16 август 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Ренгеновата астрономия и може ли да бъде похитен космически телескоп?

eROSITA ще стане ли eROZITA?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 15 юни 2022 в 07:17 36660
Илюстрация - в космоса е руско-немската астрофизическа обсерватория Спектр-Рентген-Гамма (SRG), на която е рентгенов телескоп eROSITA. Кредит: Роскосмос/DLR/SRG/Лавочкин

Наблюденията в рентгеновия диапазон са особено важни за разкриването на загадките на нашата Слънчева система, Млечния път и Вселената.

Развитието на тази област на астрофизиката и как се отрази и тук войната в Украйна проследява за вас проф. Олег Йорданов, доскоро преподавател по физика в Университета Клемсън, Южна Каролина.

Работата на космическия рентгенов телескоп eROSITA е преустановена и всички операции на него замразени още на втория ден след нападението на Русия срещу Украйна.

След още два дни, консорциумът от германски научни институти, университети и организации, конструирал, построил, ръководещ наблюденията и отговорен за обработката и анализ на на огромното количество данни, излиза с кратко съобщение на уеб страницата си, в която съобщава за прекратяване на дейностите и обяснява, че решението е взето като отговор на безпричинната инвазия на Путин.

Защо се стига до това решение?

Телескопът е основен инструмент на борда на руско-немската астрофизическа обсерватория Спектр-Рентген-Гамма (SRG), създадена като съвместен проект, макар и със стриктно разграничени функции. Войната прекъсва съвместните проекти дори в науката.

Тримата германски ръководители на проекта изказват надежда, че скоро условията ще се променят и това ще направи възстановяването на наблюденията възможно.

Но както добре знаем войната продължава, без обозрим край, и eROSITA продължава да не функционира.

Няма публикувана информация след какви дискусии немският консорциум е взел това решение, но изключително късото време, за което то е взето показва че едва ли е имало сериозни спорове.

И все пак решението е било изключително болезнено. За разберем пред каква дилема са били изправени немските астрофизици, е необходимо да се запознаем по-подробно с телескопа, целите поставени пред него, историята на създаването му и резултатите получени от наблюденията през първите две години от успешното му функциониране. И по-общо с важността на рентгеновата астрономия, популярна също под названието X-ray (X-лъчи) астрономия.

Началото на рентгеновата астрономия

Широко познатите, предимно от медицината, рентгенови лъчи са електромагнитни вълни, подобни на светлината, но с много по-къса дължина на вълната, от 0.008 до 8 нанометра (нанометър е една милионна част от милиметъра).

Съгласно знаменитата формула на немския физик Макс Планк (Нобелова награда за 1918 година), енергията на рентгеновите кванти (фотони) съответстващи на тези дължини и честотина вълната са в диапазона от 155 до 0.155 килоелектронволта (keV).

В сравнение с видимата светлина това са вълни с много по-високи енергии - от сто хиляди пъти в долната граница до почти сто милиона пъти в горната!

Единствено т.н. гама лъчи имат по-високи енергии. От това следва, че рентгеновите лъчи се излъчват от едни от най-високо енергийните процеси във Вселената и дават уникална възможност тези процеси да бъдат наблюдавани и анализирани. Рентгенови емисии се излъчват от газове загряти до изключително високи температури - от един милион до стотици милиони градуса, каквито има например в короната на Слънцето.

Рентгеновата астрономия обаче е относително нова дисциплина. Съществуват две основни причини за това:

1) Рентгеновите лъчи се поглъщат от атмосферата на Земята и следователно за да се наблюдава астрономически обект, наблюдателният инструмент трябва да разположен извън атмосферата или поне на голяма височина, например на балон.

2) Рентгеновата оптика и детектори изискват принципно-различни технологични решения, които са се развили чак през втората половина на 20-ти век.

За пръв път рентгенови излъчване от извънземен източник, Слънцето, е регистрирано през 1949 година в Калифорния, с помоща на нациската ракета V-2, преоборудвана като изследователска с монтиран в носа й детектор на рентгеново лъчение.

Много по-трудни технологически решения са били необходими при създаването на телескоп, който е в състояние да възпроизвежда образи. Съвременните оптически телескопи използват лещи и огледала, върху които лъчите падат и се отразяват при ъгли не много различни от 90 градуса. Но при такива ъгли високоенергийни фотони не се отразяват, а се поглъщат или преминават, което означава, че обичайната оптика не е приложима при рентгеновите телескопи.

Оптическото решение е предложено от немския физик Ханс Волтер през 1952 година. Конструкцията му се основа на фокусирането на лъчите, използвайки единствено отражение при плъзгащи се ъгли (близки до хоризонтална равнина).

Съществуват три разновидности на телескопи на Волтер, като действително реализираните използват едновременно участъци от параболоидна и хиперболоидна повърхности (алгебрични повърхности от степен две).

Това напречно сечение през четири вложени двойки огледала илюстрира принципа на отражение и фокусиране на рентгеновите лъчи. Необходими са две отражения, за да се направи изображение. Ъглите на отражение (ъгли на плъзгане) варират от около 3,5 градуса за външната двойка до около 2 градуса за вътрешната двойка. Кредит: NASA/CXC/S. Lee

Първият рентгенов източник извън слънчевата система е регистриран през юни 1962 година и това е знаменитият Scorpius X-1. Както личи от името източникът се намира в съзвездието Скорпион. Отново е използвана ракета в балистична, т.е. суборбитална траектория. Но ракетата е Aerobee, американско производство, с характеристики подобни на V-2, но значително по-икономизирана по отношение на тегло и цена. (Повече от 1000 изследователски ракети Aerobee са изстреляни в периода 1947-1985 г.)

Откритието на SCO X-1 се счита за рожденна дата на рентгеновата астрономия и през настоящия месец навършва кръгла 60-та годишнина. Излъчването на SCO X-1 само в рентгеновата област е 60 хиляди пъти по-мощно отколкото цялата светимост на Слънцето. В началото на 60-те години, пулсарите все още не са открити и едва през 1967 година съветският астрофизик Йосиф Шкловски правилно обяснява чудовищната мощ на SCO X-1 като неутронна звезда, която канибалства материя от съседна звезда и при акреацията генерира огромно количество рентгеново излъчване. За откритието на SCO X-1, както и за целия си принос в развитието на рентгеновата астрономия, роденият в Генуа, американо-италиански астрофизик Рикардо Джиакони, получава Нобелова награда по физика през 2002 година.

Концепцията на художник показва модел на пулсара J1023, засмукващ поток газ от своя спътник. Пулсарите са частен случай на неутронни звезди, които се отличават с това, че лъчите, изпускани от техните намагнетизирани полюси, достигат до земните телескопи. Кредит:  NASA’s Goddard Space Flight Center

В следващите десетилетия рентгеновата астрономия се радва на забележителен напредък, разширявайки непрекъснато кръга обекти за наблюдение:

  1. Например тела в Слънчевата система, включително и Луната, “светят” с отразени рентгенови лъчи.
  2. Източници в Млечния път - останки от избухнали свръхнови звезди, двойни звезди, едната от които е бяло джудже, неутронна звезда или черна дупка.
  3. Извънгалактични източници - активни галактически ядра (масивни черни дупки) и при клъстери от галактики като проявление на обратно, комптъново разсейване* (на фотони от високоенергийни електрони)

*Ефектът на Комптън е вид нееластично (с различна честота и енергия) разсейване на високоенергийни фотони - рентгенови лъчи и гама-лъчи - от свободни или слабосвързани електрони, при което се променя дължината на вълната на фотоните. Ефектът е открит през 1923 година от американския физик Артър Холи Комптън, който получава Нобелова награда за физика през 1927 г. за откритието си.

Схема на огледалата на рентгеновата обсерватория "Чандра". Този разрез илюстрира дизайна и функционирането на огледалния монтаж с висока разделителна способност (HRMA) на Chandra. Кредит: NASA/CXC/D.Berry

Рентгеновите космически обсерватории

В чисто инструментално отношение, петдесет и два космически телескопа са построени, изведени в орбита и използвани за наблюдения, всеки със специфични характеристики, всеки разширяващ познанията на земната цивилизация за Вселената и за процесите протичащите в нея.

Рентгеновият телескоп "Чандра"

От тази флотилия няма как да не отбележим нейния флагман - рентгеновият телескоп "Чандра" (Chandra) (наречен на името на американо-индийския физик, астрофизик и носител на Нобелова награда Субрахманян Чандрасекар). Въведен в силно елиптична орбита около Земята през юли, 1999 година, с диаметър на “огледалото” 1.2 метра, фокусно разстояние 10 метра, разделителна способност 0.5 дъгови секунди (това означава, че телескопът може да различи два обекта които се виждат под ъгъл едва 1/3600 от ъгъла, под който виждаме Луната), диапазон на рентгеновите вълни, които могат да се регистрират от 0.1 до 10 keV (12-0.12 нанометра).

Схема на конструкцията на рентгеновият телескоп Чандра. Кредит: NGST & NASA/CXC

Галерията от астрономически образи получени от "Чандра" съперничат дори тези от космическия телескоп "Хъбъл". И нещо което също е много важно да се отбележи, достъпът до изключителните възможности на телескопа "Чандра" не е ограничен единствено до американски астрономи, но има и българско участие!

Германската обсерваторията ROSAT

Приносът на Германия в рентгеновата астрономия и астрофизика е особено значим, както на ниво национални, а така и на ниво международни проекти. На 1 юни 1990 година Германският аерокосмически център (DLR) извежда в орбита най-модерният за времето си рентгенов телескоп на борда на обсерваторията ROSAT - колаборация с американски и британски институции. През първите два месеца от функционирането си, телескопът за пръв път сканира и картотекира рентгеновите източници в цялата небесна сфера, общо 150 хиляди обекта. Останалата част от времето е посветена на наблюдения на конкретни обекти, измежду тях: открива рентгеново излъчване от комети; регистрира рентгеново излъчване при сблъсъка на кометата Шумейкър-Леви с Юпитер, открива изолирани неутронни звезди, определя морфологията на остатъци от свръхнови и на купове на галактики и др.

Успехът на ROSAT ясно показва и какъв трябва да е следващия етап в развитието на рентгеновата астрономия. Телескопът е оптимизиран да работи в относително нискоенергийния диапазон от 0.1 до 2.4 keV, наричани още “меки” рентгенови лъчи. Типичният максимум на излъчването на акреционния диск на една свръхмасивна черна дупка е около 30 keV.

Концепция на художник за спътника ROSAT в космоса. Кредит: German Aerospace Center

Междузвездният прах и европейският XMM-Newton

Това не е проблем, ако черната дупка не е закрита от гъсти облаци от междузвезден прах. Но когато е закрита, както обичайно е в центъра на една галактика, нискоенергийните кванти се поглъщат и активното ядро на галактиката остава невидимо.

За да се наблюдават такива ядра са необходими уреди, които да са в състояние да наблюдават рентгенови фотони с енергии до поне 10 keV. Тези стойности са овладяни както при "Чандра", а така също при XMM-Newton, телескоп-флагман на Европейската космическа агенция (ESA), наблюдаващ в диапазона от 0.1 до 12 keV (12 до 0.1 нанометра).

Възможността да се визират фотони с такива високи енергии се постига със значително намаляване на ъглите на разсейване и увеличаване на фокусното разстояние. И двата телескопа са изстреляни през 1999 година и функционират до днес! Но и двата телескопа имат относително малка апертура, дизайнът им позволява наблюдението на единични обекти.

Концепция на художник за магнитното поле на Юпитер и йони, идващи от най-вътрешната луна на Юпитер, Йо, и наблюдавани от космическия кораб Juno и XMM-Newton. Кредит: ESA/NASA/Yao/Dunn

ABRIXAS

Германският център насочва усилията си към създаване на рентгенов телескоп с широко поле на наблюдение способен ефективно да открива нови обекти и да картографира широки участъци от небето. Още в средата на 90-те е предложена концепция включваща седем отделни телескопа с обща фокална равнина (равнината където се формира образът) и обща CCD матрица. Буквално за три години е проектиран и създаден телескопът ABRIXAS (A Broadband Imaging X-ray All-sky Survey) и изведен в орбита с ракета от съветско време “Космос-3М”, също през 1999 год.

За съжаление техническа грешка довежда до презареждане на основната батерия, прекратявайки струващата $20 милиона мисия три седмици след извеждане в орбита, без да е направено нито едно наблюдение.

Фалстарт на eROSITA

Въпреки неуспеха на ABRIXAS, хардуерът и софтуерът създаден за него стават основа на много нови мисии. Това ни води до главния “герой” на нашия разказ, eROSITA, която е един съществено усъвършенстван вариант на ABRIXAS. Работа по новия телескоп започва веднага след неуспеха и още през 2002 г. предложение за начално финансиране е одобрено от ESA.

Първоначално се е предвиждало eROSITA да се монтира на една от външните платформи на Международната космическа станция (МКС) като транспорта до там да се реализира при един от полетите на американските совалки през 2011 г. Катастрофата на совалката "Колумбия" през 2003 г. обаче спира изцяло полетите на совалките. С това препятствията пред eROSITA не свършват. В началото на 21-век на МКС се провежда експеримент, който показва че близкото околоземно пространство не е подходящо за продължителни рентгенови наблюдения. Наличието и на минимална атмосфера води до бърза деградация на финните повърхности формиращи рентгеновата оптика.

Тъмната енергия

В началото на новото хилядолетие се извършват няколко важни астрофизически открития, които също повлияват на проекта eROSITA. Две независими групи изследователи, правят неочакваното заключение, че разширението на Вселената не само, както се очаква, не са забавя, а напротив се ускорява! Това става чрез прецизно измерване на разстоянията до стандартните космологични “свещи” във Вселената, избухванията на свръхнови от тип Ia. Причината може да бъде единствено неизвестно за физиката “налягане”, проявяващо се на огромни разстояния, и поради това получава колоритното название “тъмна енергия”. За това революционно откритие, ръководителите на учените ще получат Нобелови награди по физика за 2011 г.

Косвени доказателства за наличието на тъмна енергия са съществували и преди, но систематичните наблюдения на Ia свръхновите и независимо от тях, на измерванията на флуктуациите в космическия реликтов фон (КРФ) от сондата WMAP доказват, че тъмната енергия доминира в общия енергиен баланс на Вселената и е около 70%. Преразглеждането на старите резултати от ROSAT показват, че тази стойност може да се потвърди или отхвърли по независим начин като се определи разпределението и структурата на наблюдаваните клъстерите от галактики на големи космологически разстояния, над 6 милиард светлини години в момента на излъчването, отговарящи на червени отмествания Z>0.8. Тази изключителна възможност кара консорциума за eROSITA, да модифицира дизайна на телескопа и да кандидатства (успешно) през 2003 г. да стане член на проекта DUO на НАСА.

Две години по-късно обаче нови по-прецизни оценки показват, че броят галактични купове, които се очаква да бъдат открити (около 10 хиляди) няма да осигурят необходимата статистика за достоверно определяне на енергийния баланс на Вселената.

eROSITA стартира

Това налага основна ревизия и модификация наа телескопа. Диаметрите на всичи седем телескопа се увеличават двойно - първоначално пет, а след това още три немски институции се включват в консорциума.

През 2007 г. новият дизайн и проект са одобрени и финансирани от DLR, а през 2008 г. се подписва споразумение с Руската космическа агенция Роскосмос eROSITA да се включи като основна част към обсерваторията Спектр-РГ, и изведен в орбита около точката на Лагранж L2 с първоначална година на изстрелване 2014 г. На обсерваторията е монтиран и руски рентгенов телескоп, който има по-висок енергиен диапазон, от 4 до 30 keV, при три пъти по-тясно поле на наблюдение и три пъти по-ниско разрешение. Най-критичната и технологически трудна за изработване част от руския телескоп, рентгеновите огледала, са произведени в САЩ и платени срещу правото американски учени първи да ползват наблюдателните данни от специфичен участък на небесната сфера! По традиция всички Астрономически наблюдателни данни се предоставят за публичен достъп. Създателите на телескопи имат единствено привилегията първи да обработят данните и да ги публикуват. Тази привилегия обикновено продължава за период от 6 месеца до година.

Точките на Лагранж в класическата небесна механика задават частен случай на устойчиво разположение за три тела. Първите възможните точки, три на брой, са посочени от Леонард Ойлер, а малко по-късно Лагранж прави изчерпателен анализ, добавяйки още две. Схема на възможните орбити по продължение на гравитационните изолинии (без мащаб). Wikimedia Commons

Точката на Лагранж L2 се намира на около 1.5 милиона километра зад Земята на линията Слънце-Земя. В тази точка комбинираната сила на гравитационно привличане на Слънцето и Земята се уравновесяват със центробежната сила, което позволява една космическа станция да се въведе в псевдостабилна орбита наричана “ореол” и да се поддържа там с минимален разход на гориво. В подобна орбита наскоро бе въведен и космическия телескоп Джеймс Уеб. Точката L2 е пресметната още през 18-ти век и е наречена на знаменития италиано-френски математик и физик Жозеф-Луи Лагранж. Илюстративна анимация, представяща Спектр-РГ, орбитата на станцията и eROSITA е представена от DLR тук:

Заповедите за пиратсво на Рогозин и позицията на руските учени

Но, сагата все още не е свършила. Извеждането в орбита не става в 2014 г., а е отлагано многократно заради изоставане в програмата както от немска, така и от руска страна. На 6 декември 2016 г. се разбира, че се налагат промени в ракетата носител, защотото в първоначално планираната ракета “Зенит” има … украински компоненти, които вече не могат да бъдат доставени в Русия. Изстрелването се извършва чак на 13 юли 2019 година с помощта на изцяло руската "Протон - М". И всичко е перфектно! За двете години, през които eROSITA функционира, са направени четири от планираните осем сканирания на цялото небе, натрупана е огромна статистика и още.

И изведнаж се случва войната … 

За много от учените това е проект, по който са работили повече от две десетилетия. За някои, това е единственият проект, по който ще работят през целия си живот. Ако трябва да употребя високопарни думи, eROSITA е делото на живота им. За по-младите колеги проектът предоставя безценния опит, който ще им позволи да са водещи учени в следващите етапи на развитие на астрофизиката. А за всички, телескопът дава възможност да направят важен принос в човешкото познание за Вселената. Не трябва да се пренебрегва и цената - 100 милиона евро само за телескопа без разходите за извеждане в орбита. И въпреки всичко, наблюденията са прекратени.

Но и това не е краят. В следващото действие главен герой е станалият печално известен и в България с непремерените си изказвания Дмитрий Рогозин, ръководителят на Роскосмос. Преди времеРогозин се прочу с “иновацията” да доведе в Роскосмос, агенцията за космически изследвания на Русия, попове да се молят преди всеки нов старт.

Но последната му активност надмина всичко: Рогозин поиска от руските учени, участници в проекта, сами, без съгласието на немските си колеги, да рестартират eROSITA и те да се възползват от наблюдателните данни.

Казано просто, да влязат в историята като първите откраднали телескоп и то телескоп в орбита около точка на Лагранж!

Рогозин иска да се включи немския телескоп в обсерваторията Спектр-РГ. Учените предупреждават, че не е безопасно

Разбира се руските учени категорично отказаха чрез специално изявление на директора на Института за космически изследвания на Руската Академия на Науките (РАН), акад. Лев Зельоний.

И когато шеф Рогозин въпреки всичко настоя на своето, наложи се да му отговори лично доайенът на световната астрофизика Рашид Сюняев (татарин по произход), който е научния ръководител на проекта от руска страна.

През далечната 1970 година, младият тогава Суняев, като аспирант на самият Яков Зелдович и съвместно с него, теоретично предсказва специфичен ефект върху флуктуационния спектър на космическия рентгенов фон, който се дължи на обратното комптъново разсейване*.

*Обратният ефект на Комптън представлява увеличаването на честотата (и енергията) на фотон, който се разсейва от релативистки (със скорост, близка до скоростта на светлината) електрон с по-голяма енергия от енергията на фотона. Важен е в астрофизиката, където с него се обясняват рентгеновото излъчване от галактически източници, рентгеновата съставляваща на реликтовото лъчение (ефект на Сюнеяв—Зелдович), трансформацията на плазмените вълни във високочестотни електромагнитни вълни.

Впоследствие този ефект се потвърждава от резултатите на сондата WMAP и от много други измервания. Днес ефектът на Сюняев-Зелдович е част от всеки съвременен учебник по астрофизика и ще играе ключова роля в анализа на данните от eROSITA.

Самия Рашид, вече на 78 години, е носител на множество международни награди, работи едновременно в РАН, директор е на Института по астрофизика на Обществото "Макс Планк" в Гархинг, Германия, и е изтъкнат гостуващ професор в Института за Висши Изследвания (IAS), Принстън, САЩ.

Остава да разберем дали шефът Рогозин е способен да се приеме знание и достойнство директно от извора на чистата астрофизика.

Авторът професор Олег Йорданов е дългогодишен иследовател в БАН, от 2016 до 2021 работи като преподавател в Департамента по математика на университета Клемсън, Южна Каролина. Научните му интереси включват статистическа физика и стохастични процеси, фракталоподобни структури и разсейване/предаване на вълни от такива структури и нелинейни и хаотични явления.


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.