рентгеновский взгляд

Из всех экшен сцен в сериале сцена с рентгеновским шлемом пока что моя любимая.

Сегодня научный мир отмечает 125-летний юбилей открытия, за которое была присуждена первая Нобелевская премия по физике, и которое изменило мир 

Автор открытия рентгеновского излучения – немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген - профессор многих университетов (и даже ректор одного из них) так никогда не окончил школы и смог посещать университет только как вольный слушатель

Когда ему присудили Нобелевскую премию, Рентген вежливо поблагодарил, принял Нобелевскую медаль от короля Швеции, но произносить речь, как это делают все лауреаты, отказался

Удостоенный множества наград, в том числе той, что давала ему дворянский титул, приставку "фон" к фамилии и право называться "его превосходительством", он от этого титула и от "превосходительства" отказался

В Гисене и позже в Вюрцбурге, где Рентген возглавил сначала кафедру физики, а потом в качестве ректора и университет, ученый укрепил свою высокую научную репутацию, - задолго до того, как открыл рентгеновское излучение и получил Нобелевскую премию

Подтверждение тому, в частности, - многочисленные приглашения в разные университеты, которые Рентген отверг. По иронии судьбы его пригласили, среди прочих, и в университет Утрехта - тот самый, куда его в свое время не взяли из-за отсутствия аттестата об окончании школы

Вечером 8 ноября 1895 года Вильгельм Конрад Рентген работал в своей лаборатории. Окончив очередную серию экспериментов, ученый выключил освещение и накрыл трубку Крукса — прибор, представляющий собой заполненную разреженным газом колбу, с двух сторон которой впаяны положительно и отрицательно заряженные электроды (катод и анод), — чехлом из черного картона. Трубка при этом осталась под напряжением, а в полумраке комнаты ученый заметил свечение оказавшегося рядом экрана, покрытого кристаллами синеродистого бария

Рентген был удивлен этим явлением и начал проводить самые разнообразные опыты с трубками и бариевыми экранами. Почти сразу ему удалось установить, что загадочное излучение обладает проникающим эффектом — оно пронизывает бумагу, дерево, металлы, стекло...

«Легко найти, что все тела проницаемы для этого агента, но в различной степени. Я приведу несколько примеров. Бумага обладает большой проницаемостью: за переплетенной книгой приблизительно в 1000 страниц я еще вполне свободно различал поверхность флюоресцирующего экрана; типографская краска не представляет значительного препятствия. Такова же была флюоресценция за двойной колодой игральных карт. … Еловые доски толщиной от 2 до 3 сантиметров поглощают очень мало. Алюминиевая пластинка около 15 мм толщиной сильно ослабляла, но еще не вполне уничтожала флюоресценцию» 

22 декабря 1895 года ученый сделал первый в истории человечества снимок человеческой руки, который впоследствии получит название рентгеновского снимка. «Моделью» стала жена физика Берта Рентген

Нобелевский комитет: «В знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названный впоследствии в его честь»

Через три дня после объявления об открытии Рентгена владелец компании

Reiniger, Gebbert & Schall (RGS) из Эрлангена, которая специализировалась на медицинских технологиях (сейчас эта фирма называется Siemens Healthineers), отправил одного из своих сотрудников, инженера по имени Роберт Фишер, в Вюрцбург

Фишеру было приказано посетить Вильгельма Конрада Рентгена и обсудить его открытия. В записях архива Siemens Healthineers сказано, что «Рентген не принял г-на Фишера, сказав, что он вообще отказался от посещений»

Роберт Фишер встретился с помощником господина Рентгена, который «продемонстрировал очень скромный аппарат в действии». После этого в компании 

RGS приступили к работе над своим рентгеновским аппаратом, поручив разработку трубки инженеру-электрику Йозефу Розенталю

«Поскольку в то время никто не имел представления об истинной природе рентгеновских лучей, мы проверили все возможности, в том числе возможность получения загадочных лучей путем перегрузки нити накала обычной лампочки. При этом перегорело куча лампочек - естественно, безрезультатно»

Вскоре Розенталь понял, что «ключом к получению хороших рентгеновских лучей является правильная трубка, и в 1896 году ему удалось получить несколько удачных рентгеновских снимков, в т.ч. изображение головы живой 16-летней девочки - и отправил полученный рентгеновский снимок Вильгельму Конраду Рентгену в Вюрцбург

Несколько дней спустя Розенталь получил "Самую приятную открытку в своей жизни"

«Уважаемый господин, - написал Рентген 3 ноября 1896 года. - Я искренне благодарен за очень приятную фотографию головы, которую вы мне прислали. Прошу вас прислать как можно скорее мне и местному физическому институту две вакуумные лампы вашей конструкции (вместе с инструкциями по применению). С уважением, профессор В.К. Рентген"

Эти знаменитые рентгеновские снимки змеи и хамелеона были сделаны фотографом (и директором института графических процессов) Йозефом Эдером в 1896 году

Конрад Рентген говорил, что "Х-излучение" принадлежит всем, и поэтому, например, категорически отказывался брать патент на катодные трубки специальной конструкции, хотя фирмы предлагали ему за эти рентгеновские трубки большие деньги

Рентген не хотел, чтобы его открытие было источником дохода, - ни для него, ни для этих фирм

Также отказывался он от приставки "фон" к своей фамилии и от того, чтобы его называли "ваше превосходительство", когда получил на это право

Человеком он был скромным и молчаливым. Любимыми развлечениями великого физика были дальние пешие прогулки и охота

Рентген умер от рака в возрасте 77 лет и похоронен в Гисене рядом со своими родителями и женой

Первая детальная фотография поверхности Солнца

«Проект, которым можно гордиться» Астрофизик Сергей Попов — о важности запуска телескопа «Спектр-РГ» для России и мировой науки

13 июля с космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Протон-М» с космической обсерваторией «Спектр-РГ». Эту миссию готовили с конца 1980-х годов — ученые надеются, что аппарат поможет лучше понять законы Вселенной. «Медуза» попросила астрофизика, ведущего научного сотрудника Государственного астрономического института МГУ Сергея Попова рассказать о том, почему «Спектр-РГ» так важен для мировой науки.

— «Спектр-РГ» — это орбитальная обсерватория. Зачем такие обсерватории нужны?

— Главное, для чего нужна орбитальная обсерватория, — наблюдения в диапазонах спектра, в которых земная атмосфера все полностью поглощает. «Спектр-РГ» работает с рентгеновским диапазоном, а рентгеновские лучи с поверхности Земли наблюдать просто невозможно. Поэтому до 1960-х годов, когда в космос начали отправлять первые рентгеновские детекторы, не было никаких данных об излучении астрономических объектов в рентгеновских диапазонах.

— Почему важно работать именно в рентгеновском диапазоне?

— Моя любимая аналогия: вы приходите к врачу, который вам говорит сделать рентген. Вы говорите, что только что сделали УЗИ, зачем еще и рентген? Но дело в том, что рентген показывает другое.

Допустим, вы просто посмотрели вокруг. В видимом диапазоне вы увидите только то, что видите. Если посмотрите радиодиапазон, то увидите точки вайфая в соседних комнатах, радиостанции и так далее. А в инфракрасном диапазоне обнаружите, что в офисе живет крыса, которую никто никогда не видел. Вы получите принципиально новую информацию. Сделаете важное открытие.

Так и в космосе. Если мы хотим изучать, как формируются звезды и планеты, — нужно наблюдать в инфракрасном диапазоне, так как они еще не разогрелись. Изучаем обычные звезды — используем в первую очередь обычный видимый диапазон. А если у нас, например, вещество течет на поверхность нейтронной звезды, то там оно разогревается до гигантской температуры и основную долю энергии излучает в рентгеновском диапазоне. Соответственно, если мы хотим изучать, например, черные дыры в двойных системах, то нам в первую очередь необходим рентгеновский инструмент.

— Указывают, что это первый российский телескоп с оптикой косого падения. Что это значит?

— Рентгеновские лучи плохо отражаются. С похожими ситуациями все мы сталкивались. Посмотрите сверху на поверхность воды — и увидите дно. Затем посмотрите вдоль воды — вы увидите почти идеальное отражение. Мы видим, что в случае косого падения и у поверхности воды отражение лучше. А в случае рентгена вообще возможно только косое падение. Ничего не получится, если вы попробуете отразить рентгеновский луч, просто поставив источник перед зеркалом, — зеркало целиком поглотит его. Поэтому нужно запускать луч под очень косым углом, из-за этого такие телескопы получаются очень необычными — очень длинными. Без зеркал косого падения в рентгеновском диапазоне просто не сделать нормальный снимок.

— История «Спектра-РГ» началась еще в 1980-е. Почему так много времени заняла его разработка?

— Нужно сделать небольшую преамбулу — большая советская космонавтика в большой степени игнорировала астрофизические исследования. Если сравнить количество астрофизических приборов, которые наша страна вывела на орбиту до 1990 года, то мы проигрываем даже Европе, не говоря уже о США.

Но было несколько успешных проектов. Из-за того что они были — в первую очередь спутник «Гранат», — люди хотели большего. Сложились группы, которые умели и делать аппаратуру, и работать с данными. Были хорошие астрофизики, которые могли ставить задачи.

Но проект затягивался. Главная причина — кризис конца 1980-х — начала 1990-х. Как раз на это время пришлось бы ожидаемое время запуска первого варианта «Спектра-РГ». Люди пытались что-то делать, но денег не было. Потом деньги появились, но начались другие сложности. Полностью менялись начинка и оборудование, потому что кто-то входил в коллаборацию [создателей проекта], а кто-то выходил. Ставились новые научные задачи, так как старые оказывались уже решенными. Наконец, несколько лет назад сложился современный дизайн аппарата — его тоже долго согласовывали.

Долго делали рентгеновские телескопы — и [сделанный в Германии и являющийся частью обсерватории «Спектр-РГ»] eROSITA, и российский ART-XC. Были задержки по разработке спутника, на который все это устанавливается. Потом пошел длительный процесс сведения всего вместе. В последние годы один раз даже санкции повлияли — нужно было купить микросхему в Штатах, а они ее не продали. Но в итоге все довели до ума.

В целом если посмотреть на историю, то вообще сложно вспомнить аппарат, который полетел в сроки, которые четко указывали пятью годами ранее. Обычно всегда начинаются сдвиги и переносы.

— Это российско-немецкий проект. Какой вклад в его создание сделали стороны?

— Все очень четко делится. Спутник — российский, запуск — российский. На спутнике два телескопа: основной — немецкий, а сопутствующий, дополнительный, — российский.

— А полученные результаты тоже как-то будут делиться между сторонами?

— Люди всегда хихикают, когда узнают, как все будет происходить. Данные с российского телескопа будут целиком российскими — это понятно. Далее — изначально было решено, что данные с eROSITA будут делиться поровну. Вопрос был в том, как поделить поровну? Дело в том, что первые четыре года спутник делает обзор неба — крутится и сканирует все небо. Делает это восемь раз за четыре года, то есть один скан в полгода. Поэтому делить можно было по-разному. В итоге решили, что оптимальный вариант — поделить небо пополам. Есть российская половина неба, есть — немецкая. Всегда очень смешно видеть карту неба, где на одной половине немецкий флаг, а на второй — российский. Соответственно, данные за все четыре года по одной стороне будут принадлежать российской стороне, по второй — немецкой. Дальше они уже будут сами решать, с кем этими данными делиться.

Весь последний год идет разговор о том, как будут обмениваться данными российская и немецкая сторона, потому что есть небольшие источники, которые попадают на границу. Например, часть объекта может лежать на немецкой стороне, а часть — на российской. Соответственно, люди создают совместные группы и детализируют процесс обмена данными. К этому подходят очень серьезно. В открытый доступ эти данные быстро попадать не будут.

— А российский телескоп захватывает все небо?

— В конечном счете да.

— Тогда зачем на спутнике два телескопа?

— Они совершенно разные. Они работают в разных диапазонах, там разные приборы, и видят они все по-разному.

Опять же представьте, что вы сделали человеку одновременно МРТ и УЗИ. Данные по УЗИ целиком — ваши, данные по МРТ выше пояса тоже отдали вам, а данные ниже пояса — другому врачу. Вот и телескопы не дублируют друг друга. Никто не стал бы тратить большие деньги ради дубля.

— Это первый подобный российский проект?

— Если говорить о рентгеновском, то да. Но в нашей истории был один космический астрофизический проект, который известен по названию «Радиоастрон». На самом деле название спутника — «Спектр-Р». Это был первый запуск в рамках программы из четырех спутников с названием «Спектр», работающих в разных диапазонах. «Спектр-Р» — первый спутник, где работали с радиодиапазоном, «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр-РГ») — второй, «Спектр-Ультрафиолет» — по плану третий, и он тоже безумно долго делается. Есть очень отдаленные планы делать и четвертый «Спектр» для работы в миллиметровом инфракрасном диапазоне.

Ясно, что обзоры неба в рентгеновском диапазоне в мире раньше делались. Но в космической астрофизике для серьезных проектов есть жесткое требование: каждый следующий должен быть в десять раз лучше предыдущего по всем параметрам. Поэтому ситуация примерно следующая: двадцать лет назад вы купили ноутбук, а сейчас купили еще один. Новый ноутбук чем-то лучше? Он лучше всем, хотя стоит столько же.

— Как дела с подобными проектами в других странах? Этот проект важен для мировой науки?

— Да, это обсерватория мирового уровня. В своем классе она выполняет вот это требование — быть в десять раз лучше предыдущего в мире. Был немецкий спутник, который делал обзор неба в 1990-е годы, и с тех пор ничего подобного не было.

— Что в США с подобными проектами?

— Они не запускали рентгеновские обзорные миссии много лет. Они развиваются немного по-другому — как какая-нибудь страна может не делать трамваи, но при этом производить скоростные поезда. Американцы запускают много рентгеновских аппаратов разных типов, но они не делают рентгеновские обзоры неба.

— Когда телескопы сделают свою работу, что эти снимки дадут ученым?

— Основная задача — это обзор неба, соответственно, телескоп увидит все, что есть на небе. Это огромное количество самых разных источников [излучения], поэтому потенциально есть огромное количество задач, которые можно решать. По сути, данные будут получены по всем классам астрономических объектов, которые только существуют.

Но есть приоритетные задачи. Для eROSITA это наблюдение скоплений галактик в рентгеновском диапазоне. Скопления галактик — это самые большие структуры во Вселенной. И наблюдая их на разных расстояниях, мы видим их в разные эпохи жизни Вселенной. Скопление галактик хорошо отражает [процесс] формирования крупномасштабной структуры, а это, в свою очередь, один из столпов современной космологии.

Чуть-чуть утрируя — eROSITA сможет увидеть все скопления галактик до края Вселенной. Какое-то фантастическое число, около 100 тысяч [скоплений] галактик. Для сравнения: хорошо изучено сейчас около тысячи. Так что как минимум это важно для уточнения космологических параметров, а потенциально и для решения космологических задач. Для понимания нашей Вселенной в целом.

— Что помимо скопления галактик будет изучаться?

— Много всего. Сложно выстроить все в порядке значимости, но, например, это активные ядра галактик. Те самые сверхмассивные черные дыры в центрах галактик — по ним будет собрана очень большая база новых данных.

Уже традиционно все рентгеновские аппараты исследуют двойные системы с нейтронными звездами и черными дырами. Здесь тоже можно ожидать много интересных результатов.

У меня есть главный личный запрос к eROSITA, а может быть, и ко второму телескопу — открыть одиночные аккрецирующиенейтронные звезды, которых в нашей Галактике должно быть примерно миллиард. Они летают в межзвездной среде и могут эту среду притягивать.

[Рентген] это единственный способ увидеть и наблюдать такую нейтронную звезду. Это было понято еще в 1970 году, и было бы красиво к 50-летию впервые увидеть старые одиночные нейтронные звезды. Это очень важно для понимания того, как они живут и эволюционируют. Пока мы изучаем в основном молодые нейтронные звезды. Или старые, но в двойных системах, а у них немного по-другому устроена жизнь.

— Почему это важно?

— Нам интересна эволюция. Представьте, вы — инопланетянин, который прилетел на Землю и смотрит на маленького ребенка. Вы понятия не имеете, что с ним дальше происходит. Вы не поймете, что ребенок потом может выучить общую теорию относительности, а, например, щенок, который тоже не говорит и куда-то карабкается, — нет. Априори это понять довольно трудно, если вы инопланетянин и прилетели на пять минут. Узнать это можно, только увидев объекты предельного возраста. Про нейтронные звезды мы не знаем, как они эволюционируют, — это довольно большой кусок физики и астрофизики.

— Точно не известно, что мы получим от «Спектра-РГ»?

— Ну да. По-хорошему, выводы можно будет делать после окончания обзоров. Где-то через год будут первые данные, потом, как всегда, люди будут учиться работать с ними. Оптимистично я бы сказал, что через пару лет что-то начнет появляться, а лет через пять люди потихонечку начнут давать полные данные.

— Теоретически мы можем получить какие-то прорывные результаты?

— Если говорить без преувеличений, которые так любят СМИ, то предсказать такое в принципе невозможно. Если результат гарантирован и предсказуем, как с гравитационными волнами, то он заведомо не будет прорывом, потому что это плановая вещь. Интересные открытия всегда неожиданны. В этом и смысл делать приборы в десять раз лучше. Всегда есть большая вероятность увидеть то, что никогда не видели. То есть ответ на вопрос: может быть, а может быть, и нет.

— У нас есть пример, предшественник «Спектра-РГ» — «Спектр-Р», который запускали в 2011 году. Мы получили что-то важное от него?

— Трудно ранжировать результаты, но я бы выделил получение очень детальных изображений ярких астрономических радиоисточников. Ученые смогли рассмотреть важные детали в струях [плазмы], которые бьют из центров активных галактик, выбрасываются из окрестностей сверхмассивных черных дыр. Для понимания того, как работают активные ядра галактики, это очень важно. С Земли такой результат принципиально нельзя получить.

Я бы не сказал, что это был совсем тестовый проект, но никто и никогда до этого не делал такой проект такого масштаба. Скажем так — это пионерский проект, в котором было много вещей, которые нужно было попробовать. Проект оправдал ожидания с этой точки зрения, плюс дал много хороших научных результатов. Но каких-то прорывных не было, на мой взгляд. Но этого и не планировалось.

— Запуск «Спектра-РГ» будет полезен только с точки зрения науки? Не будет какого-то прикладного применения?

— О практическом применении чего-либо часто спрашивают неправильно. Например, учительница физкультуры говорит детям присесть 50 раз, а о они спрашивают, где это во взрослой жизни может понадобиться присесть 50 раз. Ответ: нигде и никогда не понадобится, это было бы странно. Но в приседаниях есть большой толк. Потом от кого-то можно убежать, можно кому-то двинуть ногой, и вообще поясница просто не будет болеть.

С научными исследованиями часто так же. Напрямую действие не нужно, но то, с чем оно связано, полезно. В случае рентгена есть несколько примеров. Рентгеновские сканеры, с которыми мы сталкиваемся в аэропорту или на вокзале, в 1960-х разработала фирма, которая фактически была создана для работы над первыми рентгеновскими детекторами для астрофизических исследований.

В целом длительное развитие рентгеновской астрономии привело к тому, что сейчас уже не на чертежах, а в железе существуют перспективные системы навигации спутников в Солнечной системе — они именно рентгеновские. То есть следующее поколение межпланетных станций будет бороздить просторы Солнечной системы, ориентируясь по рентгеновским источникам — используя маленькие рентгеновские телескопы на борту и все наработки, созданные в рамках исследований.

И это гораздо лучше, потому что спутник сможет определять не только свое положение, но и скорость без связи с Землей. Это очень важно. Станции будут полностью автономные и не будут тратить ресурсы на связь с Землей.

— Люди со стороны часто скептически относятся к российским космическим инициативам — ругают и критикуют тот же «Роскосмос». «Спектр-РГ» — это проект, которым можно гордиться?

— Я уже перестал видеть людей, которые ругают сами космические инициативы. Это было модно в перестроечные годы — я помню плакат, где колбаса улетает в космос, в конце 1980-х. Но вроде бы с тех пор люди поняли пользу исследований.

«Роскосмос» — принципиально другое. Аналогично — мы ругаем выборы или именно российские выборы? Мы ругаем систему законности или российскую систему законности? Это принципиально разные вещи.

Думаю, этим проектом можно гордиться, и он далеко не единственный такой у нас. Поэтому мне кажется, что сейчас в целом люди понимают: космическими исследованиями надо заниматься. Другое дело, что не надо деньги воровать, а надо дело делать. Если с этим все хорошо, то люди вроде бы понимают, что космос скорее полезен, чем вреден.

Полностью автоматизированный робот-стоматолог провел первую в мире процедуру на человеке

Система, созданная бостонской компанией Perceptive, использует 3D-объемный сканер, который создает подробную 3D-модель рта, включая зубы, десны и даже нервы под поверхностью зуба, используя оптическую когерентную томографию, или ОКТ.

Это исключает вредное рентгеновское излучение из процесса, поскольку ОКТ использует только световые лучи для построения своих объемных моделей, которые получаются с высоким разрешением, а полости автоматически обнаруживаются с точностью около 90%.

На этом этапе (человек)-стоматолог и пациент могут обсудить, что нужно сделать, но как только эти решения приняты, за дело берется робот-стоматолог.

Первая специальность машины: подготовка зуба к зубной коронке. Perceptive утверждает, что это, как правило, двухчасовая процедура, которую стоматологи обычно делят на два визита. Робот-стоматолог справляется с ней примерно за 15 минут. Вот покадровое видео сверления, очень похожее на работу станка с ЧПУ:

Примечательно, что компания утверждает, что машина может безопасно выполнять свою работу «даже в самых тяжелых условиях движения пациента», и что все пробные испытания на пациентах имитировавших подергивания и движение головой прошли успешно.

«Мы рады успешно завершить первую в мире полностью автоматизированную роботизированную стоматологическую процедуру», — говорит доктор Крис Чириелло, генеральный директор и основатель Perceptive. «Этот медицинский прорыв повышает точность и эффективность стоматологических процедур и демократизирует доступ к лучшему стоматологическому обслуживанию для улучшения опыта пациентов и клинических результатов. Мы с нетерпением ждем возможности усовершенствовать нашу систему и стать пионерами в области масштабируемых, полностью автоматизированных стоматологических решений для пациентов».

«Роботизированная система Perceptive, работающая на основе искусственного интеллекта, изменит стоматологию», — добавляет Карим Заклама, доктор стоматологических наук, стоматолог общей практики и член клинического консультативного совета Perceptive. «Впечатления пациентов станут лучше благодаря оптимизации процедур и повышению комфорта для пациентов. Расширенные возможности визуализации, в частности внутриротовой сканер, предоставляют непревзойденные детали, которые позволят нам диагностировать проблемы на более ранних стадиях с большей точностью и эффективнее взаимодействовать с пациентами. Такая эффективность позволяет нам больше сосредоточиться на персонализированном уходе за пациентами и сокращает время пребывания в кресле, что позволяет нам эффективнее лечить больше пациентов».

Робот пока не одобрен FDA, и Perceptive не обозначила сроки его внедрения, так что может пройти еще несколько лет, прежде чем общественность получит доступ к такому виду лечения.