Задачи лаборатории — исследование и моделирование процессов в ярчайших источниках рентгеновского излучения, таких как нейтронные звёзды и чёрные дыры, разработка методов навигации с помощью рентгеновских пульсаров и создание новых рентгеновских детекторов. Лаборатория создаётся в рамках «мегагранта» — гранта Правительства России для поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в вузах, научных учреждениях, подведомственных ФАНО, и государственных научных центрах России. Руководитель лаборатории — Юрий Поутанен, профессор университета Турку (Финляндия). Конкурс на получение гранта был выигран в ноябре 2017 года, срок его действия — 2018-20 гг.

На декабрьской конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра — 2017» в ИКИ РАН Юрий Поутанен, как приглашённый докладчик, рассказал о рентгеновской поляриметрии — перспективном методе астрофизики, который в ближайшие годы сможет распахнуть для исследований новое «окно» во Вселенную.

Нейтронная звезда — «центр коллективного пользования» современной астрофизики

Название новой лаборатории — фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики — кажется всеобъемлющим, но речь идёт о вполне конкретных астрофизических задачах, решение которых может иметь значение для практики.

Первое — фундаментальные исследования, развитие теории нейтронных звёзд и сравнение их с моделями и результатами наблюдений. Нейтронные звёзды — компактные объекты, где масса порядка солнечной сжата в шарик радиусом примерно 12 км. Эти слова: «порядок» и «примерно» — для астрофизиков значат очень многое. Точное знание соотношения массы и радиуса даёт информацию об уравнении состоянии вещества внутри этих объектов, соотношении давления и плотности. Далее можно судить, что происходит со сверхплотной материей в целом: поскольку сжать её до таких плотностей в земной лаборатории невозможно, приходится пользоваться удалёнными «экспериментальными установками».

Второе направление — навигация по рентгеновским источникам. Некоторые нейтронные звёзды с сильным магнитным полем быстро вращаются и при этом рождают поток рентгеновских фотонов. На Земле мы видим этот процесс как пульсирующий источник, отсюда и название такой звезды — рентгеновский пульсар. Периоды рентгеновских пульсаров отличает высокая стабильность, частота и форма сигнала, регистрируемого от каждого такого объекта, уникальны. Поэтому была высказана идея, что такие объекты можно использовать как «маяки» для навигации межпланетных аппаратов. Регистрируя сигналы от далёких пульсаров, бортовая электроника может точно вычислять не только положение космического аппарата, но и измерять вектор его скоростей.  Чтобы этот метод действительно работал, надо, помимо решения чисто технических вопросов, хорошо понимать физические процессы у поверхности нейтронных звёзд, как рождается рентгеновское излучение — а это, в свою очередь, определяется нашими знаниями об «устройстве» нейтронных звезд. 

Наконец, третье направление — работа над созданием нового поколения рентгеновских полупроводниковых детекторов, которые нужны для решения фундаментальных и прикладных задач астрофизики, в том числе задач автономной навигации космических аппаратов. Детекторы с высокими быстродействием, пространственным и энергетическим разрешением с успехом могут применяться и в астрофизических обсерваториях, и в наземных установках в различных областях науки и промышленности. Технология их изготовления очень сложна: сегодня в мире её владеют всего несколько групп. К этому «закрытому клубу» должна вскоре присоединиться и Россия, и этот оптимизм подкрепляется реальными делами. За последние годы в ИКИ РАН для телескопа ART-XC обсерватории «Спектр-РГ» (ожидаемая дата запуска конец 2018 — начало 2019 г.) были разработаны и созданы полупроводниковые детекторы мирового уровня на основе теллурида кадмия. Эти наработки планируется развивать дальше.

Планируемое число сотрудников лаборатории — около двадцати человек, в ее состав войдут ведущие специалисты в соответствующих областях из ИКИ РАН, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, университета Тюбингена (Германия), университета Амстердама (Нидерланды), университета  Турку (Финляндия), а также значительное число молодых сотрудников. Со стороны ИКИ РАН координировать работу лаборатории будут профессор РАН Александр Лутовинов, заведующий лабораторией ИКИ РАН, и д.ф.-м.н. Михаил Павлинский, руководитель отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН.

Юрий Поутанен, профессор университета Турку, руководитель лаборатории фундаментальной и прикладной рентгеновской астрофизики

Александр Лутовинов, профессор РАН, руководитель лаборатории отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН

Михаил Павлинский, д.ф-м.н., руководитель отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН

Рентгеновская поляриметрия: как увидеть магнитосферы чёрных дыр?

Научный руководитель лаборатории, профессор Юрий Поутанен, сотрудник университета Турку, — специалист в области рентгеновской астрофизики. Если посмотреть на развитие этой области сегодня, то можно сказать, что в ближайшем будущем её ожидает новый виток. Импульсы к развитию поступают, с одной стороны, от совместных результатов наблюдений с гравитационно-волновыми обсерваториями, а с другой — от всё более совершенных рентгеновских приборов. Новым «окном» во Вселенную могут стать рентгеновские наблюдения в поляризованном свете. Этому было посвящено выступление Юрия Поутанена «Рентгеновская поляриметрия: время пришло?» 21 декабря 2017 года.

Поляризационные наблюдения — это серьезное дополнение к пространственным, временным и спектральным характеристикам света. В поляризованной электромагнитной волне колебания напряженностей электрического и магнитного полей происходят в определённых направлениях (в неполяризованном свете плоскости колебаний «гуляют» хаотически). Поляризация возникает при разных обстоятельствах, и если научиться её измерять, то можно узнать много интересного и нового о той среде, из которой свет вышел.

Для астрофизиков, работающих в рентгеновском диапазоне энергий, она интересна прежде всего тем, что даёт возможность изучать магнитосферы далёких объектов, в том числе таких экстремальных, как нейтронные звёзды, релятивистские выбросы (джеты) в двойных системах и ядрах галактик, разлетающихся оболочках после взрывов сверхновых, возможно, наблюдать и измерять спин (вращение) чёрных дыр. С её помощью можно также уточнить параметры вращающихся нейтронных звёзд — определить их массу и радиус. Их отношение считается ключевым для всей физики сверхплотного вещества.

Рентгеновские поляриметры работали в космосе на разных аппаратах с конца 1970-х гг., но фактически хорошо измерены были потоки фотонов от считанных объектов. Первый — Крабовидная туманность, знаменитый остаток взрыва сверхновой, от которой остался пульсар — нейтронная звезда и постепенно расширяющаяся оболочка. Второй — объект Лебедь Х-1, первый из открытых кандидатов в черные дыры. Сейчас работающих рентгеновских поляриметров в космосе нет, хотя за это время работало несколько приборов на аэростатных зондах.

Запуск первого аппарата, специально посвящённого таким исследованиям, ожидается в 2021 году. Им должен стать IXPE — «The Imaging X-ray Polarimetry Explorer», что можно перевести как «Создающий изображения рентгеновский поляриметр». Сложность в создании таких инструментов и в организации наблюдений, как пояснил Юрий Поутанен, состоит в том, что для получения статистически значимого результата нужно зарегистрировать очень много фотонов. Например, для пространственных наблюдений нужно всего несколько фотонов – этого достаточно, чтобы понять, грубо говоря, что звезда находится в определённом месте. Для поляриметрических наблюдений — миллион. А это значит, что на один объект надо смотреть несколько дней, а то и недель, в зависимости от его яркости и удалённости.

Юрий Поутанен, а также академик Рашид Сюняев и член-корреспондент РАН Евгений Чуразов, сотрудники отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, входят в состав участников проекта IXPE.

- О.З.