Ультрафиолетовая и рентгеновская астрономия

Диапазоны ультрафиолетового и рентгеновского излучения

Ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское излучение занимают ключевые позиции в электромагнитном спектре между видимым светом и гамма-излучением. УФ-излучение охватывает длины волн от ≈10 до ≈400 нм, при этом делится на ближний (320–400 нм), средний (200–320 нм), дальний (91–200 нм) и экстремальный ультрафиолет (10–91 нм). Рентгеновский диапазон включает длины волн от ≈0,01 до ≈10 нм, традиционно делится на мягкое рентгеновское излучение (0,1–10 нм) и жёсткое рентгеновское излучение (<0,1 нм).

Земная атмосфера практически полностью поглощает излучение в этих диапазонах, что требует использования внеатмосферных платформ — спутников и орбитальных телескопов — для наблюдений.

Физические процессы, порождающие УФ и рентгеновское излучение

Главные астрофизические источники УФ и рентгеновского излучения связаны с высокоэнергетическими процессами:

Тепловое излучение горячего газа с температурами от 10⁴ до >10⁷ K. Например, короны звёзд, межгалактический газ в скоплениях галактик и аккреционные диски.
Рекомбинационное и тормозное излучение, характерное для ионизованных плазм.
Линейчатое излучение ионизованных элементов (например, C IV, O VI, Fe XVII), позволяющее детально изучать химический состав и ионизационные состояния.
Синхротронное и инверсное комптоновское излучение, возникающие в релятивистских потоках (пульсары, квазары).
Излучение от ударных волн и аккреции вещества, характерное для рентгеновских двойных систем и активных ядер галактик.

Астрономические объекты, изучаемые в УФ и рентгеновском диапазонах

Горячие звёзды (типа O и B), белые карлики и звёзды на поздних стадиях эволюции с горячими коронами.
Сверхновые и остатки сверхновых, испускающие рентгеновское излучение за счёт ударных волн и нагретого газа.
Рентгеновские двойные системы, где наблюдается аккреция вещества на нейтронную звезду или чёрную дыру, порождающая мощное рентгеновское излучение.
Квазары и активные ядра галактик, с излучением от аккреционных дисков и релятивистских джетов.
Галактические кластеры, наполненные горячим межгалактическим газом, видимым в мягком рентгене.
Межзвёздная и межгалактическая среда, исследуемая по характерным УФ-линиям ионизованных атомов.

Методы детектирования и технология телескопов

Поскольку атмосфера непрозрачна для УФ и рентгеновского излучения, соответствующие телескопы размещаются на спутниках, орбитальных платформах и стратостатах.

Ультрафиолетовая астрономия:

Используются зеркала с особым покрытием (например, алюминий с магниевым фторидом), прозрачным в УФ-диапазоне.
Детекторы: фотокатоды, электронно-умножающие ПЗС, микроканальные пластины.
Применяются спектрографы для изучения отдельных линий, интерферометры, изображения высокого углового разрешения.

Рентгеновская астрономия:

Из-за высокой проникающей способности рентгеновских фотонов применяются зеркала скользящего падения (грейзинговое отражение). Такие оптические системы называются вольтерровскими.
Детекторы: газоразрядные камеры, сцинтилляционные детекторы, микрокалориметры и ПЗС-матрицы.
Некоторые миссии используют кодированные маски и кремниевые дрифтовые детекторы для высокой чувствительности.

Космические миссии и инструменты

Основные УФ-обсерватории:

IUE (International Ultraviolet Explorer) — первая длительная миссия (1978–1996) с широким охватом спектра.
GALEX (Galaxy Evolution Explorer) — изучение звездообразования и эволюции галактик.
HST (Hubble Space Telescope) — имеет ультрафиолетовые инструменты (STIS, COS), обеспечивающие спектроскопию высокой чувствительности.
FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer) — исследование межзвёздной среды и горячих звёзд.

Основные рентгеновские телескопы:

Einstein Observatory (HEAO-2) — первая орбитальная рентгеновская обсерватория с фокусирующей оптикой.
ROSAT — немецко-американский проект по мягкому рентгеновскому обзору всего неба.
Chandra X-ray Observatory — один из самых чувствительных рентгеновских телескопов, обеспечивает высокое угловое разрешение.
XMM-Newton — европейская миссия, обладает мощной спектроскопией и большим полем зрения.
NuSTAR — исследует жёсткий рентген с фокусирующей оптикой, ранее недоступной в этом диапазоне.
XRISM — японско-американская миссия с микрокалориметром нового поколения (Resolve), запускаемая после утраты Hitomi.

Спектроскопия и диагностика плазмы

Благодаря богатому набору ионизационных линий, ультрафиолетовая и рентгеновская спектроскопия даёт возможность:

Определять температуры плазмы по соотношениям линий (например, Fe XVII vs Fe XXIV).
Измерять плотности и скорости ветров звёзд.
Анализировать скорость вращения аккреционных дисков по доплеровскому уширению линий.
Вычислять состав и ионизационные состояния межзвёздного газа.
Измерять турбулентность, магнитные поля и параметры ударных волн.

Рентгеновские всплески и переменность

Рентгеновская астрономия даёт доступ к изучению быстрых процессов:

Всплески в рентгеновских двойных системах при аккреции.
Квазипериодические осцилляции (QPO) от аккреционных дисков.
Временные характеристики пульсаров.
Вспышки на активных звёздах, связанных с магнитной активностью.
Рентгеновское эхо от отражённого излучения.

Космологические применения

Рентгеновское излучение используется для исследования:

Массы и состава скоплений галактик, по которым можно оценить долю тёмной материи.
Температурного распределения в горячем газе Вселенной.
Эволюции крупномасштабной структуры.
Барионного недостающего вещества (WHIM — Warm-Hot Intergalactic Medium), предсказанного космологическими моделями и частично обнаруженного в рентгене и УФ.

Проблемы и перспективы

Сложности УФ и рентгеновской астрономии включают:

Высокие требования к точности оптики и температурной стабильности.
Ограниченность длительности миссий, затратность и радиационные риски.
Сложности калибровки детекторов вне атмосферы.
Необходимость синхронных наблюдений в нескольких диапазонах.

Будущие миссии (например, Athena, LUVOIR, Lynx) будут обладать большей чувствительностью, улучшенным спектральным и временным разрешением, что позволит исследовать физику аккреции, формирования галактик и структуру межгалактической среды с беспрецедентной детализацией.