от компактного объекта его гравитацией, а дальше происходит сферически-симметричная аккреция (то есть вещество падает на компактный объект равномерно со всех сторон), вспышка должна продолжаться не более часа. Возможно, здесь действует другой механизм: падающее вещество обладает слишком большим угловым моментом и сферически-симметричная аккреция оказывается невозможной. Тогда вблизи компактного объекта формируется диск из вещества звездного ветра, где в течение достаточно долгого времени (около года) копится вещество. Затем оно быстро аккрецирует, что и сопровождается рентгеновской вспышкой. Будущие наблюдения, не только "Интеграла", но и других обсерваторий, позволят прояснить механизм, который приводит к появлению на рентгеновском небе быстрых транзиентов.

Рентгеновский хребет Галактики
    Яркие рентгеновские двойные, о которых мы говорили выше, обеспечивают около 95 процентов потока излучения Галактики в этом диапазоне, хотя их в целом не так уж много - не более нескольких сотен. Кроме них в Галактике наблюдается гораздо более слабое фоновое рентгеновское излучение. Если посмотреть в рентгеновских лучах на Млечный Путь со стороны Земли, мы увидим узкую сплошную полосу этого излучения, протянувшуюся от одного края галактического диска к другому с характерным утолщением вблизи центра Галактики и заметным возрастанием яркости. Наблюдаемая структура называется галактическим риджем, от английского - ridge (хребет). Природа этого излучения оставалась неизвестной более 30 лет - с того момента, как оно было открыто. Высказывались гипотезы, согласно которым источником фонового излучения мог быть горячий газ, достаточно сильно распределенный по галактическому диску. Но, если газ разогреть до температуры (приблизительно 100 миллионов градусов), при которой он начинает излучать в рентгеновском диапазоне, энергия частиц газа окажется достаточной для того, чтобы они покинули Галактику, преодолев ее гравитационное притяжение. Не ясен и источник такого газа - он мог бы быть выброшен или разогрет ударными волнами при взрывах сверхновых звезд, но тогда такие взрывы должны происходить намного чаще, чем наблюдается сейчас и следует из теории эволюции звезд.
    Другая, более правдоподобная гипотеза связывает наблюдаемое фоновое излучение с процессами взаимодействия космических лучей в Галактике с межзвездным газом и светом (оптическими фотонами) обычных звезд. К сожалению, плотность галактических космических лучей тех энергий, которые необходимы для формирования жесткого диффузного рентгеновского излучения, известна плохо, так что надежных расчетов здесь пока провести не удается. Как альтернатива этим гипотезам было высказано предположение о том, что галактический рентгеновский фон является результатом совокупного излучения большого числа слабых неразрешенных объектов. Существующие телескопы пока не обладают чувствительностью, необходимой для того, чтобы различить подобные объекты. Поэтому для проверки этой гипотезы пришлось идти другим путем - анализировать особенности спектра и распределения интенсивности рентгеновского излучения риджа по данным наблюдений обсерватории "Интеграл" (а именно - телескопа IBIS). За четыре года работы, благодаря широкому полю зрения телескопа, удалось собрать большое количество фотонов от рентгеновского фона Галактики, отделив слабое излучение галактического риджа от излучения ярких точечных источников.


    По данным телескопа IBIS были построены карта распределения жесткого рентгеновского излучения и его спектр. Оказалось, что распределение яркости фонового излучения Галактики в рентгеновских лучах не соответствует распределению яркости в гамма-диапазоне. Гамма-излучение Галактики возникает в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой. Следовательно, можно практически исключить гипотезу о диффузной природе фонового рентгеновского излучения Галактики. С другой стороны, рентгеновское изображение очень хорошо совпало с распределением плотности звездной массы, установленной по инфракрасному излучению Галактики. Последнее создается обыкновенными звездами вроде Солнца, которых в Галактике порядка 100 миллиардов. Естественно предположить, что основным источником фонового рентгеновского излучения также должны быть слабые компактные источники - звезды. Полученный из наблюдений коэффициент, связывающий светимость звездного населения Галактики в жестком рентгеновском диапазоне (17-60 кэВ) с его массой, совпал с подобным коэффициентом для звездного населения в окрестностях Солнца. А рядом с Солнечной системой основными источниками жесткого рентгеновского излучения являются аккрецирующие белые карлики.
    Белые карлики - это остатки погибших звезд. По сравнению с обычными звездами они очень малы - имеют размер в 100 раз меньший, чем Солнце, при массе, сравнимой с массой Солнца. Благодаря сильному гравитационному полю белый карлик, входящий в тесную двойную систему (называемую катаклизмической переменной), мало-помалу "обдирает" вещество со звезды-компаньона. Падающее вещество разогревается до высоких температур и порождает рентгеновское излучение. Этот механизм похож на описанный выше механизм излучения рентгеновских двойных, отличаясь главным образом уровнем светимости (меньше на несколько порядков) и характеристиками спектра формирующегося рентгеновского излучения. Максимальная температура, которой способна достичь плазма, падающая на поверхность белого карлика, хотя и зависит от его массы и радиуса, в целом не превышает примерно 100 миллионов градусов. Соответственно не может быть много большей и энергия фотонов, излучаемых такой плазмой. Поэтому если рентгеновский фон Галактики рождается белыми карликами, то его спектр должен обрываться на энергиях примерно 20 кэВ. И телескоп IBIS действительно обнаружил резкое ослабление фонового излучения на высоких энергиях (выше 60 кэВ).
    По результатам, полученным обсерваторией, можно оценить и число белых карликов в Галактике - несколько миллионов. Именно такое количество очень слабых источников необходимо для того, чтобы получить наблюдаемую интенсивность излучения хребта Галактики. Дальнейшие наблюдения, возможно, позволят увидеть и отдельные источники, однако для современных телескопов эта задача находится на пределе их возможностей.

Комплекс научной аппаратуры обсерватории "Интеграл" включает четыре прибора. Прежде всего, это гамма-телескоп IBIS, предназначенный для получения изображений неба с высоким (12 минут дуги) угловым разрешением в диапазоне энергий от 15 кэВ до 10 МэВ. С помощью IBIS можно также исследовать спектры космических источников с умеренным энергетическим разрешением. Для работы на энергиях ниже 200 кэВ в телескопе используется уникальный детектор, состоящий из 16 384 полупроводниковых элементов из кадмий-теллурита. Кроме IBIS на борту находятся: гамма-спектрометр SPI, состоящий из 19 криогенных германиевых детекторов, - для сверхтонкой спектроскопии космических ядерных гамма-линий и линии аннигиляции электрон-позитронных пар; монитор рентгеновских лучей JEM-X - для работы в стандартном диапазоне от 3 до 35 кэВ и оптический монитор OMC.

---