Как развивалась астрофизика в Татарстане и каким образом ученые КФУ наблюдают за небом через телескоп, расположенный в Турции? Об этом рассказывает профессор кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ, доктор физико-математических наук Ильфан Бикмаев в интервью, которое мы публикуем в День космонавтики.

Ильфан Бикмаев: «Становление и развитие рентгеновской астрономии в СССР и России связано с именем нашего выдающегося астрофизика Рашида Сюняева»

«С помощью ракет можно отправлять в космос и астрономические телескопы»

– Ильфан Фяритович, расскажите, пожалуйста, как казанские ученые «строят карту всего неба», используя рентгеновские телескопы.

– Есть крупный международный проект в рентгеновской астрономии, в котором в настоящий момент Россия занимает лидирующие позиции. Этот проект связан с рентгеновской обсерваторией «Спектр-Рентген-Гамма». Это Российская орбитальная обсерватория (с участием Германии), на ее платформе установлены два рентгеновских телескопа – российский ART-XC и немецкий еROSITA. Проблема заключается в том, что рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой: для человеческой жизни это хорошо, но с точки зрения астрономии и познания внешнего мира это плохо, поскольку мы не видим часть Вселенной.

До 1957 года не было никакого шанса этот мир познать. Именно тогда, впервые в мире, в Советском Союзе на орбиту вокруг Земли был запущен первый спутник. По мере развития космонавтики стало понятно, что кроме запуска сложных аппаратов типа МКС или телевизионных спутников связи с помощью ракет можно отправлять в космос и астрономические телескопы, в том числе чтобы изучать мир, который блокируется атмосферой Земли.

Отмечу, что рентгеновская астрономия возникла не вчера и не сегодня, то есть тот спутник («Спектр-Рентген-Гамма»), о котором мы сейчас говорим, не первый из запущенных когда-либо в космос. В 1962 году американский ученый итальянского происхождения Риккардо Джаккони организовал запуск космической обсерватории Aerobee, с помощью которой был открыт один из первых источников рентгеновского излучения в созвездии Скорпиона (был назван Scorpion X-1). В 2002 году за научные результаты, полученные с помощью этого и следующих рентгеновских спутников («Ухуру», 1970, и «Эйнштейн», 1978), Джаккони вручили Нобелевскую премию. С тех пор рентгеновские обсерватории в космос запускали и американцы, и европейцы. Становление и развитие рентгеновской астрономии в Советском Союзе и России связано с именем нашего выдающегося астрофизика с мировым именем – академика РАН Рашида Алиевича Сюняева (Институт космических исследований РАН), под его научным руководством были запущены четыре рентгеновские обсерватории: советские – «Рентген» и «Гранат» (на космической станции «Мир»), европейская «Интеграл», российская (с участием Германии) – «Спектр-Рентген-Гамма».

На самом деле, небо огромное, и чтобы понять, что есть в этом рентгеновском мире, нужно, чтобы обсерватория сделала обзор всего неба, то есть построила карту всего неба. Таких обзорных проектов в рентгеновской астрономии было не много, и в последний раз подобный запуск осуществили немецкие ученые в 1995-1996 годах. Их спутник ROSAT сделал обзор всего неба и обнаружил около 100 тысяч рентгеновских источников.

Как правило, то излучение, которое мы получаем от Солнца, исходит от плазмы, разогретой до температуры около 6 тысяч градусов, и она излучает в привычном нам оптическом диапазоне спектра. Для того чтобы произвести рентгеновское излучение, нужно, чтобы температура плазмы составляла от нескольких миллионов до сотен миллионов градусов.

Так что источники, которые мы наблюдаем в виде рентгеновского излучения, – это некие необычные условия, в которых каким-то образом природа создала высокотемпературную плазму.

«Рашид Алиевич убедил европейских ученых запустить обсерваторию на российской ракете»

Возвращаемся к германскому спутнику РОСАТ: в 1995 году он обнаружил порядка 100 тысяч рентгеновских источников, среди которых одна третья часть принадлежала нашей Галактике (в основном, звезды с рентгеновскими коронами подобной Солнечной короне), а другие 70% – были далекими объектами (квазарами – галактиками с активными ядрами). Немецкие ученые работали с полученными данными на протяжении 30 лет, но понятно, что этого количества (100 тысяч объектов) категорически недостаточно – мы знаем, что таких объектов должно быть гораздо больше. Просто в тот момент 30 лет назад не хватало чувствительности рентгеновских детекторов – технологии того времени не позволяли видеть большее количество слабых и более далеких рентгеновских источников.

Поэтому академик Рашид Алиевич Сюняев, который работает в Институте космических исследований, в 90-е годы попытался запустить новую российскую орбитальную обсерваторию для наблюдения рентгеновских источников. Вообще Рашид Алиевич за свою жизнь запустил четыре подобные космические обсерватории. Если говорить конкретно, то с помощью российской ракеты «Протон» в 2002 году была запущена европейская обсерватория «Интеграл». Всю «начинку», все телескопы сделали европейцы, но встал выбор, кому запустить это оборудование в космос на специально рассчитанную орбиту – американцам, французам или Роскосмосу. И Рашид Алиевич убедил европейских ученых в том, что будет более выгодно запустить обсерваторию на российской ракете «Протон». Запуск был очень успешным, и за это российские ученые получили 25% времени наблюдения на этой обсерватории. Отмечу, что благодаря успешному запуску она работает в космосе до сих пор, там нет облаков, так что она наблюдает круглые сутки. То есть 25% – это три месяца, что очень много.

– Когда прошел запуск?

– Он состоялся в 2002 году, а в 2003-м Рашид Алиевич подключил нашу казанскую команду к работе с этой европейской обсерваторией в российской квоте с использованием 1,5-метрового оптического телескопа КФУ, установленного в Турции (РТТ-150). К слову, у него уже тогда была мечта о запуске большой российской обсерватории, но с международным участием, чтобы там были все развитые страны. Тогда ему не удалось это сделать, но в 2019 году в коллаборации с немецкими учеными он запустил совершенно новую рентгеновскую обсерваторию под названием «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ).

Документ о создании этой обсерватории был подписан руководствами обеих стран в 2008 году, и началась работа по ее созданию. Параллельно все еще летал спутник «Интеграл», и Рашид Алиевич нам сказал: «До нашей российско-германской обсерватории нам еще жить лет десять, а пока летает европейская, давайте наблюдать на 1,5-м телескопе КФУ рентгеновские источники спутника «Интеграл» – для вас это будет опытом».

Кстати, наша группа казанских исследователей смогла попасть на космодром Байконур – перед запуском новой обсерватории. Там присутствовал и Рашид Алиевич Сюняев, и руководство КФУ. На этой грандиозной ракете находился аппарат, состоящий из двух рентгеновских телескопов – один немецкий eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array), а второй – российский – ART-XC. Они дополняют друг друга: российский телескоп работает в жестких рентгеновских лучах, а немецкий – в мягких. Очень сложно сделать аппарат, который работает сразу в широком диапазоне, поэтому россияне и немцы решили диапазон поделить.

«В 2003-м Рашид Алиевич подключил казанскую команду к работе с европейской обсерваторией с использованием 1,5-метрового оптического телескопа КФУ, установленного в Турции»

«Для промышленности это буквально предел технологий»

– Как устроен рентгеновский телескоп?

– Когда вы проходите флюорографию, рентгеновские лучи вас просто пронизывают – их очень трудно сфокусировать, собрать в точку. И в этом основная проблема: рентгеновских телескопов не так много, потому что сделать телескоп, который фокусирует рентгеновские лучи, очень сложно, так как нужны специальные зеркала косого падения. Если направить рентгеновский луч на оптическое зеркало, он просто пройдет сквозь него. Но физики еще в начале XX века сообразили, что рентгеновские лучи, если запустить их под маленьким углом, отразятся от металлической поверхности. То есть рентгеновские лучи все же можно сфокусировать, но работающая площадь зеркала будет очень маленькой.

Поэтому рентгеновский телескоп необходимо делать из большого количества зеркал. Плюс он должен быть отполирован лучше, чем в оптическом телескопе, поскольку длина волны у рентгеновских лучей намного короче оптических. Для промышленности это буквально предел технологий – сделать так, чтобы шероховатость на поверхности зеркала была на уровне размера атома. Помимо этого, требуется напыление зеркал золотом или платиной – от алюминия рентгеновские лучи отражаются плохо. Поэтому не каждая страна мира может позволить себе сделать такой телескоп и обсерваторию.

– В России есть необходимое производство?

– Да, благодаря тому, что астрономы попросили промышленность сделать такие зеркала косого падения, и в России было запущено соответствующее производство.

Рашид Алиевич убедил Правительство Российской Федерации в том, что это шанс российской науке вырваться вперед. Поэтому, понимая, что мерилом для любой страны является возможность освоения космоса, он сказал: «Давайте найдем свою нишу, где мы можем вырваться вперед».

Роскосмос выделил средства, и были подписаны соответствующие соглашения. Было понятно, что сделать два телескопа одной России будет сложно, поэтому мы договорились с немецкой стороной, у которой уже был опыт создания рентгеновских телескопов. Рашид Алиевич, который более 20 лет работал директором Института астрофизики им. Макса Планка в Германии, убедил немецких ученых установить германский телескоп на российскую платформу. Так и родился этот проект.

Сама платформа – российская, поскольку она должна управляться с Земли из Центра управления полетами, находясь далеко в космосе. Сделано два телескопа: один в Германии, второй – в России. Все это было свезено в НПО им. С. Лавочкина и там собрано. Кстати, мы были там в 2018 году и видели этот большой цех: все работали в масках, скафандрах, в помещении сверхчистый воздух, чтобы никаких пылинок на этих зеркалах не было.

Дальше все это было отвезено на космодром Байконур в Казахстане, назначен старт, и мы через Рашида Алиевича попросили разрешение присутствовать на месте подготовки и старта ракеты «Протон». 13 июля 2019 года был осуществлен запуск.

– А где летает эта платформа?

– Этот вопрос тоже обсуждался. Разные обсерватории в основном летают вокруг Земли. Это проще, поскольку в случае чего до платформы можно добраться космонавтам, как это было с американским телескопом имени Хаббла. Однако из-за того, что мы работаем в рентгеновском диапазоне, на результаты наблюдений может значительно влиять магнитосфера Земли. Поэтому было принято решение вынести обсерваторию далеко от поверхности нашей планеты.

Существует точка Лагранжа, названная по имени французского ученого, который еще 200 лет назад рассчитывал движение небесных тел вблизи орбиты Земли. Он нашел несколько точек, при помещении в которые тело будет находиться в гравитационном равновесии. Точка L1 находится между Солнцем и Землей, и в ней притяжение от обоих объектов одинаковое. Эта точка, к сожалению, неудобна из-за света Солнца, так как нам нужно, чтобы солнечный свет не мешал наблюдениям. Благо есть вторая точка Лагранжа L2, более подходящая, которая находится примерно в 1,5 млн километров от Земли в другую сторону от Солнца, на расстоянии в четыре раза дальше расстояния до Луны.

У Роскосмоса еще не было ранее опыта запуска космической обсерватории так далеко от Земли, поэтому ситуация с запуском была очень ответственной. Американцы туда уже запускали свои аппараты: к примеру, там сейчас летает знаменитый инфракрасный телескоп James Webb, а также замечательная европейская оптическая обсерватория GAIA. Так что для России это в какой-то мере стало проверкой технологических возможностей.

«В 2019 году в коллаборации с немецкими учеными Рашид Алиевич запустил совершенно новую рентгеновскую обсерваторию под названием «Спектр-Рентген-Гамма»

«У астрономов есть огромные электронные архивы карт неба в разных лучах»

– Какова цель этой миссии?

– Основная задача миссии «Спектр-Рентген-Гамма» – построение карты всего неба в рентгеновских лучах. При чувствительности, в 30 раз превосходящей предыдущую миссию, РОСАТ было необходимо попробовать найти еще большее количество не изученных ранее объектов, излучающих в рентгеновском диапазоне.

На платформе есть двигатели, которые при необходимости включаются и удерживают аппарат на орбите. Если оставить это тело в точке Лагранжа, оно побудет там где-то месяц, а потом другие тела просто вытолкнут его своей гравитацией. Поэтому на платформе есть двигатели, и раз в два месяца происходит коррекция орбиты аппарата. Это сложная технологическая задача, которую Роскосмос все это время успешно решает, в том числе и при эпизодическом участии 1,5-метрового телескопа Казанского федерального университета, установленного в Турции (Российско-турецкий оптический телескоп, РТТ-150).

– Надолго этот аппарат в космосе?

– Планируется, что он проработает там порядка десяти лет. Эта обсерватория работает по принципу сканирования всего неба, то есть она вращается. Обычно мы наводим телескоп на какую-то точку и смотрим, ждем накопления сигнала. Так работает телескоп имени Хаббла: он видит очень далеко, но очень маленькую область неба – все остальное небо он не видит. Для того чтобы получить карту всего неба, телескоп должен все время вращаться, летая на своей космической орбите.

Телескопы обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» получают полную карту неба за полгода. С 2020 по 2021 год было сделано четыре скана неба, и они были сложены (просуммированы). Рашид Алиевич предположил, что можно бы вращаться помедленнее, но из предшествующего опыта выяснилось, что рентгеновские источники – это, как правило, неспокойные источники. Поэтому важно на них смотреть не по одному разу, а наблюдать в динамике.

На этих четырех сканах было выявлено огромное количество переменных источников: в первом скане источник есть, во втором его нет, в третьем он снова появился, но в другом виде.

– Что удалось узнать, благодаря уже полученным сканам?

– Российские ученые из группы Рашида Сюняева в Институте космических исследований РАН и немецкие ученые получили карты неба в рентгеновском диапазоне. Данные, которые получает российский телескоп ART-XC, принадлежат только российским ученым. А данные, полученные на немецком телескопе еROSITA, поделили пополам: за обработку одной половины неба отвечает российская сторона, а за вторую половину отвечает немецкая сторона.

Мы привыкли видеть небо глазом в оптическом диапазоне спектра, но полученная карта неба обсерваторией СРГ – это не оптика, это свечение в рентгеновских лучах. И только на нашей российской половине рентгеновского неба, по данным телескопа еROSITA, насчитывается около 2 млн новых источников.

– А от чего исходит свечение? Что это за объекты?

– Рентгеновские телескопы СРГ регистрируют фотоны и строят рентгеновские изображения участков неба, но по этим рентгеновским изображениям нельзя с ходу определить физическую природу обнаруженного источника. У наших коллег из Института космических исследований РАН (г. Москва) есть теперь каталог из 2 млн рентгеновских точек на небе, и мы знаем исходящий от них рентгеновский поток. Также есть оптические телескопы, которые делают обзоры с Земли. То есть у астрономов есть огромные электронные архивы карт неба в разных лучах – оптических, инфракрасных и др.

– И их можно наложить на рентгеновскую карту?

– Все верно, это очень сильно помогает. По оптической карте понятно, где у нас звездочка, а где галактика. Когда с помощью специальной программы SRGz, созданной учеными ИКИ РАН, накладываются рентгеновские координаты на оптические, то примерно в 80% случаев получается выяснить, что представляет собой тот или иной рентгеновский источник – черную дыру, скопление галактик, звезду нашей Галактики и т.д.

Но что делать с оставшимися 20%? Это 500 тыс. неизвестных источников, с которыми надо что-то делать. Для них нужно организовывать специальные наблюдения, и это задача, о которой Рашид Алиевич знал, еще когда запустил космический телескоп «Интеграл» в 2002 году.

«Российские ученые из группы Рашида Сюняева в Институте космических исследований РАН и немецкие ученые получили карты неба в рентгеновском диапазоне»

«Такие возможности есть далеко не у всех в России»

– В чем роль Татарстана в этом проекте?

– Кафедра астрономии и космической геодезии КФУ, где мы с вами сейчас беседуем, была организована в 1810 году. Здесь работали Иван Симонов, Николай Лобачевский и другие известные ученые. 200 лет назад в Казанском университете была заложена система подготовки высокопрофессиональных астрономических кадров. И это не просто лекторы, которые что-то рассказывают, но и практики, поскольку в Казанском университете были построены и обсерватории.

Как вы знаете, есть городская обсерватория на территории вуза, однако со временем, из-за того, что Казань постепенно разрасталась и появлялось ночное освещение, за небом в городских условиях стало неудобно наблюдать. Так, в 1901 году наблюдения переместили в загородную обсерваторию им. Энгельгардта в 25 км от Казани. До 70-х годов XX века основные наблюдения проводились там.

К семидесятым годам Казань разрослась еще больше (а это и пыль, и теплый воздух от городских котельных), плюс появился завод «Оргсинтез», свечение которого начало доставать и до загородной обсерватории. Поэтому было принято решение перебазироваться в горы на Северный Кавказ. Так, у Казанского университета появилась Северо-Кавказская астрономическая станция, и студенты КФУ до сих пор ездят туда на практику. Важность этой станции в том, что она находится рядом с самым крупным российским телескопом Специальной астрофизической обсерватории РАН диаметром зеркала в 6 метров, и у наших студентов есть возможность познакомиться с сотрудниками этой обсерватории и в перспективе начать проходить там практику.

Когда на казанской станции появились маленькие телескопы, стало понятно, что далеко они не видят, и нужно строить большой телескоп. В 80-е годы прошлого столетия у Ленинградского оптико-механического объединения («ЛОМО» в том числе выпускало фотоаппараты, – прим. Т-и) был заказан крупный телескоп для Казанского университета с главным зеркалом диаметром 150 см. Он был сделан к 1995 году, и тут встал вопрос места его установки. Была идея поставить на Кавказе, но она не состоялась – из-за переменчивой погоды на этой территории. Места с меньшей облачностью находятся на территории других государств, а значит, надо договариваться с другими странами. Европа пошла по этому пути и построила Южную Европейскую обсерваторию в Чили.

Казанский университет и Институт космических исследований РАН, увидев, что эта международная система работает, заключили еще в 1995 году соглашение с турецкой стороной. Турецкие партнеры проложили в гору дорогу, электричество, воду, построили административные сооружения, но у них не было телескопа. А у России были технологии, был завод «ЛОМО», который с 30-х годов XX века изготавливал крупные телескопы.

Поэтому Казанский университет вместе с Институтом космических исследований РАН решили установить 1,5-метровый телескоп в Турции. К этому подключилась и Академия наук Татарстана.

В 1995 году Рашид Алиевич Сюняев и Наиль Абдуллович Сахибуллин обратились ко мне с предложением: «Ты работаешь на 6-метровом телескопе САО РАН, получил опыт работы на крупных телескопах, плюс ты выпускник Казанского университета. Не вернешься ли ты в Казань для работы по проекту 1,5-метрового телескопа?» Мне это было интересно, так что я согласился связать свою дальнейшую научную карьеру в КФУ и АН РТ с проектом телескопа РТТ-150 в Турции. Я и по сей день активно участвую в этом проекте совместно с российскими и турецкими учеными.

Проблема была в том, что телескоп делался в 80-90-х годах, а на границе столетий изменилась технология детекторов – они стали электронными. Такое оборудование «ЛОМО» делать еще не могло. Поэтому параллельно с установкой телескопа в Турции мы обсуждали вместе с Рашидом Алиевичем, Наилем Абдулловичем и турецкой стороной создание нового современного оборудования – современных приемников излучения, спектрометров, фотометров. В этом процессе вместе участвовали Казанский университет, Академия наук Татарстана, Институт космических исследований и Турция. Так что сейчас наш телескоп оснащен по последнему слову техники.

Плюс благодаря современным технологиям мы можем, находясь в этом здании городской астрономической обсерватории на территории КФУ, ночью передавать команды на телескоп РТТ-150, наводить его на определенные участки неба, и уже утром после обработки данных мы будем знать, что за источник рентгеновского излучения обсерватории СРГ нами был зафиксирован. То есть благодаря возможностям удаленных наблюдений на расстоянии в 2400 километров от самого телескопа мы вернули зданию нашей кафедры статус городской астрономической обсерватории КФУ.

Такие возможности есть далеко не у всех в России. Помимо Казанского федерального университета они имеются только у Института космических исследований РАН и астрономов Московского государственного университета.

Так что в области удаленных астрономических наблюдений Татарстан находится в лидерах в РФ.