Новые рентгеновские обсерватории с новыми технологиями

В заметке Марата Мусина и Сергея Попова дается краткий обзор двух рентгеновских обсерваторий, работа по созданию которых идет в настоящее время: NuSTAR, чей старт намечен на начало 2012 г., и LOFT, которая находится на начальной стадии разработки. В обоих проектах используются пионерские решения, которые могут позволить добиться новых интересных результатов в астрофизике высоких энергий.

NuSTAR — фокусирующая оптика в жестком рентгене

Американский проект NuSTAR (The Nuclear Spectroscopic Telescope Array) — это космическая обсерватория, разрабатываемая в рамках программы NASA «Малые космические спутники» [1]. Аппарат весит 360 кг и будет выведен на орбиту ракетой Pegasus.

Рис. 1. Сравнительный график эффективной площади телескопа в зависимости от энергии квантов для обсерваторий NuSTAR, «Чандра» и «XMM–Ньютон» (рисунок из статьи arXiv: 1008.1362)
Рабочий диапазон прибора приходится на жесткое рентгеновское излучение — 5−80 кэВ, в котором из действующих обсерваторий работают INTEGRAL и SWIFT, но NuSTAR будет обладать угловым разрешением всего в 9,5 угловых секунд, что в 75 раз лучше, чем у INTEGRAL. За это, правда, приходится расплачиваться сужением поля зрения: у NuSTAR поле зрения будет как у INTEGRAL угловое разрешение -12 минут (на высоких энергиях даже меньше). Кроме того, использование нового метода фокусировки изображения — принципа скользящего отражения — вместо применявшегося ранее принципа кодирующей апертуры позволило повысить чувствительность телескопа в 50−100 раз. Технология уже отработана в эксперименте HEFT: в 2005 г. был запущен воздушный шар с предшественником телескопа NuSTAR. Сейчас фокусирующая оптика в рентгеновской астрономии используется только до энергий порядка 10 кэВ, например на спутниках «Чандра» и «XMM-Ньютон» (см. рис. 1). Использование таких систем на энергиях в 10 раз выше — это огромный прорыв. Кроме хороших изображений спутник будет строить и спектры с существенным разрешением.

Конструктивно обсерватория состоит из двух соосных телескопов, сфокусированных на двух детекторах. Важно, что впервые рентгеновский телескоп будет иметь очень большое фокусное расстояние — более 10 м. Это достигается за счет использования раздвижной фермы, которая разворачивается до нужных размеров после вывода спутника на орбиту. Ранее максимальное фокусное расстояние было ограничено размером спутника, определяемым параметрами носителя, выводящего прибор в космос.

Рис. 2. Обсерватория NuSTAR после развертывания на орбите. Слева видны два рентгеновских телескопа и звездный датчик. Справа – блок детекторов (рисунок с сайта NASA www.jpl.nasa.gov/missions/missiondetails.cfm?mission=NuSTAR)
После запуска, намеченного на 2012 г., NuSTAR в течение 2 лет будет работать над четырьмя ключевыми задачами:

• изучением физических процессов, которые управляют эволюцией сверхмассивных черных дыр. В рамках программ GOODS, COSMOS и X-Bootes спутник NuSTAR будет отвечать за контроль изменений состояния «скрытых» ядер активных галактик (тех, где велико поглощение), чтобы подтвердить, что происходящие в них процессы согласуются с современными представлениями;

• изучением популяций галактических компактных объектов и природы сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути;

•изучением сверхновых и их остатков;

•исследованием ускорения частиц в релятивистских джетах в активных ядрах галактик на примере блазаров (вместе с гамма-телескопами Fermi, Veritas, HESS,

MAGIC и наземными радио- и оптическими телескопами).

Выведенной на орбиту обсерватории понадобится примерно месяц на проверку и настройку бортовых систем. После того как телескоп начнет работать на полную мощность, ему потребуется еще примерно 18 месяцев на выполнение основной программы. Оставшееся время (5−6 месяцев) он сможет выполнять дополнительные задачи, список которых уточняется, а также перенаводиться на новые объекты, обнаруженные уже после запуска миссии. Телескоп будет обращаться вокруг Земли на низкой орбите с малым наклонением, чтобы не попадать в область действия Южно-Атлантической аномалии. Орбита рассчитана таким образом, что через 5 лет спутник сгорит в плотных слоях атмосферы. Таким образом, если программа будет признана успешной, то при соответствующем финансировании работа обсерватории может быть продолжена и после окончания основной миссии.

Вся собранная спутником информация после первичной обработки будет доступна на сайте научного архива исследовательского центра высоких энергий NASA (HEASARC).

По другому пути решила пойти группа итальянских ученых [2]. Проект LOFT (Large Observatory For x-ray Timing) — это попытка создать космическую обсерваторию для изучения рентгеновского излучения энергией 2−30 кэВ с большой эффективной площадью детектора (1015 м2) за счет использования уже готовых технических решений, разработанных для экспериментов на ускорителях частиц, но в космосе пока не применявшихся.

Рис. 3. Возможное расположение панелей детекторов обсерватории LOFT на орбите и во время запуска с помощью ракеты–носителя ВЕГА (рисунок из статьи arXiv: 1008.1009)
В качестве приемника излучения будет выступать внутренний трековый детектор (Inner Tracking system — ITS), используемый в эксперименте ALICE в Большом адронном коллайдере. Основа ITS — это силиконовые дрейфовые детекторы смещения (Silicon Drift Detectors — SDD), которые позволяют определить траекторию и энергию кванта рентгеновского излучения по накапливанию заряда на аноде (познакомиться с анимированным объяснением принципа SDD можно по адресу www.ketek.net/index.php?id=207). Коллиматором излучения будут капиллярные пластины, выполненные из свинцового стекла. Такие пластины производятся различными компаниями в массовом порядке и не являются уникальным оборудованием, т. е. прекрасно вписываются в концепцию LOFT. В итоге за счет капилляров поле зрения детектора большой площади будет порядка 1°. В основу механизма, который отвечает за развертывание системы на орбите и ее ориентацию, легла платформа, использующаяся для крепления солнечных батарей на спутниках (см. рис 3).
Рис. 4. Сравнение эффективной площади детектора LOFT с другими рентгеновскими обсерваториями. Видно, что даже ASTROSAT – индийский спутник, готовящийся к запуску через год–два – сильно уступает LOFT
Несмотря на то, что LOFT не будет строить красивые картинки с высоким угловым разрешением, проект имеет некоторые преимущества перед существующими или планируемыми рентгеновскими телескопами. Существует важная задача мониторинга переменности большого числа объектов. Положительный опыт работы спутника RXTE, площадь основного детектора которого (PCA) составляет всего 0,67 м2, говорит о том, что это чрезвычайно перспективное направление. Поэтому спутник, эффективная площадь которого превосходит все аналоги более чем в 10 раз (см. рис. 4), прекрасно подходит для изучения быстрых стабильных пульсаций (например, при вращении компактного объекта) и так называемых квазипериодических осцилляций при аккреции на нейтронную звезду или черную дыру, а также при изучении магнитаров. Теперь, чтобы получить достаточную статистику (число фотонов), не надо будет ждать неделями. LOFT, не отвлекаясь на другие задачи, может наблюдать объект требуемое количество времени, что также выгодно отличает его от существующих рентгеновских обсерваторий.

На спутнике кроме детектора большой площади планируется установить детектор для обзора всего неба (как это было и на RXTE). Так что кроме тайминга с помощью детектора большой площади будет вестись и регулярный мониторинг всех объектов рентгеновского неба.

Нужно отметить, что сами разработчики достаточно осторожно относятся к своему проекту, признавая, что многие узлы и элементы требуют доработки и улучшения характеристик. Кроме того, у итальянской науки сейчас хватает проблем с финансированием. В то же время проведенные эксперименты показали, что если всё пойдет по плану и запуск обсерватории, намеченный на вторую половину десятилетия, состоится, то LOFT сможет существенно расширить наши представления о физике сколлапсировавших объектов, сильных магнитных полях, структуре нейтронных звезд, а также получить более точные значения уравнения состояния сверхплотной материи.

1. http://arxiv.org/abs/1008.1362

2. http://arxiv.org/abs/1008.1009

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: