НАСТОЯЩИЙ МАТЕРИАЛ ПРОИЗВЕДЕН, РАСПРОСТРАНЕН И НАПРАВЛЕН ИНОСТРАННЫМ АГЕНТОМ T-INVARIANT, ЛИБО КАСАЕТСЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИНОСТРАННОГО АГЕНТА T-INVARIANT. 18+
В условиях усиливающейся изоляции России нам кажется важным отслеживать результаты работы российских учёных в контексте мировой науки. В проекте «Две стороны одной науки» мы разбираем самые интересные публикации российских и зарубежных учёных, работающих в одной и той же области науки, по близким темам или с использованием близких методик, опубликованные в последние годы. Сегодня профессор РАН Сергей Попов рассказывает, как после прекращения сотрудничества из-за вторжения России в Украину учёные из РФ и Германии продолжают изучать небо в рамках проекта eROSITA.
Пол неба пол мира
Вот что стало за то что было*
Биологи, физиологи, психологи, антропологи и многие другие любят изучать разлучённых однояйцевых близнецов. Очень хороший объект для исследования, позволяющий понять, как эффекты окружения соотносятся с тем, что заложено генетикой. Nature vs Nurture. В некотором смысле такими «близнецами» стали две половины неба в рамках проекта eROSITA — рентгеновского телескопа на борту спутника Спектр-Рентген-Гамма (СРГ). Данные по одной половине неба обрабатывает консорциум учёных из институтов Германии, а по второй — российский консорциум, лидером которого является Институт космических исследований РАН. В 2024 году появилось множество статей, посвященных первому полному скану неба, проведённому телескопом eROSITA.
Главные новости о жизни учёных во время войны, видео и инфографика — в телеграм-канале T-invariant. Подпишитесь, чтобы не пропустить.
История создания спутника СРГ довольно драматична. Всё началось в далеком 1987 году. Тогда была создана первая международная коллаборация (СССР, Великобритания, ГДР, Дания, Италия, Финляндия) по разработке спутника с несколькими рентгеновскими инструментами на борту. Постепенно в проекте появлялись новые участники (Израиль, США, Швейцария). Но в 2001-2002 гг. проект был свёрнут из-за недостатка финансирования.
Обсерватория «Спектр-РГ». Изображение: АО «НПО имени Лавочкина»
Тогда началась разработка нового, более дешёвого варианта. Основным инструментом должен был стать германский телескоп eROSITA, наследник проекта ABRIXAS Института внеземной физики Общества Макса Планка. Спутник был запущен в 1999 году. Однако из-за технических проблем никаких научных данных получено не было. В начале планировалось сделать новый вариант в виде отдельного спутника ROSITA, но потом телескоп стал частью проекта СРГ.
Помимо eROSITA на спутнике планировалось установить российский телескоп ART-XC, а также британский Lobster. Но от последнего в итоге отказались. В 2007-2008 гг. в общем виде проект аппарата был завершён, и в 2009 году Германия и Россия подписали соглашение. Однако для вывода спутника на орбиту понадобилось ещё 10 лет.
Основная научная задача спутника — обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне с помощью eROSITA. У этого инструмента большое поле зрения при большой собирающей площади детектора. Поэтому запланированный обзор должен был иметь рекордную чувствительность в своём классе исследований. Второй инструмент — телескоп ART-XC — наблюдает в немного более жёстком рентгене. Поле зрения этого телескопа немного меньше, но он тоже должен был дать обзор. Инструмент сонаправлен с eROSITA и в течение сканирования должен также собирать данные по всем источникам, попадающим в поле зрения. Согласно утверждённой программе наблюдений, eROSITA делает полный обзор на полгода. Таких сканов было запланировано восемь (четыре года работы). Затем аппарат должен был начать работать по новой программе, наблюдая отдельные области неба.
Скопления галактик глазами eROSITA. Источник
Обзорные наблюдения с рекордной чувствительностью всегда дают много интересных (и часто неожиданных) результатов. Но кое-что можно было планировать заранее. eROSITA должна была увидеть все достаточно крупные скопления галактик в видимой части вселенной. Это важно и для изучения самих скоплений, и для «большой космологии». Кроме того, было бы много новых данных по активным ядрам галактик (и здесь важно, что параллельно наблюдения ведутся на ART-XC на чуть бОльших энергиях), по приливным разрушениям звёзд сверхмассивными чёрными дырами. Ну, и вообще — появился бы огромный массив данных по всем типам рентгеновских источников в нашей Галактике и за ее пределами. Мне, например, конечно же интересны одиночные нейтронные звёзды и перспектива открытия старых одиночных аккрецирующих нейтронных звёзд. Но ….
Спутник был успешно запущен в июле 2019 года (помню, как мы со студентами смотрели запуск в Ютьюбе и радовались в Кавказской горной обсерватории МГУ, где они проходили практику). Он достиг окрестностей точки Лагранжа L2 в октябре. Ещё на стадии перелёта в точку L2 были проведены тестовые наблюдения, в ходе которых было получено несколько очень интересных результатов. Наконец, в декабре 2019 года началась обзорная программа.
Как поделить небо?
Взял пол неба дал пол мира
Германский телескоп на российском спутнике (выведенном, к слову, на орбиту российской ракетой) сканирует всё небо. Кому же принадлежат данные? Кто будет делать открытия? В астрономии в таких случаях бывают самые разные подходы. В данном случае решили разделить небо пополам! Интересных объектов везде много! Данные с одной половины доступны германской стороне, данные с другой — российской. При этом поддерживается интенсивное сотрудничество по всем вопросам, связанным с проектом, а некоторые данные, когда это критически важно, обрабатываются совместно.
Как «разрезать небесную сферу»? Можно, например, по экватору: кому-то северное небо, кому-то южное. Можно по меридиану. Но вспомним, что если мы посмотрим на небо невооружённым глазом, то увидим …. Млечный Путь! Делить небо решили, используя галактические координаты. Линия раздела прошла перпендикулярно Млечному Пути. Спрашивается, а что со сверхмассивной чёрной дырой в центре? Её решили сделать общей.
Итак, германскому консорциуму принадлежит половина данных с eROSITA, собираемых с западного полушария Галактики. А российскому — другая половина (в экваториальных координатах это в среднем более северная часть, что делает большинство объектов доступными для наблюдений наземными телескопами с территории России). Важные технические работы (где может быть важно наблюдение всего неба или отдельных объектов и областей в разных частях) ведут совместно. Все данные с ART-XC — российские. Как и с кем делиться своими данными дальше, каждый консорциум решает сам.
Наблюдения начались.
Нельзя искать, запрещено
Тень упала не стало неба
Практически сразу после начала полномасштабного вторжения российских войск в Украину Германия свернула научно-техническое сотрудничество с российскими организациями. Одним из трудных решений стало отключение eROSITA. Не будем вдаваться в технические детали, но суть сводится к тому, что информация с телескопа не могла быть больше использована ни одной из сторон. К этому моменту было выполнено четыре полных скана. То есть примерно половина основной программы. Именно с этими данными оба консорциума могут теперь работать, каждый по своей половине неба. Кроме этого, есть данные ранней программы наблюдений, проводившейся (отчасти в целях проверки оборудования и т.п.) до начала сканов.
Учитывая параметры инструмента, даже один скан дает прекрасный обзор, превосходящий предшествующие, сделанные другими аппаратами. Несколько сканов позволяют и разглядеть более слабые источники, и изучать переменность. Четыре скана — это огромный объём первоклассных научных данных. Работа с ними уже привела к важным результатам и интересным открытиям. Дальше мы как раз и поговорим о нескольких работах, выполненных на основе результатов наблюдения СРГ германским и российским консорциумами. Телескоп ART-XC продолжает наблюдения, и с его помощью также получены интересные результаты, поэтому упомянем и некоторые из них.
Каталоги и скопления
Чашей пенной
Ходит Небо над Вселенной
В январе-феврале 2024 г. немецкий консорциум опубликовал первый каталог (eRASS1) на основе первого скана (шесть месяцев наблюдений) своей половины неба. Российский консорциум пока не представил аналогичный каталог, но российские учёные опубликовали несколько статей по отдельным источникам или группам объектов. Также появился первый релиз данных телескопа ART-XC, куда вошли данные за первые два с небольшим года наблюдений.
Положение на небе (в Галактических координатах) источников, обнаруженных телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» в ходе обзора всего неба. Размер символов характеризует рентгеновский поток источников. Изображение: из статьи S. Sazonov et al., 2024
Первый релиз данных германского консорциума — eROSITA-DE DR1 — содержит почти миллион источников! Это самый большой рентгеновский каталог за всю историю исследований. Он находится в открытом доступе.
В eROSITA-DE DR1 из миллиона источников подавляющее большинство наблюдается в более мягкой части рентгеновского спектра, где энергия фотонов составляет 0.2-2.3 кэВ. Жестких источников — энергии 2.3-5 кэВ — намного меньше. Всего пять с половиной тысяч. Российский телескоп ART-XC наблюдает в ещё более жёстком диапазоне: от 4 до 12 кэВ. Его чувствительность несколько хуже. И в первый каталог вошло примерно полторы тысячи источников. Он также доступен онлайн.
Каталоги уже активно используются учёными в разных странах. Открытые данные — важная особенность современной астрономии. Это позволяет очень эффективно проводить разнообразные исследования, в том числе те, где необходимо сравнивать свойства объектов в разных диапазонах спектра. Поскольку для eROSITA одна из основных задач — изучение скоплений галактик, кратко опишем результаты двух исследований по этой теме. Одна статья написана учёными из германского консорциума, вторая — из российского.
Первая работа — это статья Bulbul et al., опубликованная в журнале Astronomy and Astrophysics. В ней представлен каталог групп и скоплений галактик в первом релизе eROSITA. В каталог вошло более 12 тысяч групп и скоплений, подтверждённых оптическими наблюдениями. Самые далёкие находятся на красном смещении чуть больше 1.3. То есть, свет от них добирался до нас почти 9 миллиардов лет. Подавляющее большинство обнаруженных скоплений ранее не наблюдались, так что это совершенно уникальная выборка объектов.
В каталоге приводятся расстояние, поток излучения, температура, полная масса скопления и масса газа в нём, а также некоторые другие параметры. Отдельно дана выборка из пяти с лишним тысяч скоплений, для которых данные определены наиболее хорошо. Их будут использовать для космологических исследований.
Оптическая идентификация скоплений проводилась массово с помощью данных обзора DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). В рамках проекта DESI на 4-метровом наземном оптическом телескопе проводятся наблюдения галактик. Соответственно массовое определение красных смещений скоплений, обнаруженных eROSITA, проводилась по данным многоцветной фотометрии, что не всегда является очень точным методом (лучше бы использовать индивидуальные спектры, но их получение крайне трудоёмко). Кроме этого, проводился поиск уже имеющихся данных спектральных наблюдений галактик, входящих в изучаемые скопления. Это позволяет определить красные смещения более надёжно. Спектроскопические данные оказались доступны примерно для 30% скоплений.
Представленный каталог скоплений галактик на основе лишь первого скана показывает колоссальный потенциал eROSITA. Уже этих результатов было бы достаточно, чтобы назвать весомым вклад инструмента в космологические исследования. Очевидно, что данные по всем четырем сканам (и по обоим полушариям неба) заметно продвинут наше понимание того, как эволюционирует крупномасштабная структура вселенной.
А значит, можно будет с бОльшей уверенностью строить модели для ранней вселенной, когда формировались те неоднородности в распределении вещества, из которой потом выросли скопления, галактики (и — в некотором смысле — мы с вами). Но обработка всех данных займет ещё какое-то время. В статье я часто использую слово «трудоёмко». Это в самом деле так. Важно наличие больших команд высококлассных учёных, обеспеченных необходимыми ресурсами и возможностями. У германского консорциума всего этого побольше.
Вторая статья (Зазнобин и др.) опубликована в «Письмах в Астрономический журнал» в 2024 году. В ней приведена оптическая идентификация 216 скоплений, из которых более половины – новые. Самые далекие находятся на красном смещении >1. Изначально на основе данных eROSITA было выделено несколько тысяч скоплений, а затем началась программа индивидуальных наблюдений объектов на разных телескопах. Здесь красные смещения определяются надежно по спектральным наблюдениям, но процесс довольно медленный и трудоемкий. За три года работы удалось получить и обработать данные по 216 объектам, которые и представлены в каталоге, который, разумеется, также есть в открытом доступе.
Как уже упоминалось выше, для применения данных eROSITA в космологии важно иметь как можно более точные измерения красных смещений скоплений. Спектральные данные для многих из них просто не существуют, а фотометрические красные смещения в некоторых индивидуальных случаях могут быть недостаточно точны. Так что специальные программы по измерению спектров галактик в скоплениях, обнаруженных eROSITA, необходимы. Для всех скоплений сделать это достаточно быстро (за несколько лет) просто нереально. Поэтому важно правильно выбрать те, для которых измерения возможны. Это тоже непростая задача, с которой российская команда успешно справляется.
Наблюдения проводились на 2.5-метровом телескопе Кавказской горной обсерватории, на 1.6-метров телескопе в Саянах и на 1.5-метровом телескопе в Турции. Со временем было бы хорошо подключить к этому и более южные инструменты, поскольку часть скоплений на российской половине неба невозможно наблюдать с помощью этих инструментов. И, конечно, космологи ждут от российских учёных каталог скоплений, аналогичный представленному германским консорциумом. А для этого необходимо сделать полный каталог источников, обнаруженной в восточном полушарии Галактики. Однако не будем забывать, что в такой работе качество важнее скорости, и запасемся терпением. Возможности российского консорциума уступают возможностям их коллег.
Почему всё это важно
Скопления галактик интересны и сами по себе, и в контексте космологических исследований. Последнее, пожалуй, особенно существенно (подробнее о скоплениях галактик и их роли в космологии можно узнать в обзоре Вихлинина и др. в «Успехах физических наук»).
Именно скопления являются ключевым элементом крупномасштабной структуры вселенной. Это самые массивные объекты (более 10^15 масс Солнца у самых массивных), которые успели полностью сформироваться к нашему времени (сверхскопления с одной стороны продолжают расти, с другой — их периферийные части будет «растаскивать» тёмная энергия). Наблюдая скопления на разных расстояниях (т.е., на разных красных смещениях), мы видим структуру на разных стадиях ее роста. Измерив параметры скоплений в разные эпохи жизни вселенной, мы можем понять, как космологические параметры изменялись в ходе её эволюции.
Скопления галактик хорошо наблюдать именно в рентгеновском диапазоне, потому что мы можем регистрировать излучение очень горячего газа, заполняющего их. Основная масса обычного (барионного) вещества в скоплениях находится именно в виде этого газа, а не, скажем, звёзд в галактиках. Газ разогрет до сотен миллионов градусов благодаря большой массе скопления, основной вклад в которую вносит темное вещество. Остывать газу в центральной части скопления не дает активность сверхмассивных черных дыр. В первую очередь — дыры в массивной центральной галактике скопления. Измерив параметры излучения газа, мы определяем и полную массу скопления, и массу газа.
Полная масса скоплений — очень важный параметр, потому что распределение скоплений по массам очень сильно зависит от ключевых космологических параметров и их эволюции. Однако, скажем, наблюдения галактик не позволяют определить полную массу с достаточной точностью. В некоторых случаях массу удается измерить за счёт эффекта гравитационного линзирования, но это невозможно сделать для большого числа скоплений, тем более на больших красных смещениях, потому что метод очень трудоемкий и требует наблюдений на крупнейших телескопах. Только измерение рентгеновского излучения горячего газа может позволить построить распределение всех (!) массивных скоплений галактик в видимой части вселенной. И это задача для eROSITA.
Рентгеновское небо, проецируемое на круг (так называемая зенитная равновеликая проекция) с центром Млечного Пути слева и галактической плоскостью по горизонтали. Иллюстрация: MPE, J. Sanders for the eROSITA consortium
Кроме того, на «горячих» электронах в газе могут рассеиваться кванты реликтового излучения. В результате, они приобретают энергию, что приводит к изменению радиоспектра скопления (поэтому скопления хорошо выделяются на картах реликтового излучения, например, полученных на спутнике Планк). Это т.н. эффект Сюняева-Зельдовича. Наблюдения этого эффекта позволяют, в частности, напрямую измерить температуру реликтового излучения в эпоху, соответствующую красному смещению скопления. Для этого, правда, надо знать температуру газа, и тут снова важны рентгеновские наблюдения.
Итак, массовые измерения свойств скоплений галактик по данным рентгеновских наблюдений позволяют получить результаты, необходимые для более детального понимания и описания эволюции вселенной.
eROSITA отключена, но дело её живет
Вот уже более двух лет eROSITA не даёт новых научных данных. Это очень грустно, потому что за это время и обзор бы полностью закончили, и последующую программу наблюдений успели бы начать. Тем не менее, два с половиной года работы — это тоже большой успех. Насколько большой видно по тому, что пока в открытый доступ выложена только четверть полученных данных.
В ближайшие годы никаких конкурентов у eROSITA нет. Поэтому итоговая версия каталога будет важной составляющей частью астрономии на долгие годы. Хочется надеяться, что российская часть неба будет представлена не менее ярко, чем германская.
* В эпиграфах и заголовках разделов использованы строки из стихотворений Дмитрия Озерского — с сохранением авторской орфографии и пунктуации
***
Запрещено искать рассвет –
Вернешься через десять лет.
Запрещено искать закат –
Проснешься десять лет назад.
Не пей весной туман ночной –
Вернешься карликом домой.
Не трогай тень луча луны –
Увидишь бабушкины сны.
Кто думал днем про свет звезды,
Забыл и вкус, и цвет воды.
Кто шел дорогой в никуда,
Тот стал прозрачным, как вода.
Нельзя искать мечту дождя,
И тех, что в радуге сидят.
Пойдешь вдоль радуги зимой,
Придешь домой, а дом пустой.
А кто искал ежиный след,
Пришел домой, а дома нет.
Нельзя искать, запрещено,
А за окном опять темно.
Дмитрий Озерский
Текст: Сергей Попов
Сергей Попов 6.08.2024