Снимки вселенной рентгеновскими лучами

Взгляд на Вселенную глазами рентгеновского телескопа

С момента запуска в 1999 году рентгеновская обсерватория НАСА Чандра изучает космос в коротковолновом рентгеновском свете — лучшем окне для наблюдений за колоссальными черными дырами, скоплениями галактик и остатками сверхновых. Телескоп фиксирует положение, энергию и время прибытия каждого рентгеновского фотона, который достигает его детектора. Эта способность, в сочетании с его уникально четким качеством изображения и способностью видеть рентгеновский свет в широком диапазоне энергий, произвела революцию в нашем взгляде на рентгеновскую Вселенную. Чандра позволила нам больше узнать о таинственной темной материи, о рождении звезд и даже о планетах нашей Солнечной системы.

Эта космическая обсерватория была разработана для решения одного из ключевых вопросов в рентгеновской астрономии: какова структура так называемого рентгеновского фона, который есть повсюду в космосе? Кроме этого, Чандра изначально разрабатывалась для общего доступа: ученые со всего мира могут предлагать свои проекты, и лучшим из них дадут возможность поработать на этом удивительном телескопе. К слову, даже после двух десятилетий работы желание воспользоваться Чандрой высказывают 500-650 исследовательских групп в год, что примерно в 5.

Чандра оказалась необычайно продуктивной. Она достигла своей первоначальной цели, обнаружив, что почти весь таинственный фоновый рентгеновский свет исходит от тысяч отдельных сверхмассивных черных дыр в центрах других галактик. Она также открыла секреты множества небесных объектов: например, сильное рентгеновское излучение от струй материала, вылетающих из сверхмассивных черных дыр в процессе поглощения вещества; сияния в атмосфере на полюсах Юпитера; свет от сталкивающихся нейтронных звезд, которые также были обнаружены с помощью гравитационных волн; и чрезвычайно яркие черные дыры размером с обычные звезды, метко названные ультрафиолетовыми источниками рентгеновского излучения. За два десятилетия по результатам, полученным на этом телескопе, было написано более 8000 научных статей.

Давайте же посмотрим, как выглядит Вселенная глазами этой крутой космической обсерватории.

Взрывная сцена

Глубоко в сердце Крабовидной туманности лежит сильно намагниченная быстро вращающаяся нейтронная звезда, которая образовалась во время взрыва массивной сверхновой в 1054 году. Это многоволновое изображение показывает то, что от нее осталось, в разных диапазонах длин волн: рентгеновские лучи показаны фиолетовым, ультрафиолетовый свет — синим, видимый — зеленым, инфракрасный — желтым, и радиодиапазон красным. Хорошо видно, что нейтронная звезда сильно ускорила частицы рядом с собой, поэтому в излучении преобладает именно рентген.

Вихревые спирали

Две сливающиеся галактики, известные под общим названием M51, или Водоворот, показывают прекрасный танец, характерный для спиральных галактик. Здесь видно около 400 источников рентгеновского излучения, большинство из которых являются двойными звездами, расположенными, в основном, вблизи областей звездообразования.

Ученые предполагают, что взаимодействие между двумя галактиками вызывает волну звездообразования, которая и приводит к образованию большого количества рентгеновских двойных звезд. В такой системе компактный спутник, обычно нейтронная звезда, стягивает огромное количество материала со своего соседа, который является «обычной» звездой, разгоняя его и пульсируя в итоге в рентгеновском диапазоне.

Летающий джет

В начале своей карьеры Чандра наблюдала за квазаром PKS 0637-752, сверхмассивной черной дырой в ядре далекой галактики. Этот квазар вытягивает огромное количество материала из своей галактики, и когда он падает на черную дыру, то становится настолько горячим, что затмевает все 100 миллиардов звезд родной галактики. Образованный этим свечением рентгеновский джет справа от галактики на фото был неожиданностью, и первоначально сотрудники Чандры были обеспокоены тем, что что-то не так с оптикой телескопа. И лишь позже, глянув снимки этой же галактики в радиодиапазоне, стало понятно, что телескоп просто обнаружил то, что и должен был — огромный поток ускоренных частиц. Позже джеты обнаружили и у других квазаров.

Дымящийся пистолет

Среди самых важных результатов Чандры — это составное изображение скопления галактик Пуля. На этом снимке объединены данные с трех телескопов: Чандры, Магеллана и Хаббла. Здесь горячий газ светится в рентгеновском свете (показан розовым цветом), а сами галактики можно увидеть в реальных цветах. Из изображения в видимом свете ученые делают вывод о распределении темной материи (показана синим цветов) по искажению дисков галактик, вызванном гравитацией (процесс, называемый гравитационным линзированием).

Четкое разделение горячего газа и темной материей дало первые прямые доказательства наличия темной материи. Этот совместный снимок демонстрирует, что темная материя не взаимодействует ни с сама собой, ни с обычной материей, потому что она движется вместе с галактиками, не «видя» другую материю вокруг себя. Напротив, горячий газ взаимодействует с остальным веществом и замедляется, образуя форму пули, которая и дала название этому скоплению галактик.

Ближе к дому

Наряду с обнаружением далеких сверхмассивных черных дыр и скоплений галактик, Чандра делает удивительные открытия и куда ближе, в нашей Солнечной системе. Это изображение Юпитера показывает рентгеновское излучение от северного сияния на полюсе планеты. Оно генерируется, когда магнитные поля направляют частицы из экваториального кольца вокруг Юпитера к полюсам. Ожидается, что наблюдения Чандры в этом году, скоординированные со спутником НАСА Юнона, который в настоящее время вращается вокруг Юпитера, предоставят более подробную информацию об этом процессе.

Звезды-младенцы

Большое количество синих и оранжевых точек света здесь — это недавно сформированные звезды в плотной туманности, которая видна невооруженным глазом в середине меча созвездия Ориона. Острое рентгеновское зрение Чандры проникает в плотные скопления газа и пыли, открывая новые звезды, которые скрыты от традиционных телескопов, снимающих в видимом свете. Молодые звезды горячие и достаточно крупные, поэтому благодаря мощной гравитации притягивают и ускоряют материю, заставляя ее сиять в рентгеновском диапазоне.

Первый свет

Это первое официальное изображение, полученное Чандрой, представляющее собой остатки сверхновой Кассиопеи А. Оно сразу продемонстрировало всю мощь высокого пространственного разрешения телескопа, позволив обнаружить долгожданную нейтронную звезду в центре этой туманности. Плотная нейтронная звезда, остаток гораздо большей звезды, которая взорвалась около 340 лет назад как сверхновая, никогда ранее не была видна. Это изображение объединяет данные Чандры, полученные за несколько лет, делая ярче детали сложной структуры. Также высокое разрешение обсерватории позволило узнать, какие химические элементы образовались после взрыва: красный цвет указывает на кремний, желтый — на серу, зеленый — на кальций, а фиолетовый — на железо.

Кошачий глаз

Планетарная туманность NGC 6543 выглядит как кошачий глаз. Старый красный гигант сбросил внешние слои, которые превратились в пухлыми красочными облаками. В итоге в центре осталось горячее компактное ядро, которое в будущем разрушится, образуя плотного белого карлика. Центральные области туманности заполнены газом с многомиллионной температурой, наблюдаемым Чандрой (синий цвет). Между тем, сильный солнечный ветер, исходящий из ядра, выталкивает часть материала облаков наружу, создавая изящные нитевидные структуры, показанные в оптическом диапазоне (красный и фиолетовый цвета) с помощью телескопов, таких как Хаббл. К слову, наблюдение показало, что внешние слои звезды разлетаются со скоростью порядка шести миллионов километров в час.

Туманность Пламя

Звездное скопление NGC 2024, похороненное внутри туманности Пламя на расстоянии около 1400 световых лет от Земли, представляет собой гигантское облако газа и пыли, где рождаются звезды. На этой фотографии рентгеновские снимки от Чандры (фиолетовый цвет) в сочетании с данными в инфракрасном спектре от космического телескопа Спитцера (красный, зеленый и синий цвета) показывают, что горячие молодые звезды находятся в центре, а более старые звезды — на окраинах.

Сверхновая Тихо

В 1572 году астроном Тихо Браге обнаружил сверхновую, которую в итоге назвали его именем. Конечно, за четыре столетия она погасла, и сейчас от нее осталась лишь расширяющаяся планетарная туманность. На этой фотографии Чандры низкоэнергетические рентгеновские лучи (красные) представляют собой растущую туманность. А высокоэнергетические рентгеновские лучи (синие) показывают взрывную волну — фронт электронов высоких энергий, летящих наружу.

Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов

Источник

Фото дня: Вселенная глазами обсерватории «Спектр-РГ»

Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) представил одни из первых изображений, переданных на Землю с борта обсерватории «Спектр-РГ».

Проект «Спектр-РГ», напомним, нацелен на исследование Вселенной в рентгеновском диапазоне длин волн. Обсерватория несёт на борту два рентгеновских телескопа с оптикой косого падения — российский инструмент ART-XC и прибор eRosita, созданный в Германии.

Нажмите для увеличения

Успешный запуск обсерватории состоялся 13 июля нынешнего года. Сейчас аппарат находится в точке Лагранжа L2, откуда осуществляет обзор всего неба в режиме сканирования.

На первом изображении представлен обзор центральной области нашей галактики телескопом ART-XC в жёстком диапазоне энергий. Площадь изображения составляет 40 квадратных градусов. Кружками обозначены источники рентгеновского излучения. В их числе — несколько десятков не известных ранее; возможно, это аккрецирующие двойные системы с нейтронной звездой или чёрной дырой.

Изображения ИКИ РАН

На втором снимке запечатлено скопление галактик Кома в созвездии Волосы Вероники. Изображение получено телескопом ART-XC в жёстком рентгеновском диапазоне 4–12 кэВ. Концентрические круги обозначают области очень низкой поверхностной яркости. Третий снимок — то же скопление галактик, но «глазами» eRosita.

Четвёртое изображение — это рентгеновская карта участка галактического диска («Хребта Галактики»), полученная телескопом eRosita. Здесь зафиксированы многочисленные рентгеновские источники, расположенные в нашей галактике, а также находящиеся на больших расстояниях от нас и наблюдаемые «на просвет».

Наконец, на последнем снимке показана «дыра Локмана» — уникальная область на небе, где поглощение рентгеновского излучения межзвёздной средой нашей галактики достигает минимального значения. Это позволяет исследовать с рекордной чувствительностью далёкие квазары и скопления галактик.

Источник

Снимки вселенной рентгеновскими лучами

Рентгеновские лучи — диапазон электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 10 нм, промежуточный между ультрафиолетовым диапазоном и гамма-лучами. Поскольку фотоны этого диапазона обладают большой энергией, они характеризуются высокой ионизирующей и проницающей способностью, что определяет сферу их практического использования. Эти же свойства делают их очень опасными для живых организмов. От рентгеновских лучей, приходящих из космоса, нас защищает земная атмосфера. Однако с точки зрения астрономов они представляют особый интерес, поскольку несут важную информацию о веществе, разогретом до сверхвысоких температур (порядка миллионов кельвинов), и процессах, ведущих к такому разогреву.
Как и в случае с УФ-диапазоном, первые попытки сфотографировать небесную сферу в рентгеновском спектре были сделаны оборудованием, установленным на высотных геофизических ракетах. Главная проблема здесь заключалась в том, что «обычные» методы фокусировки — с помощью линз или вогнутых зеркал — для высокоэнергетических лучей неприемлемы, поэтому приходится применять сложную технологию «скользящего падения». Такие фокусирующие системы имеют значительно большие массы и габариты, чем оптические инструменты, и должны были появиться достаточно мощные ракеты-носители, чтобы рентгеновские телескопы наконец-то вышли на околоземные орбиты.
Первой такой удачной попыткой стал американский спутник Uhuru (Explorer 42), проработавший с 1970 по 1973 г. Заслуживают упоминания также первый голландский космический аппарат ANS (Astronomical Netherlands Satellite), запущенный в августе 1974 г., и две космических обсерватории НЕАО (NASA) — вторая из них, выведенная на орбиту 13 ноября 1978 г., получила имя Альберта Эйнштейна. Япония 21 февраля 1979 г. запустила аппарат «Хакучо» (CORSA-b), наблюдавший «рентгеновское небо» до 1985 г. Свыше восьми лет — с 1993 до 2001 г. — функционировал второй японский высокоэнергетический телескоп ASCA (ASTRO-D). Европейское космическое агентство «отметилось» в этом направлении спутниками EXOSAT (European X-ray Observatory Satellite, 1983-1986) и BeppoSAX (1996-2003). В начале 2012 г. прекращена эксплуатация одного из «космических долгожителей» — орбитального телескопа Rossi X-ray Timing Explorer, запущенного 30 декабря 1995 г.

Рентгеновский телескоп Chandra, доставленный на орбиту 23 июля 1999 г. на борту многоразового корабля Columbia (миссия STS-93), стал третьей из четырех больших обсерваторий NASA, запущенных в период с 1990 по 2003 г. Название он получил в честь американского физика и астрофизика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара.

Геоцентрическая орбита с высотой апогея 139 тыс. км и перигеем около 16 тыс. км позволяет проводить непрерывные сеансы наблюдений продолжительностью до 55 часов, что существенно больше по сравнению с аналогичным показателем для низкоорбитальных спутников Земли. Выбор орбиты связан также с тем, что рентгеновское излучение заметно поглощается даже разреженными газами, содержащимися в самых верхних слоях земной атмосферы — на высотах, где работает большинство искусственных спутников. Период обращения составляет 64,2 часа, причем 85% этого времени Chandra проводит вне пределов радиационных поясов Земли. Недостатком такой орбиты является, в частности, невозможность отправки к телескопу ремонтной бригады (как это неоднократно делалось в случае обсерватории Hubble).

Рентгеновский телескоп имеет довольно узкую специализацию. Он предназначен для наблюдений излучения очень горячих объектов Вселенной — таких, как взрывающиеся звезды, галактические кластеры, вещество в окрестностях черных дыр. Однако он может регистрировать и высокоэнергетическое излучение, возникающее тем или иным образом в атмосферах и на поверхностях различных тел Солнечной системы. Первоначально планировалось, что Chandra проработает в космосе 5 лет, но с учетом хорошего состояния бортовых систем его эксплуатация уже несколько раз продлевалась (последний раз — в 2012 г.).

Галактические остатки вспышек сверхновых являются источником ценнейшей информации о Вселенной, свидетельством чему могут быть результаты анализа наблюдений телескопа Chandra. В частности, с его помощью была детализирована структура остатка Кассиопея А, создана карта всех входящих и исходящих потоков вещества и ударных волн, пространственно разделены истечения межзвездной и околозвездной материи до момента взрыва Сверхновой, локализованы области ускорения космических лучей. Не менее важными результатом стала надежная регистрация сильных широких линий излучения остатка в режиме спектроскопии сверхвысокого пространственного разрешения и картирование распределения элементов от углерода до железа в выбросах вещества. Определенный из этих наблюдений возраст остатка равен примерно 140 годам, что почти совпадает с оценками, сделанными другими методами. Сравнение возрастов и линейных размеров остатков других сверхновых продемонстрировало способность телескопа Chandra измерять скорость их радиального расширения практически в микромасштабах: например, за 22 года размер остатка Сверхновой SN 1987А в Большом Магеллановом Облаке6 изменился всего лишь на 4 угловых секунды.

Многие астрономы отмечают, что одним из наиболее впечатляющих достоинств телескопа Chandra является его способность исследовать тонкую структуру так называемых плерионов (Pulsar Wind Nebulae — PWN) — туманностей, «подпитываемых» веществом пульсара, особенностью которых являются чрезвычайно малые размеры — порядка нескольких угловых секунд. Особенно преуспел Chandra в изучении такого объекта в созвездии Паруса — пульсара Vela. На данный момент это наиболее исследованный плерион.

Источник