Iako to možda ne želim da priznam, nema puno tajanstvenih mehanizama na Zemlji za mene. Ima komplikovanih, ima velikih, ima i onih koji me ne interesuju, ali malo je onih za koje znam, koji postoje i tajanstveni su. Jedan od njih je rendgenski teleskop. Zamisli to! Nebo koje svi poznajemo iznad naših glava izgleda potpuno drugačije gledano u rendgenskom spektru. Ko uopšte zrači na takav način? Šta naučnici saznavaju iz takvih podataka? Na kraju, upoznajmo se s jednom od najvećih rendgenskih teleskopa u poslednjih 15 godina.
Preko milion objekata Univerzuma viđeno rendgenskim teleskopom 'eROSITA'. Za ovaj snimak je teleskopu trebalo 182 dana. Označeno je nekoliko rendgenskih objekata, od udaljenih klastera galaksija (Coma, Virgo, Fornax, Perseus) do ostataka supernovi (SNR) i pojedinačnih izvora, poput Sco X-1, prvog detektovanog vansolarnog rendgenskog izvora.
Rentgenski teleskop je konstruisan za promatranje udaljenih objekata u rendgenskom delu spektra. Za rad s takvim teleskopima obično je potrebno podići ih iznad Zemljine atmosfere, koja je neprovidna (zbog apsorbcije) za rendgensko zračenje. Stoga se teleskopi postavljaju na rakete koje lete na velike visine, balone ili veštačke Zemljine satelite. Njihova ogledala zahrevaju vrlo mali ugao refleksije (tipično od 10 lučnih minuta do 2 stepena).
Osnovni elementi teleskopa su optika (fokusirajuća ili kolimirajuća), koja prikuplja zračenje koje ulazi u teleskop, te detektor na kojem se zračenje prikuplja i meri. Za ove elemente se koriste različiti dizajni i tehnologije.
Mnogi od postojećih teleskopa na satelitima sastavljeni su od više kopija ili varijacija detektorsko-teleskopskog sistema, čije se sposobnosti međusobno dodaju ili nadopunjuju, i dodatnih fiksnih ili pokretnig elemenata (filtera, spektrometara) koji doprinose funkcionalnosti instrumenta.
Zbog velike energije, kvanti rendgenskih zraka praktički se ne prelamaju u materiji (dakle, teško je napraviti sočiva) i ne reflektiraju se ni pod kojim upadnim uglom, osim kod najekstremnijih (88-89 stepeni u odnosu na normalu).
Rentgenski teleskopi mogu da koriste nekoliko tehnika za fokusiranje zraka. Najčešće se koriste tzv. Wolterovi teleskopi, kodiranje otvora i modulacioni (ljuljajući) kolimatori. Ograničene mogućnosti rendgenske optike rezultiraju značajno užim vidnim poljem (tipično <1 stepena) u poređenju s teleskopima koji rade u rasponima od UV do vidljivog dela spektra. Ogledala mogu da budu napravljena od keramike ili od metalnih folija prekrivenih tankim slojem reflektivnih materijala, najčešće zlata i iridijuma. Kritični ugao refleksije (ugao totalne refleksije) najviše zavisi od energije fotona. Za zlato i energiju od 1 KeV, kritični ugao je 3,72º.
Ova za veliku većinu dosadna priča nema kraja. Ovde je dat spisak svih lansiranih i planiranih rendgenskih teleskopa i njihove opreme do sada
Šematski prikaz principa fokusiranja rendgenskih zraka bazira se na totalnoj refleksiji.
Astrofizička opservatorija 'Spektr-RG'
Državna korporacija 'Roskosmos' uspela da postavi u orbitu rusko-nemačku rendgensku kosmičku opservatoriju 'Spektr-RG', jedan od najvažnijih naučnih projekata za Rusiju poslednjih godina. 'Spektr-RG' lansiran je 13. jula 2019. u 12:30 UTC raketom 'Proton-M' / 'Blok DM-03' koja je poletela sa rampe PU-24 u zoni № 81P kosmodroma Bajkonur. Ovo je drugo lansiranje 'Protona-M' ove godine i prvo od 2015. sa dodatnim stepenom 'Blok DM-03' (11S86-03). Ovo je četvrti 'Proton-M' opremljen stepenom 'DM-03', proizvođača RKK 'Energija', ali tek drugi koji je stigao u orbitu. 'Proton-M', koji je izgradila kompanija 'Hruničev', koristi u svа tri stеpena hipergolička goriva, i obično koristi hipergolični dodatni stepen 'Briz-M' koji je takođe konstruisao 'Hruničev'. Lansiranje je prvobitno bilo zakazano za 21. jun, ali je neispravni akumulator u stepenu 'Blok DM-03' morala biti zamenjena i lanser je morao da bude uklonje s rampe. Nakon što je odgođeno za 12. jul, poletanje je ponovo odgođeno zbog problema sa izolacionim materijalom između drugog i trećeg stepena, problem koji je rešen primenom posebnog lepka.
Lansiranje 'Spektra-RG'
Početna orbita Spektr-RG bila je vrlo eliptična, 500×1240000 km, sa inklinacijom (nagibom) od 51,6º. Za tri meseca, 'Spektr-RG' je stigao u Lagranžovu tačku ESL-2 sistema Zemlja-Sunce, koja se nalazi 1,5 miliona kilometara od Zemlje, odakle je počeo da sprovoditi svoja naučna promatranja. Zanimljivo je da je 'Spektr-RG' prvi ruski satelit koji je smešten u tačku L2.
'Spektr-RG' (rus. 'Спектр-РГ') ili 'Spectrum-XG' (ime dolazi od Röntgen-Gamma /Рентген-Гамма, ili 'X-zraci i gama-zraci') rendgenska je opservatorija od 2712,5 kg koju je izgradilo slavno preduzeće NPO 'Lavočkin'[1] koristeći takođe slavnu platformu 'Navigator'. Ona zapravo nosi dva nezavisna rendgenska teleskopa: ruski ART-XC i nemački 'eROSITA', ukupne težine 1205 kg. Radni vek 'Spektra-RG' procenjen je na 6,5 godina (prve četiri godine će mapirati čitavo nebo, dok će ostatak biti utrošen na gledanje određenih objekata).
'Spektr-RG'. Do cilja je putovao tačno 100 dana i za 3 korekcije putanje potrošio 17 kg goriva. Danas mora svakih 40-70 dana da koriguje svoju kvaziperiodičnu orbitu oko tačke L2.
Teleskop 'eROSITA'
'eROSITA' ( skraćeno od extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array ) je rendgenski teleskop težak 815 kg i vredan €90 miliona koji je sam po sebi bio vredan zasebne misije. Razvio ga je institut MPE ( Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics ) iz Garchinga u Nemačkoj, a glavni istraživač je dr Peter Predehl. Tokom 7 godina planiranog rada, promatraće i praviti globalnu mapu mekih X-zraka u energetskom rasponu od 0,3 do 10 kiloelektronvolta (KeV) s vrlo visokom rezolucijom (18 lučnih sekundi) i s vidnim poljem od 0,81 kvadratnih stepeni. Teleskop je 25 puta osetljiviji od pionirske misije 'ROSAT' iz 90-ih godina.
Teleskop se sastoji od sedam identičnih modula sa optikom Wolterovog tipa – X-zraci ne mogu da se fokusiraju normalnim sočivima, pa su metalna 'ogledala' postavljena na takav način da upadni ugao fotona bude vrlo mali – tako da svaki teleskop ima 54 reflektujuće površine pokrivene zlatom; svaki teleskop ima sopstvenu kameru sa CCD-ovima napravljenim od vrlo čistog silicijuma. Svaka od ovih modula je hlađen na -95º C kako bi se povećala njihova osetljivost.
Nemački rendgenski teleskop 'eROSITA'
Delovi 'eROSITA-e'.
Očekuje se da će 'eROSITA' otkriti preko 100000 klastera galaksija, 3 miliona aktivnih galaktičkih jezgara i preko 700000 zvezda u našoj galaksiji. Primarni naučni cilj je izmeriti tamnu energiju kroz strukturu i istoriju univerzuma praćenu kroz galaktičke klastere.
Prva slika kompletnog neba (prva slika u ovoj priči) dovršena je 11. juna 2020, kataloški uvevši 1,1 milion izvora, od kojih su većina (77%) aktivna galaktička jezgra, zvezde sa snažnom magnetski vrelih korona (20%) i galalaktička jata (2%).
Zlatne kocke su zapravo CCD-ovi osetljivi na rendgenske zrake (po jedna za svako od 7 ogledala). Za svaki detektovani foton, oni mere vreme dolaska, energiju (ili talasnu dužinu) i lokaciju na nebu.
Teleskop ART-XC
Sa svoje strane, teleskop ART-XC ( Astronomical Roentgen Telescope – X-ray Concentrator ), 350 kg, nadopuniće 'eROSITA-u' proučavanjem jakih X-zraka u energetskom rasponu od 6 do 30 keV sa rezolucijom od 45 lučnih sekundi i vidno polje od 0,3 kvadratna stepena. Takođe se sastoji od sedam blokova ogledala sa optikom sa 28 reflektirajućih površina svaka prekrivena niklom i iridijumom. ART-XC su proizveli ruski instituti IKI i VNIIEF[2] u saradnji sa Nasinim Marshallovom kosmičkim centrom, iako američka agencija nije formalno uključena u misiju (Marshallov center je izgradio sedam teleskopa prema IKI-jevom dizajnu). ART-XC ima sedam poluprovodničkih detektora od kadmijum-telurida hlađenih na -20ºC koje je proizveo institut IKI akademije nauka.
Ruski teleskop ART-XC.
ART-XC u 'Lavočkinovim' halama.
Detektori opservatorije.
ART-XC.
'Spektr-RG', posvećen astronomu, akademiku i doktoru nauka M.N. Pavlinskom, neće postići ugaonu rezoluciju Nasinog teleskopa 'Chandra' (AXAF) (0,5 lučnih sekundi), ali je njegova osetljivost vrlo visoka. Osim toga, posvećen je vrlo malo proučavanom rasponu energija spektra X-zraka. 'Spektr-RG' je izvorno rođen 1987. kao deo ambicioznog sovjetskog programa lansiranja nekoliko kosmičkih opservatorija koje su trebale da pokrivaju sve talasne dužine spektra, svojevrsnu repliku Nasinih Velikih opservatorija ('Hubble', 'Compton' GRO, AXAF 'Chandra' i 'Spitzer'). 'Spektr-RG' je dobio početnu pomoć od Ujedinjenog Kraljevstva, Danske, Nemačke Demokratske Republike, Finske i Italije. Nakon pada SSSR-a, konstruktorska kompanija NPO 'Lavočkin' zatražila je međunarodno financijsku pomoć da bi je lansirala 90-ih godina. U svom konačnom dizajnu, opservatorija je imala sedam međunarodnih instrumenata. Uz već pomenute zemlje, sudelovale su Švedska, Sjedinjene Američke Države i Izrael. Međutim, program je ipak bio otkazan u februaru 2002. zbog problema s finansiranjem. Uprkos svemu, projekat je ubrzo nakon toga volšebno vaskrsao.
Raspon energija pokriven sa dva teleskopa 'Spektr-RG'.
'Spektr-RG'.
Približni izgled 'Spektra-RG'.
Novi 'Spektr-RG' ima potpuno drugačiju konstrukciju i koristio je novu 'Lavočkinovu' platformu 'Navigator' koja se koristi i na drugim domaćim satelitima, poput kosmičkog radio teleskopa 'Spektr-R'. Čitav projekt je 2005. godine dobio novi zaokret kada su se Nemačka i Ujedinjeno Kraljevstvo pridružile s dva projekta, 'ROSITA' i 'Lobster Eye', dva rendgenska teleskopa koja su prvotno trebala da budu instalirana spolja na ISS. Na kraju su se Britanci povukli iz projekta, ali Njemačka je nastavila sa kooperacijom. Sporazum između Rusije i Nemačke potpisan je 2007. godine, na način da je 'Spektr-RG' zapravo pretvoren u dva kosmička teleskopa spojena u jedan: ruski teleskop ART-XC i nemački 'eROSITA'. Lansiranje 'Spektr-RG' prvobitno je planirano za 2011. godinu, ali je odgođeno zbog svih vrsta tehničkih i financijskih problema.
'Spektr-RG' spreman za integraciju s raketom.
Kao što rekoh, koncepcija projekata formirana je još 1987. u saradnji sa naučnicima nekoliko evropskih zemalja. Na prelazu u 90-e godine, 'Spectr-RG' je zbog svog ogromnog naučnog potencijala izbio na prvo mesto liste prioriteta programa 'Spektr'[3], iako je prvobitno bilo planirano da ga lansiraju poslednjeg. Ipak, do 1997. financiranje je ostalo na izuzetno miskom nivou – preko 70% sredstava usmeravano je na program 'Mars-96'[4] i održavanje orbitne stanice 'Mir'. Nakon neuspeha 'Marsa-96', 'Spektr-RG' je postao prioritet. U to vreme, lansiranje je već bilo viđeno za decembar 1998. godine. Uz pomoć rakete-nosača 'Proton-K', bilo je planirano da se satelit lansira u visokoeliptičnu orbitu od 500×200000 km i nagiba od 51,6º, gde bi mogla provoditi promatranja tri od četiri dana (orbitalni period). Težina satelita, projektovanog na bazi teške platforme 'Oko', iznosila je 6250 kg, od čega je 2750 kg bila naučna oprema (40% ukupne mase – rekordno visok odnos). Planirano je instaliranje 7 naučnig instrumenata na 'Spektar-RG': Rendgenski teleskop SODART (Rusija°/°Danska°/°SAD°/°Finska°/°Nemačka), rendgenski teleskop JET-X (Velika Britanija°/°Rusija°/°Italija°/°Nemačka) sa rasponom od 0,3-10 keV i vidnim poljem 40×40', rendgenski teleskop MART (Italija/Rusija) sa rasponom od 10-150 keV i vidnim poljem 6×6°, UV teleskop EUVITA (Rusija°/°Švajcarska°/°Kirgistan°/°SAD) sa vidnim poljem 1,2°, UV monitor TAUVEX (Izrael°/°Rusija) sa zamenjivim filterima, rendgenski monitor čitavog neba MOXE (SAD°/°Rusija) i detektor bljeskova gama zraka SPIN (Rusija) sa rendgenskim širokougaonim kamerama i optičkim detektorom.
Od 1997. godine finansiranje se značajno povećalo (82 miliona rubalja u 1999, 95 mil. rubalja u 2000, 124 mil. u 2001, 136 mil. u 2002.), ali je i dalje ostalo na nivou od 45-50% opšte potrebe. Takođe je odgođen i datum lansiranja (sa 1997. na 2006.). U oktobru 2001. najavljeno je da će za završetak svih radova i lansiranje biti potrebno još oko 1,5 milijardi rubalja[5]. Prema takvoj stopi finansiranja, lansiranje bi bilo moguće tek 2012. godine. 'Spectr-RG' je postao 'kamen oko vrata' za IKI RAN, blokirajući sve druge projekte. Godine 2001. 'Rosaviakosmos' se obratio ESA-i za financijsku pomoć, ali su odbijeni. No, radovi su gotovo odmah nastavljeni, ali sada na već jeftinijem, krnjem projektu. Još jedan argument 'protiv' bilo je planirano lansiranje gama-kosmičkog teleskopa 'INTEGRAL' u oktobru 2002, koja je imala karakteristike slične 'Spektru-RG', gde su ruski naučnici imali 25% vremena promatranja[6]. Takođe, instrumenti planirani za ugradnju na 'Spectr-RG', već su do 2002. godine iscrpeli svoje garantovane resurse.
Sve to je dovelo do toga da su 13. februara 2002. godine obustavljeni radovi na projektu 'Spektr-RG'. Prvo mesto je zauzeo 'Spektr-R' s datumom lansiranja 2007. (lansiran 18. jula 2011.). Međutim, po ko zna koji put političke odluke su prevagnule i iste godine projekat je oživljen. 2005. napravljen je potpuno novi projekat, po kome bi i Britanci zakačili svoj instrument 'Lobster'. Posle bezbroj peripetija, Nemci su 2016. poslali 'Lavočkinu' svoj teleskop, a uskoro su to uradili i Rusi. Rendgenski satelit je konačno lansiran u leto 2019.
'Spektr-RG' spojen sa blokom 'DM-03'.
Glavni cilj 'Spektra-RG' jeste proučavanje crnih rupa, kompaktnih binarnih sistema i galaktičkih jata. Smatra se da će tokom karijere uspeti da otkrije do tri miliona novih aktivnih galaktičkih jezgara i analizira vrući međugalaktički medijum između pedeset i sto hiljada galaktičkih jata, što će takođe smanjiti nesigurnost vrednosti tamne materije i energije u univerzumu. 'Spektr-RG' je za Rusiju jedan od najvažnijih kosmičkih naučnih projekata poslednjih godina, posebno od kada je 'Spektr-R' prestao s radom[7]. Budućnost ruskog naučnog kosmičkog programa – uključujući teleskop 'Spektr-UF'[8], uz špansku saradnju – uveliko zavisi od uspeha ove misije.
Putanja 'Spektra-RG' ka Lagranžovoj tački L2. Lansiran je u 15:30: 57 po moskovskom vremenu, a posle 9 minuta se odvojio III stepena, a posle 2 sata od dodatnog stepena. Posle 7 dana, nalazio se na oko 700.000 km od Zemlje i leteo je brzinom od 800 m/s ka L2. Posle 10 dana, otvoreni su poklopci 'eROSITA-e' i ART-XC. 30. jula 2019, ART-XC je prvi put uključen punom snagom. Posle treće korekcije putanje 21. oktobra, opservatorija je ušla u radnu orbitu oko libracione tačke L2.
'Spektr-RG' je lansiran 'Protonom-M'. U čast 105. godina od rođenja Vladimira Čelomeja, raketi je počasno dato ime konstruktora; na raketi je bilo ispisano 'академик В. Н. Челомей 105 лет'.
Za sada, teleskopi rade bez većih problema. Tokom skeniranja nebeske sfere, svaki objekat se promatra 30-40 sekundi. Budući da 'Spectr-RG' napravi 6 rotacija dnevno, svaki objekat se promatra 6 puta dnevno s razmakom od 4 sata. Načelno, uređaj u potpunosti pokriva nebesku sferu snimanjem za 6 meseci, nakon čega se ista područja ponovo pokrivaju još 7 puta, što će ukupno trajati 4 godine, tokom kojih će biti izvršeno 8722 skeniranja nebeske sfere. Tokom svakog okreta, 'Spektr-RG' prolaziti u blizini polova ekliptike, tako da će se nakon završetka četverogodišnjeg istraživanja najveća ekspozicija akumulirati u tim područjima. Koliko sam mogao da pronađem – u zapadnoj štampi o ovom projektu ne možeš da nađeš skoro pa ništa – do maja 2020. skenirano je oko 75% neba, a opservatorija svakodnevno šalje na Zemlju 500-700 gigabajta informacija. Očekuje sa da će u jesen 2023. započeti program posmatranja pojedinačnih galaksija.
[1] Toliko je slavno da sem prošle godine napisao e-knjigu o njima.
[2] Sveruski istraživački insitut za eksperimentalnu fiziku.
[3] Planirano je da ova serija ima četiri satelita: 'Spektr-R' ('Radioastron', lansiran jula 2011.), 'Spektr-UF' (u razradi) i 'Spektr-M' ('Milimetron', u razradi).
[4] Pre pet godina sam napisao zanimljivu e-knjigu o ovom projektu. U predgovoru sam napisao: 'Od samog početka kosmičke ere SSSR je bio u vođstvu u odnosu na Ameriku. Prva interkontinentalna raketa, prvi satelit, prvi čovek u orbiti , prva šetnja po kosmosu, prvi na Mesecu, prvi na Veneri i Marsu, prvi uzorci Meseca na Zemlji, orbitne stanice, itd. Tako je bilo sve do spuštanja ljudi na Mesecu. Ali sovjetske planetne stanice su i dalje bile za respekt. Međutim, i to se promenilo. Kada? Do kada je taj segment sovjetskog bespilotnog programa išao uzlaznom linijom? Od kada počinje nizlazna linija? Od ovog texta ...'
[5] To je oko €860 današnih miliona.
[6] Opservatorija je lansirana iz Bajkonura raketom 'Proton-DM2'. Zanimljivo je da iako je opservatorija osakaćena, ona još uvek radi.
[7] Ovaj 'Lavočkinov' kosmički radio teleskop je posle osam godina rada prestao da šalje signale 2019. Ostaće zapamćen kao aparat sa najvećom ugaonom rezolucijom u istoriji astronomije.
[8] Rusi kažu da se lansiranje planira za kraj 2025. Ovaj konkurent 'Hablu', imaće teleskop Ø1,7 m.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
