Ārpus Hirojas Jamaguči biroja atrodas tāfele, kas pilna ar sprāgstošām zvaigznēm, kosmosa kuģu diagrammām un spektrālām līnijām. A4 formāta izdrukas aizsedz gandrīz visu brīvo vietu, izņemot nelielu stūrīti, kur viņš laiku pa laikam uzskribelē ar baltu krītu. Šobrīd Jamaguči, Japānas Astronautikas un astronautikas institūta asociētais profesors, stāv šīs tāfeles priekšā ar seju pret mani.
Viņš man piedāvā avārijas kursu rentgena attēlveidošanas un spektroskopijas misijā jeb XRISM, kas ir NASA, Japānas Aviācijas un kosmosa izpētes aģentūras (JAXA) un Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) partnerība. Pirmais, ko uzzināju, bija tas, ka visu laiku nepareizi nosaucu teleskopa nosaukumu. Par laimi, es galvenokārt atkārtoju savā galvā nepareizo “ex-riz-um” frāzi. To faktiski izrunā “criz-um”.
Otrais ir tas, ka šis kosmiskais teleskops tika palaists 2023. gada 6. septembrī, un tam ir vissmagākais svars: paredzēšana.
Saistīts: JAXA un NASA atklāj pirmos attēlus no rentgena kosmosa teleskopa XRISM
Japānas Aviācijas un kosmosa izpētes aģentūras diviem iepriekšējiem rentgena teleskopiem Suzaku un Hitomi pēc palaišanas radās problēmas. Suzaku spektrogrāfs pēc palaišanas nedarbojās, taču tas spēja veikt desmit gadus ilgu attēlveidošanas misiju. Hitomi stāvoklis bija katastrofāls: pēc pirmā optiskā attēla uzņemšanas kosmosa kuģis iekļuva nekontrolējamā griešanā un sadalījās. XRISM līdz šim ir darbojies labi, saka Yamaguchi, un jau ir sniedzis zinātniekiem daudz datu kopš pirmās dienas janvārī, tostarp daži atklājumi, kurus neviens nebija gaidījis atrast.
“Ir daudz pārsteigumu,” Jamaguči smejas, skatoties uz dažādām izdrukām, kas piestiprinātas pie tāfeles.
Tomēr ir neliela problēma.
Pirmkārt, labās ziņas: teleskopa galvenais instruments, mīkstais rentgenstaru spektrometrs, kas pazīstams kā Resolve, darbojas, kā paredzēts. Nedaudz sliktākas ziņas: slota durvju pārklājums Resolve neatvērās. Vairāki mēģinājumi atvērt durvis jeb “vārtu vārsts” neizdevās. Neskatoties uz Japānas Aviācijas un kosmosa izpētes aģentūras (JAXA) un NASA ziņojumiem Tika nolemts “darbināt kosmosa kuģi tādu, kāds tas ir vismaz 18 mēnešus”.“Tas nav oficiāli nolemts,” man teica Jamaguči.
NASA pārstāvis apstiprināja: “NASA un JAXA turpina diskusijas par labāko ceļu uz priekšu XRISM darbībai; pašreizējā galvenā iespēja ir apkopot zinātni nākamajiem 18 mēnešiem pirms atkārtota mēģinājuma atvērt aizbīdni, taču aģentūras to darīs. nedari to.” Turpiniet izvērtēt alternatīvas.”
Kad durvis aizveras, atskan ziņkārīgs “kas būtu, ja būtu?” Situācija misijas speciālistiem un rentgena astronomiem parāda sevi. No vienas puses, kosmosa kuģis strādā lieliski un parāda spēju nodrošināt lielu daudzumu jaunu un aizraujošu datu. Mēģinājums atvērt durvis var sabojāt kosmosa kuģi. No otras puses, durvju atvēršana var radikāli mainīt mūsu izpratni par Visumu.
Atrisināt x'
Rentgenstari nodrošina veidu, kā izpētīt dažas no enerģētiskākajām parādībām Visumā, taču, tā kā Zemes atmosfēra bloķē rentgenstarus, kosmosa teleskopi ir nepieciešami.
“Mēs atklājam Visuma struktūru,” man stāsta Aurora Simionescu, Nīderlandes Kosmosa pētniecības institūta astrofiziķe. “Tas ir tas, ko dara rentgena stari.”
Pašlaik kosmosā atrodas vairāk nekā ducis rentgena teleskopu, tostarp NASA Čandras observatorija, viena no tā sauktajām lielākajām observatorijām un, iespējams, slavenākā ar Neticami skati Es tiku iepazīstināts ar rentgenstaru Visumu. Ar savu spēju redzēt līdz šim visdetalizētākos rentgena spektrus, XRISM cer izveidot līdzīgu mantojumu. Tomēr Yamaguchi norāda, ka, lai gan Chandra un XRISM novēro vienu un to pašu elektromagnētiskā spektra daļu, viņiem tas ir jārīkojas dažādos veidos. Tas attiecas uz iebūvēto aparatūru.
Risinājums ir tā sauktais mikrospektrometrs. Detektors pārvērš rentgena starus siltumā, mērot nelielas temperatūras izmaiņas — mēs runājam par izmaiņām milikelvinos —, lai noteiktu novēroto rentgena staru skaitu un enerģiju, kas nāk no konkrēta kosmosa reģiona. Enerģiju mēra elektronvoltos (eV).
Tāpēc ierīce ir jāatdzesē tikai līdz dažiem grādiem virs absolūtās nulles. Tas ir pat aukstāks par kosmisko mikroviļņu fona starojumu, kas ir starojums, kas palicis pāri no laika sākuma. Šis starojums ir plaši izplatīts visā mūsu Visumā, pat tagad Paslēpts no cilvēka acīm Sakarā ar to, cik tas ir absolūti auksts. “Jūs būtībā esat apmēram 30 reizes vēsāks nekā kosmosa aukstākā daļa,” saka Simionesku. Ekstrēms dzesēšanas efekts tiek panākts ar ķīmiskiem un mehāniskiem līdzekļiem.
Chandra izmanto cita stila rentgena detektoru, kurā ir virkne ar uzlādi savienotu ierīču jeb CCD. Tas pārvērš rentgena fotonus elektronos, nevis siltumā.
Enerģijas mērīšana ir īpaši noderīga, jo jūs varat attēlot teleskopā nonākušo rentgenstaru skaitu pret to enerģijas līmeni, radot to, ko pētnieki sauc par “spektru”. XRISM risinājumam šajā gadījumā ir priekšrocība. Tas spēj izmērīt enerģiju, kas aptuveni 20 līdz 30 reizes pārsniedz Chandra, un ar lielāku precizitāti. “Tas ļauj XRISM detalizētāk izpētīt rentgenstaru avotu atomu fiziku un ātruma struktūru,” saka Patriks Sleins, Chandra rentgena centra direktors.
Tomēr Čandrai ir savas priekšrocības. Slane saka, ka tas ir izgatavots arī no augstākās kvalitātes rentgenstaru spoguļiem, kas jebkad izgatavoti, kas nozīmē, ka tā attēlveidošanas kvalitāte ievērojami pārsniedz XRISM. Galvenais šeit ir tas, ka spoguļi nodrošina Chandra leņķisko izšķirtspēju 0,5 loka sekundes, ļaujot Čandrai atšķirt objektus, kas atrodas tuvu viens otram debesīs. Salīdziniet to ar XRISM, kura leņķiskā izšķirtspēja ir 1,7 loka sekundesminūtes.
Pateicoties šim inženierijas sasniegumam, Sleins saka, ka Čandra var izvēlēties punktveida rentgena avotus aptuveni 200 reizes vieglāk nekā XRISM. Praktiski tas padara NASA teleskopu ārkārtīgi noderīgu, lai koncentrētos uz šiem punktveida avotiem – attāliem, mazākiem mērķiem, piemēram, neitronu zvaigznēm, planētām un komētām. XRISM ir noderīgs, lai “izstieptu” mērķus, piemēram, gāzes izplatīšanos starp galaktikām un galaktikās.
Visbeidzot, mēs nonākam pie XRISM aizbīdņa: aizvērtās durvis efektīvi neļauj zemas enerģijas rentgena stariem sasniegt detektoru. Šobrīd teleskops turpina pētīt augstas enerģijas rentgenstaru pasauli, jo šos viļņu garumus neietekmē vārtu problēma – patiesībā gan Jamaguči, gan Simionesku saka, ka tas jau rada iespaidīgus rezultātus pie lielākas enerģijas.
Bet, ja durvis paliks iestrēgušas uz visiem laikiem, zinātniekiem būs jācīnās ar nepieejamām Visuma daļām… vismaz līdz nāks cits rentgena teleskops, kas, visticamāk, būs Atēnas misija 2030. gadu vidū.
XRISMgate
Aizbīdņa vārsts tika izstrādāts, lai uzturētu gandrīz vakuumu teleskopa kriostatā — ledusskapī, kas nodrošina, ka tā instrumenti paliek ārkārtīgi auksti —, kamēr XRISM bija centrēts uz zemes.
Kad teleskops atrodas orbītā, šāda veida vakuuma uzturēšana nebūs problēma. Kosmosā telpa pati rada tukšumu. Šī iemesla dēļ aizbīdņu vārsts ir paredzēts tā, lai pēc atlaišanas atvērtos divpakāpju procesā, izmantojot izpildmehānismu komplektu. Īsāk sakot, izpildmehānismi slīd atpakaļ, lai ļautu atvērt durvis, kas izgatavotas no berilija loga un tērauda sieta. Tas nenotika.
Japānas Aviācijas un kosmosa izpētes aģentūra mēģināja atvērt ierīci trīs dažādos gadījumos, taču tā nekustējās. Nākamais mēģinājums būs riskantāks, jo var būt nepieciešams kosmosa kuģim iesildīties no ārkārtīgi zemas temperatūras un vibrācijas. mērķis? Dzinēju piespiedu darba tilpums. Tas ir risks, kas kosmosa aģentūrām, kas strādā ar XRISM, būs jānovērtē. Kad aizbīdnis ir aizvērts, viņi faktiski saglabā bankas datus. Tie ir ļoti labi dati.
“Visskaistākā lieta ir tad, kad skatāties uz datiem, un tie neizskatās tā, kā jūs gaidījāt — un tas notiek ar pašreizējiem XRISM datiem,” saka Simionesku.
Tomēr šis Simionesku joprojām ir grūts pārtraukums. Viņa ir īpaši ieinteresēta pētīt rentgena starus no “galaktikas atmosfērām” — lietas, kuras XRISM ir paredzēts aplūkot ar atvērtu vārstu. Kad portāls ir aizvērts, šī rentgenstaru pasaules daļa paliek aizslēgta. Viņa pilnībā piekrīt lēmumam neriskēt mēģināt atvērt portālu – vismaz pagaidām. Bet tas nenozīmē, ka tas nav sāpīgi, zinot, kas varētu būt.
“Man ir ļoti skumji, ka mēs nevaram redzēt zem 2 keV,” saka Simonesku.
Un kas varētu būt zemāk?
Daži rentgena kosmosa teleskopi, piemēram, Eiropas Kosmosa aģentūras XMM-Newton, var redzēt mazākas enerģijas rentgena starus līdz mazāk nekā 2 keV. Piemēram, komas klasteris, kurā ir vairāk nekā 1000 galaktiku, ir novērots pie tik zemas enerģijas kā 0,3 keV. Cits XRISM instruments Xtend arī spēj sasniegt zemākas enerģijas. Bet tie ir arī CCD detektori un nav noderīgi spektru iegūšanai.
Izņemot XRISM, neviens rentgena teleskops, kas riņķo ap Zemi, nespēj skatīties cauri “izvērstiem” objektiem ar zemu enerģiju ar augstu izšķirtspēju, kas ir īpaši svarīgi Simionesku darbam.
Tiešsaistes zvana laikā viņa kopīgoja M87 plaša lauka rentgena attēlu, Pirmais melnais caurums, ko cilvēki fotografējuši ar redzamu gaismu. Tā bija bilde Nogrieza Čandra 2019. gadā.
“Šī ir mana mīļākā lieta pasaulē,” viņa satraukti saka.
Telpa, kas ieskauj šo melno caurumu, ir virpulis. Simionesku indikators lēkā ap debesīm, norādot uz masīvo strūklu, kas izplūst no melnā cauruma, kā arī blīvas gāzes un gara pavediena reģioniem, kas izplatās gaismas gadu garumā Visumā. Viņa apraksta spektru grafiku, ko Čandra novērojusi M87 — visi zem 2 keV — un atzīmē, ka tie visi ir “ļoti masīvas” skābekļa, neona, niķeļa un citu gāzu emisijas līnijas.
Līdz ar portāla atvēršanu tas mainīsies.
“Jūs varat zināt gāzes sastāvu, kā tā tiek pārvietota, kā to izspiež melnais caurums — visa informācija, ko pašlaik nevarat iegūt,” viņa saka.
Ir interesanti padomāt par lēcienu uz priekšu ar XRISM uz nenoteiktības fona, kas saistīta ar NASA Chandra misiju.
Diemžēl rentgena astronomijas joma tuvākajā nākotnē varētu iztikt bez Čandras. Kosmiskā teleskopa darbībai, kas darbojas jau 25 gadus, 2024. gadā tiks veikti būtiski budžeta samazinājumi. Astronomi saka Ierosinātais budžets likvidētu misiju.
“Ja Čandra tiks atcelta, mēs zaudēsim milzīgus resursus visai mūsdienu astrofizikai,” saka Sleins.
Tas būtu apkaunojošs beigas lielajai observatorijai, kas joprojām ir nenovērtējama nākotnes atklājumiem, tostarp darbam kopā ar XRISM. Ja JAXA atvērs durvis, Chandra būs nozīmīgs rīks XRISM novērojumiem.
Tikmēr Suzaku un Hitomi spoki uzkavēsies līdz nākamajam mēģinājumam atvērt durvis. Šobrīd rentgena astronomijas joma ir sajūsmā par gaidāmo. Sliktākais scenārijs nav tik slikts, atkarībā no tā, kā uz to raugāties.
“Mēs apkopojam pārsteidzošus datus, kurus neviens iepriekš nav varējis iegūt,” saka Simonesku. “Visi spektri ir absolūti pārsteidzoši.”
