«Спектр-РГ»: создание карты космических маяков

Поэтому мы не будем углубляться в механику формирования радиоимпульсов (в общем смысле принципы схожи), а сосредоточимся на рентгеновском излучении от соответствующих пульсаров, официально открытых спустя четыре года после радиопульсаров. Сочетание мощного магнитного поля и быстрого вращения приводит к тому, что заряженные частицы в состоянии плазмы разгоняются до невероятной скорости силовыми линиями магнитного поля и сталкиваются с поверхностью нейтронной звезды в районе полюсов. Происходит разогрев вещества до десятков миллионов градусов, из-за чего оно излучает в рентгеновском диапазоне. Причем пятно излучения относительно невелико. Из-за наклона оси вращения нейтронной звезды, выбранного ракурса, а также не строгого совпадения магнитного и реального полюсов пульсара это излучающее пятно то появляется в поле зрения наблюдателя, то исчезает, создавая вспышки, подобные проблескам маяка, со строгой периодичностью.

Хотя стоит оговориться, что, в отличие от радиопульсаров, которые обычно имеют четкий период, у их рентгеновских «коллег» может наблюдаться стабильное повторяющееся изменение импульса, вызванное эффектом Доплера. Он связан с тем, что такие пульсары часто являются компонентом двойной системы и выкачивают вещество из соседней звезды, вращаясь с ней вокруг общего центра масс. Собственно, это выкачиваемое вещество и становится зачастую источником материала, который падает на пульсар и разогревает то самое «сигнальное пятно».

Таким образом, даже после смерти классическая массивная звезда, превращаясь в пульсар, обретает новый смысл существования, становясь маяком для покорителей космического пространства. Но как отдельные звезды вне контекста не дали бы никакой полезной информации древнему мореплавателю, так и пульсары сами по себе не годятся для прикладного использования. Их сигналы нужно систематизировать, а расположение нанести на карту, которая будет понятна космическим навигационным системам будущего. И тут на сцену выходит «Спектр-РГ».

Космический астрофизик и по совместительству картограф

На самом деле, было бы неправильно ограничивать роль обсерватории «Спектр-РГ» только построением карты распределения рентгеновских пульсаров. Можно даже сказать, что это скорее попутный продукт работы уникального космического аппарата, предназначенного в первую очередь для решения фундаментальных астрофизических вопросов об эволюции Вселенной и высокоэнергетических процессах в ней. Как это часто бывает, фундаментальные космические исследования находят применение и в прикладной области.

Практически сразу после запуска «Спектр-РГ» в 2019 году появилась идея о том, что можно создать систему навигации «Астро-ГЛОНАСС», которая будет такой же универсальной и удобной, как ГЛОНАСС, GPS или Galileo, но применяться сможет на космических аппаратах, а не на автомобилях. Что же нужно для реализации идеи? Во-первых, собственно прибор, который сможет регистрировать сигналы пульсаров и рассчитывать положение космического аппарата, находясь на его борту. Во-вторых, база пульсаров, надежная карта, загруженная в «мозг» этого прибора. Сейчас в России работа ведется над обоими компонентами. Но начнем со второго – к нему причастен «Спектр-РГ».

Обсерватория находится в точке Лагранжа L2 системы Солнце–Земля. Эта точка расположена в 1,5 миллиона километров от нашей планеты в сторону от Солнца. Точки Лагранжа относительно устойчивы гравитационно, поэтому позволяют сильно экономить топливо на корректировку траектории космического аппарата. А точка L2 удобна для обсерваторий, которым нужно быть отвернутыми от Солнца и смотреть в далекий космос. Именно поэтому в ней работают также американский «Джеймс Уэбб» и европейская «Гайя».

Тут нужно оговориться по поводу термина «точка». У кого-то может возникнуть резонный вопрос о том, как же все эти аппараты помещаются в одном месте и не мешают друг другу? Это понятие весьма условно. На самом деле они занимают так называемую гало-орбиту и вращаются вокруг этой условной точки. Например, орбита «Спектр-РГ» вокруг точки L2 имеет радиус 400 тысяч километров. Понятно, что при таком размахе эта «точка» вместит еще немало обсерваторий.

Обсерватория «Спектр-РГ» представляет собой российскую платформу «Навигатор», на которой размещены сразу два рентгеновских телескопа. Немецкий eROSITA, который работает в энергетическом диапазоне от 0,3 до 11 кэВ, и российский ART-XC, который охватывает диапазон от 5 до 30 кэВ, что делает его уникальным инструментом. На сегодняшний день нет такого космического телескопа, который способен исследовать небо в столь жестком рентгеновском диапазоне и при довольно обширном поле зрения. Это создает умопомрачительный объем данных для дальнейших исследований.

Как уже говорилось, основной задачей «Спектр-РГ» является сбор астрофизических сведений о скоплениях галактик, о сверхмассивных черных дырах и аккрецирующих объектах, как известных, так и неизвестных, о горячей межгалактической и межзвездной плазме – обо всем, что связано с событиями высокой энергии, маркируемыми излучением в рентгеновском диапазоне. В числе первоначальных целей было составление полного обзора неба для нанесения на него всех рентгеновских источников в диапазоне от 0,3 до 11 кэВ. Причем предполагалось создание восьми таких обзоров для лучшей детализации и более глубокой проработки данных. К концу зимы 2022 года было проведено четыре полных обзора и один завершился наполовину. Тогда по решению германской стороны телескоп eROSITA был переведен в спящий режим

При этом российская часть обсерватории свою работу продолжила, хотя научную программу пришлось скорректировать. Телескоп ART-XC сосредоточился на более тщательном изучении рентгеновских источников, обнаруженных во время четырех циклов сканирования неба. А это более 1,5 миллиона объектов, среди которых и активные ядра галактик, и звезды. Некоторые особенно интересные астрофизикам объекты будут изучаться еще пристальнее. Также ART-XC проводит глубокое сканирование плоскости нашей галактики в жестком рентгеновском диапазоне, наконец, среди задач обозначено отдельно наблюдение за миллисекундными пульсарами – для создания карты под «Астро-ГЛОНАСС».

Телескоп ART-X им. Павлинского, german-kmw.livejournal.com

Воплощение в реальность

В то же время Институт космических исследований РАН совместно с НПО им. С. А. Лавочкина и Баллистическим центром Института прикладной математики им. М. В. Келдыша приступил к разработке прибора, который сможет использовать рентгеновские пульсары для навигации. О начале работ было объявлено в 2020 году, а в 2021-м появились планы по размещению прототипа на борту МКС для проведения эксперимента. К слову, тесты в космосе тут обязательны, поскольку сигналы рентгеновских пульсаров на поверхности Земли не фиксируются – они гасятся атмосферой.

Но даже и без работающего прототипа навигатора российские ученые провели эксперимент по оценке пригодности такой технологии. В нем участвовали все та же обсерватория «Спектр-РГ» и размещенный на ней телескоп ART-XC. В ходе эксперимента использовались регистрируемые ART-XC сигналы пульсаров для настройки сверхточного хода бортовых часов обсерватории. Это необходимо для привязки положения аппарата к положению Земли. Эксперимент показал, что точность позиционирования при таком подходе может быть менее 10 километров, а это значит, что практический смысл в этой работе имеется.

Скачок в технологиях

Ценность пульсаров именно в том, что они генерируют очень четкий по времени импульс, каждый пульсар имеет собственный отпечаток, собственный неповторимый след, который позволит аппарату ориентироваться в положении, не привязываясь к сигналам с Земли. А оценка эффекта Доплера позволит понимать направление движения и скорость аппарата. Такая автономная система крайне ценна в условиях, когда постоянная прямая связь с Землей затруднена по той или иной причине.

Например, NASA, имеющему большое количество космических миссий за пределами околоземной орбиты, приходится содержать большую сеть дальней связи Deep Space Network. Это громоздкие, требующие тонкой настройки и сложной работы антенны, кроме того, расположить их в любом удобном месте на поверхности Земли не получится, а трафик с увеличением количества космических миссий растет, и они встают в очередь на сеанс связи с Землей. В том числе для проверки своего положения. К тому же с ростом расстояний увеличивается время задержки сигнала, да и не все параметры движения аппарата можно оценить только с помощью «радионитки» между ним и Землей. Допустим, радиальное расстояние удобно оценивать так с точностью до метра, но вот с угловым положением возникают проблемы из-за ограниченного разрешения антенн. Погрешность может составлять до четырех километров на астрономическую единицу. Таким образом, для аппарата на орбите Плутона она составит уже 200 километров.

В таких условиях оптимальным универсальным решением будет использование рентгеновских пульсаров. Причем не обязательно учитывать тысячи их. Достаточно подобрать подходящие по положению и частотам, чтобы не перегружать бортовые компьютеры аппаратов вычислениями. В идеале это будет система, подобная привычным ГЛОНАСС и GPS, где можно зафиксировать время прохождения сигналов от как минимум трех разных источников, сравнить их с прогнозным временем и получить параметры движения и положения аппарата в пространстве в любой точке независимо от расстояния до Земли и наличия связи с ней.

Космический корабль «Пионер», solarsystem.nasa.gov

Осознание удобства такого способа оценки положения пришло несколько десятилетий назад, когда появились первые проекты экспериментов, подобных тому, что провели российские ученые с использованием ART-XC. Да что там, интуитивно это понимали, например, и Карл Саган с Фрэнком Дрейком, которые разместили на борту космического аппарата «Пионер», запущенного в начале 1970-х годов и направляющегося в межзвездное пространство, золотую пластину с информацией о землянах. Среди прочего там положение Солнечной системы указано относительно 14 известных пульсаров. Можно сказать, что это первое их применение для нужд навигации.

Пластинки «Пионера» – две идентичные пластинки из анодированного алюминия на борту «Пионера-10» и «Пионера-11» с символьной информацией о человеке, Земле, Солнечной системе и ее местоположении во Вселенной, авторы – Карл Саган из Корнеллского университета и Фрэнк Дональд, автор рисунка мужчины и женщины – Линда Саган, вторая жена Карла Сагана. На пластинках изображены мужчина, женщина и корабль «Пионер» в одном масштабе. Слева от них изображено Солнце, лучами показано расположение и расстояния до 14 ближайших пульсаров и центра Галактики, wikimedia.org

Прочие эксперименты

Итак, мы знаем, какая работа над навигационной системой по пульсарам ведется в России, обладающей хорошим инструментом в виде телескопа ART-XC и научной базой. А что у других? На разных этапах теоретические разработки имеются у многих стран. До практических экспериментов на орбите дело дошло у Китая и США.

Китайские ученые и инженеры также считают очень перспективным такой подход. В 2016 году они запустили миссию XPNAV-1, которая должна была проверить точность навигации по рентгеновским пульсарам, основываясь на регистрации данных от 26 таких объектов. Это был первый орбитальный опыт такого рода. Авторы проекта расходились в том, какой точности позиционирования удастся достичь. Самые смелые предположения говорили о десятках метров. Однако пока подтверждений таким показателям не было.

Куда более реалистичными по цифрам на данном этапе развития технологии стали результаты американского эксперимента SEXTANT, проведенного на Международной космической станции. В основу исследований легли данные, собранные инструментом NICER, который установлен на борту МКС и наблюдает за нейтронными звездами, в том числе пульсарами. В ходе эксперимента предполагаемая точность навигации была установлена в районе 5 километров.

Пока достигнутые величины кажутся слишком большими, чтобы называть способ навигации с использованием рентгеновских пульсаров приемлемым и применимым прямо сейчас. Но в космических исследованиях многое устремлено в будущее. И работа над снижением погрешности – это уже дело естественного технического прогресса, роста вычислительных мощностей. Принципиальная рабочая схема доказана. И к тому времени, когда сверхдальние космические полеты станут реальностью, а научные миссии в глубоком космосе будут реализовываться в больших количествах, универсальная автономная система навигации в любой точке пространства окажется необходимостью. И человечество уже будет к этому готово. В том числе благодаря тем картам, которые составит для него обсерватория «Спектр-РГ».