Благодаря уникальной методике пространственной модуляции рентгеновского фона на детекторах орбитального телескопа NuSTAR (NASA) удалось исследовать с рекордной точностью космический рентгеновский фон — излучение миллионов сверхмассивных черных дыр в нашей Вселенной. Старший научный сотрудник ИКИ РАН Роман Кривонос и его коллеги смогли добиться точности измерения меньше одного процента, при незначительном вкладе шумовых сигналов.

Статья принята к печати в апрельском номере журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и опубликована онлайн. Работа непосредственно связана с подготовкой нового рентгеновского эксперимента ИКИ РАН «Монитор всего неба» на борту Международной космической станции, который должен начаться в 2022 г.

Изучать Вселенную можно с помощью нескольких информационных каналов. Это прежде всего электромагнитное излучение (к нему относится видимый свет —главный источник информации для большинства людей) и космические лучи —потоки заряженных частиц (в последнее время к ним добавились нейтрино и гравитационные волны). Пожалуй, наиболее известным источником информации о всей нашей Вселенной сразу является микроволновый реликтовый фон, который сохранил «память» о раннем периоде ее эволюции. Однако еще до открытия микроволнового фона астрофизики знали о существовании рентгеновского излучения, которое заполняет всю Вселенную.

В первых же астрономических рентгеновских наблюдениях начала 60-х годов XX века было обнаружено изотропное (т.е. идущее со всех направлений) рентгеновское излучение — космический рентгеновский фон (КРФ или CXB, Cosmic X-ray Background). По мере развития рентгеновской астрономии утвердилось понимание природы этого фона, который, как оказалось складывается из излучения многих миллионов отдельных объектов — сверхмассивных черных дыр, поглощающих окружающее вещество в ядрах далеких и близких галактик.

Несмотря на давнюю историю рентгеновских исследований и неуклонное развитие наблюдательной техники, точно измерить характеристики космического рентгеновского фона по-прежнему сложно, в первую очередь, потому, что необходимо отделить «полезный сигнал» космического излучения от посторонних шумов, возникающих в рентгеновских детекторах. Преодолевая эти трудности, то есть получая всё более «чистые» карты космического рентгеновского фона, мы можем надеяться увидеть неоднородности в его распределении. На одних участках неба он будет ярче, где-то, напротив, тусклее, и эти неоднородности несут новую информацию о строении нашей Вселенной, поскольку распределение сверхмассивных черных дыр соответствует тому, как распределены в пространстве галактики и скопления галактик.

В ИКИ РАН уже долгое время ведутся активные исследования космического рентгеновского фона. В 2003 году под руководством М. Г. Ревнивцева было проведено измерение рентгеновского фона по данным орбитальной рентгеновской обсерватории им. Бруно Росси (NASA). В 2006 году гамма-обсерватория ИНТЕГРАЛ (ЕКА, НАСА, Роскосмос) провела уникальный эксперимент по измерению энергетического спектра рентгеновского фона, используя маневр прохождения диска Земли через поля зрения телескопов обсерватории. Результаты этого эксперимента можно найти в статье Е. М. Чуразова с коллегами.

За несколько десятилетий развития рентгеновской астрономии точность измерения космического рентгеновского фона была доведена до нескольких процентов. Но этого оказалось недостаточно для изучения флуктуаций фона, связанных с неоднородностью распределения галактик в ближней Вселенной (несколько десятков мегапарсек) и с точечной (не диффузной) природой фона. Иными словами, пиксели на картах интенсивности рентгеновского фона были всё ещё достаточно крупными для детального анализа.

Используя уникальную методику пространственной модуляции рентгеновского фона на детекторах орбитального телескопа NuSTAR (NASA), Роману Кривоносу с коллегами удалось добиться рекордной точности измерения космического рентгеновского фона — меньше одного процента, при незначительном вкладе систематического шума.

«Мы измерили спектр КРФ в диапазоне энергий от 3 до 20 кэВ по данным наблюдений орбитального телескопа NuSTAR (NASA), — говорит Роман Кривонос, старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН. —Обнаруженные различия в интенсивности фона в нескольких исследованных площадках на небе хорошо согласуются с теми, которые мы ожидали обнаружить из-за вариаций в населении сверхмассивных черных дыр. Это открывает новые возможности для изучения угловых флуктуаций фона».

«Картинка месяца» обсерватории ИНТЕГРАЛ (март). Величина потоков фонового рентгеновского излучения в диапазоне 3–20 кэВ по данным обсерватории NuSTAR (NASA) с использованием нового метода пространственной модуляции. Синим и красными цветами показаны значения, измеренные на двух детекторных модулях обсерватории. Пунктиром показаны результаты измерений, выполненных обсерваториями ИНТЕГРАЛ и HEAO-1. Результаты новых измерений в целом согласуются с результатами обсерватории ИНТЕГРАЛ, но примерно на 8% выше, чем поток, измеренный HEAO-1. Из статьи Кривонос и др., 2021

Новый метод высокоточных измерений интенсивности рентгеновского фона, возможно, поможет обнаружить предсказанные в 2019 г. С.А. Гребеневым и Р.А. Сюняевым искажения в спектре фона, которые появляются в направлении на скопления галактик. Они должны возникать, когда фотоны рентгеновского фона проходят через горячий межгалактический газ скоплений.

Ученые ИКИ РАН планируют продолжить исследовать рентгеновский фон Вселенной с помощью прибора «Монитор всего неба» (МВН) на Международной космической станции (МКС), который разрабатывается в отделе астрофизики высоких энергий ИКИ РАН. В ходе эксперимента исследователи планируют исследовать рентгеновский фон уже в более высокоэнергичном диапазоне 6–70 кэВ.

Идея эксперимента МВН состоит в том, чтобы использовать особенности орбиты МКС для обзора всего неба в рентгеновских лучах. Поставка летного образца МВН в РКК «Энергия» планируется в октябре 2021 г. Начало космического эксперимента на МКС запланировано на 2022 г.