Зеркало для Вселенной: «Спектр-РГ» готовят к запуску на орбиту

Астрофизическую обсерваторию «Спектр-РГ» готовят к запуску на орбиту. 26 февраля из ГКНПЦ им. Хруничева на космодром Байконур отправился железнодорожный состав с блоками ракеты-носителя «Протон-М», на которой полетит «Спектр-РГ». В апреле на космодром доставят и саму обсерваторию, после чего начнется подготовка к старту.

Текст: Анастасия Филиппова, пресс-служба РФЯЦ-ВНИИЭФ / Фото: Грег Ракози

Российско-германская обсерватория «Спектр-РГ», построенная на базе НПО им. Лавочкина, оснащена двумя рентгеновскими телескопами. Первый, ART-XC, создали в РФЯЦ-ВНИИЭФ совместно со специалистами Института космических исследований РАН, второй, eRosita, — ​в Институте внеземной физики Общества Макса Планка (Германия).

«В отличие от запускавшихся ранее зарубежных рентгеновских телескопов, ART-XC способен работать в «жестком» диапазоне энергий — 6–30 кэВ. Дополняющий его eRosita рассчитан на более «мягкий» диапазон — 0,3–10 кэВ. Такая широта охвата позволит обсерватории выявить не обнаруженные ранее астрофизические объекты», — ​рассказывает генеральный конструктор по лазерным системам, заместитель директора РФЯЦ-ВНИИЭФ по лазерно-физическому направлению Сергей Гаранин.

«Жесткость» и «мягкость» излучения — научный сленг. Чем больше энергия квантов («жестче» излучение), тем дольше кванты существуют и дальше распространяются в пространстве. Телескоп, рассчитанный на такой диапазон, позволяет заглянуть в более глубокие слои Вселенной. В то же время чем «жестче» излучение, тем меньше квантов и тем сложнее их зарегистрировать. Получается, что российский телескоп видит дальше, а немецкий — шире, поэтому они и будут работать в связке. У eRosita более широкое поле зрения (1 квадратный градус). ART-XC и eRosita — разные приборы, но у них есть области пересечения, что позволит сравнить полученную информацию и избежать ошибок при работе обсерватории.

Основная задача «Спектра-РГ» — обзор всего неба в рентгеновском и гамма-диапазоне для построения широкомасштабной карты Вселенной. Обсерватория за первые четыре года пребывания в космосе восемь раз сделает полный обзор неба. С помощью «Спектра-РГ» исследователи рассчитывают детально изучить крупные скопления галактик и черные дыры, заглянуть за границы наблюдаемой Вселенной и понять, что происходило с галактиками в прошлом.

«Такого до нас еще не делали»

Когда зашла речь о международном проекте «Спектр-РГ», ни одно российское предприятие, кроме РФЯЦ-ВНИИЭФ, не решилось взяться за разработку такого телескопа, как ART-XC. Для этого проекта требовалось создать совершенно новые технологии. Уникальные компетенции ядерного центра позволили выполнить поставленные задачи. Сотрудники РФЯЦ-ВНИИЭФ разработали для «Спектра-РГ» такую технологию изготовления рентгеновской металлооптики, что размер микронеровностей на отражающей поверхности зеркал телескопа не превышает 1 нм. Для сравнения: толщина человеческого волоса в среднем 70 тыс. нм, а диаметр атома водорода — около 0,1 нм. «Чтобы создать такое рентгеновское зеркало, необходимо отшлифовать поверхность практически до атомарного уровня. Такого до нас еще не делали, — ​рассказывает Сергей Гаранин. — ​Мы создали свои станки, разработали карту технологической обработки. Большую роль сыграло применение имитационного моделирования, позволившее сформировать рекомендации к технологии».

Семь «матрешек»

Телескоп ART-XC будет вести наблюдение за звездами с помощью семи оптических модулей одновременно. Каждый модуль представляет собой «матрешку», состоящую из 28 тонкостенных зеркальных оболочек, вставленных одна в другую. «По сравнению с существовавшими ранее российскими рентгеновскими телескопами нашим ученым и инженерам удалось повысить чувствительность прибора в 40 раз», — ​подчеркивает Гаранин.

Ракета-носитель «Протон-М», на которой отправится на орбиту «Спектр-РГ»

Рентгеновское излучение имеет ту же природу, что и излучение видимого света, отличие только в длине волны. Рентгеновский фотон в большинстве случаев проникает в толщу зеркала и поглощается. Чтобы излучение отразилось, оно должно скользить вдоль поверхности внутреннего зеркала. Такой эффект можно получить только с помощью зеркал косого падения. Их светосилу можно увеличить за счет наложения зеркал с общей оптической осью, собранных в оболочки. «Зеркальная оболочка представляет собой два соединенных между собой конуса. Рентгеновские лучи скользят вдоль одного конуса — угол равен примерно 1 градусу, отражаются от него, затем фотон отражается от второго конуса и фокусируется на детекторе, принимающем рентгеновское излучение. Процесс можно сравнить с отскакиванием камешков от воды, — ​рассказывает инженер-конструктор РФЯЦ-ВНИИЭФ Егор Пикалов. — ​Все вместе это зеркальная рентгеновская система, в нашем телескопе она состоит из 28 оболочек».

«Человеческому глазу виднее»

Процесс изготовления зеркал примерно такой: берутся матрицы — болванки, которые нужно выточить, отшлифовать и отполировать до требуемой чистоты. Затем на них наносится покрытие методом гальванопластики, после чего это покрытие снимают с матриц, и получаются зеркала. «Сложность такого процесса, как полирование матриц для зеркал рентгеновского телескопа ART-XC, заключается в том, что необходимо получить очень маленькую внутреннюю шероховатость в оболочке — не более 10 ангстремов (0,000001 мм. — «СР»). Мы долго подбирали оптимальный состав для получения требуемой шероховатости, но все же достигли нужных результатов, — ​говорит заместитель начальника научно-исследовательского отдела, начальник научно-исследовательской лаборатории Евгений Санкин. — ​Одна из особенностей изготовления в том, что на отполированную матрицу наносится слой никеля. Затем создаем определенную разницу температур, при которой слой никеля «отщелкивается», — и получается рентгеновское зеркало. Мы пробовали автоматизировать процесс нанесения покрытия и подавать суспензии в автоматическом режиме, но получается, что человеческому глазу виднее. Тут нужно отдать должное нашим химикам за качество операции — они большие молодцы. Кстати, иностранцы поступают точно так же — все делают люди, а не аппаратура».

Российский телескоп (слева) видит дальше, а немецкий — шире

В РФЯЦ-ВНИИЭФ созданы два оптических стенда, на которых собирались рентгеновские зеркальные системы и проводилась юстировка всех семи оптических модулей в телескопе. Юстировочная основа — лазерный луч. «В космосе система «собирает» рентгеновское излучение, на Земле вместо него работает лазер в видимом диапазоне. Преобразование происходит через зеркала, линзы, в конце пути стоит камера на основе ПЗС-матрицы, где и фиксируется излучение и положение зеркал, — ​поясняет начальник научно-конструкторского отдела Михаил Гарин. — ​Юстировка всего стенда проводится один раз, главное, в дальнейшем ее не нарушить. Автоматика используется частично. Есть автоматика, которая зеркала опускает, это не делается вручную. Есть специальные приспособления с микрометрическими винтами для удержания зеркал».