Невидимые для наших глаз рентгеновские лучи, испускаемые горячим газом, заполняющим большую часть Вселенной, могут пролить свет на многие космические загадки. Первые наблюдения этого газа миссией JAXA по рентгеновской визуализации и спектроскопии (XRISM) готовы и демонстрируют, что миссия сыграет большую роль в раскрытии эволюции Вселенной и структуры пространства-времени.
Возглавляемая Японией обсерватория XRISM (Миссия рентгеновской визуализации и спектроскопии) опубликовала первые данные — снимок скопления из сотен галактик и спектра обломков звезд в соседней галактике, что дает ученым детальное представление о ее химическом составе. XRISM (произносится как «crism») возглавляется JAXA (Японским агентством аэрокосмических исследований) в сотрудничестве с НАСА, а также при участии ЕКА (Европейского космического агентства). Он был запущен 6 сентября 2023 года.
Ричард Келли, главный исследователь XRISM в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд: «Мы не только увидим рентгеновские снимки этих источников, но и изучим их состав, движение и физическое состояние». XRISM предназначен для обнаружения рентгеновских лучей с энергией до 12 000 электронвольт и будет изучать самые горячие регионы Вселенной, крупнейшие структуры и объекты с сильнейшей гравитацией. Для сравнения, энергия видимого света составляет от 2 до 3 электронвольт.
Первые тестовые изображения XRISM показывают скопление галактик и остаток сверхновой — оболочку, оставшуюся после взрыва массивной звезды. Более того, XRISM измерил энергию рентгеновских лучей, исходящих от остатка сверхновой, чтобы выявить содержащиеся в нем химические элементы. Наблюдения демонстрируют исключительные возможности двух научных инструментов XRISM.
Resolve — это микрокалориметрический спектрометр, разработанный НАСА и JAXA. Он работает при температуре всего лишь на долю градуса выше абсолютного нуля внутри контейнера с жидким гелием размером с холодильник. Когда рентгеновские лучи попадают на детектор Resolve размером 6 на 6 пикселей, они нагревают устройство на величину, соответствующую его энергии. Измеряя энергию каждого отдельного рентгеновского излучения, прибор предоставляет ранее недоступную информацию об источнике.
Команда миссии использовала Resolve для изучения N132D, остатка сверхновой и одного из самых ярких источников рентгеновского излучения в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике на расстоянии около 160 000 световых лет в южном созвездии Дорадо. Возраст расширяющихся обломков оценивается примерно в 3000 лет. Они образовались, когда у звезды, масса которой примерно в 15 раз превышала массу Солнца, закончилось топливо и она взорвалась.
Спектр разрешения показывает пики, связанные с кремнием, серой, кальцием, аргоном и железом. Это самые подробные рентгеновские спектры объекта, когда-либо полученные. «Эти элементы образовались в первоначальной звезде, а затем взорвались в составе сверхновой», — сказал Брайан Уильямс, ученый проекта НАСА XRISM в Годдарде. «Оборудование позволит нам увидеть форму этих линий так, как это было невозможно раньше, позволяя нам определять не только содержание различных присутствующих элементов, но также их температуру, плотность и направления движения с беспрецедентным уровнем точности. Оттуда мы сможем собрать воедино информацию о первоначальной звезде и взрыве».
Второй инструмент XRISM, Xtend, представляет собой рентгеновский сканер, разработанный JAXA. Это дает XRISM большее поле для обозрения, позволяя наблюдать территорию, примерно на 60% превышающую средний видимый размер полной Луны. Xtend сделал рентгеновское изображение Abell 2319, массивного скопления галактик, расположенного примерно в 770 миллионах световых лет от нас в северном созвездии Лебедя. Это пятое по яркости рентгеновское скопление на небе, и в настоящее время оно переживает крупное слияние.
Скопление имеет диаметр 3 миллиона световых лет и подчеркивает широкие анализаторские возможности Xtend. Это новаторское изображение представляет собой широкий обзор близлежащего скопления галактик под названием Abell 2319. Фиолетовым цветом мы видим рентгеновский свет от газа с температурой в миллион градусов, который проникает между галактиками в скоплении. Наблюдение за этим газом помогает астрономам измерить общую массу скопления галактик, раскрывая информацию о рождении и эволюции Вселенной.
«Еще до завершения процесса ввода в эксплуатацию Resolve уже превосходил наши ожидания», — сказала Лилиан Райхенталь, менеджер проекта НАСА XRISM в Годдарде. «Наша цель состояла в том, чтобы достичь с помощью прибора спектрального разрешения в 7 электронвольт, но теперь, когда он находится на орбите, мы достигаем 5. Это означает, что мы получим еще более подробные химические карты с каждым спектром, полученным XRISM».
Resolve работает исключительно хорошо и уже проводит захватывающие научные исследования, несмотря на проблему с дверцей апертуры, закрывающей детектор. Дверца, предназначенная для защиты детектора перед запуском, после нескольких попыток не открылась, как планировалось, она блокирует низкоэнергетические рентгеновские лучи, эффективно прерывая работу при 1700 электрон-вольтах по сравнению с запланированными 300.
Этап ввода корабля в эксплуатацию завершится к концу января. В феврале JAXA начнет калибровку приборов и демонстрацию их возможностей. Время, выделенное ЕКА в рамках программы публичных наблюдений, открытой для ученых всего мира, позволит европейским ученым воспользоваться исключительными научными возможностями, предлагаемыми беспрецедентными спектроскопическими возможностями высокого разрешения Resolve. Ученым уже предложено представить предложения по наблюдениям, которые они хотели бы провести начиная с августа 2024 года. Крайний срок — 4 апреля 2024 года.
«Эти первые световые изображения демонстрируют, что XRISM выполняет свое обещание открыть новую эру в спектроскопии изображений горячего газа во Вселенной с высоким разрешением», — говорит научный сотрудник проекта ESA XRISM Маттео Гуайнацци. «Я горячо призываю ученых в государствах-членах ЕКА воспользоваться уникальными возможностями, предлагаемыми XRISM, и представить предложения по наблюдениям с помощью этого великолепного телескопа».
Наблюдения, сделанные с помощью XRISM, дополнят данные с помощью рентгеновского телескопа XMM-Newton ЕКА и станут отличной основой для исследований, запланированных в рамках будущей миссии большого класса NewAthena ЕКА. Последняя призвана существенно превзойти по научным возможностям существующие спектроскопические и обзорные рентгеновские обсерватории.
