Исследовательские спутники

Таблица 6.2

КА, которые планировалось комплектовать ЭРДУ с СПД

Исследовательские спутники

Информация, поставляемая исследовательскими спутниками (рис. 7.1, 7.2), дает представление: 1) о Земле как планете; 2) о Солнце; 3) о звездах и галактиках; 4) о межпланетной и даже о межзвездной среде. В значительно меньшей степени спутники Земли могут изучать планеты солнечной системы. Пункты 2, 3, 4 возможны по­тому, что аппаратура спутников может быть вынесена за пределы мешающих наземным обсерваториям преград – атмосферы и зем­ного магнитного поля.

Из огромного числа исследовательских спутников можно услов­но выделить две большие группы – геофизические спутники, пред­назначенные для исследования Земли (сюда не включаются метеорологические и тому подобные наблюдения), верхней атмосферы и околоземного космического пространства (в частности возмущений, производимых движущейся Землей в межпланетной среде), астро­номические и астрофизические спутники, задача которых – изу­чение далеких объектов: Солнца, звезд, галактик, межпланетной и межзвездной среды. Одни из спутников представляют собой уни­версальные орбитальные лаборатории, другие бывают узко специа­лизированы.

Первым универсальным геофизическим спутником был третий советский спутник (1958 г.). К подобным же спутникам относятся часть отечественных спутников серии «Космос» и спутников социали­стических стран «Интеркосмос», американские – серий «Эксплорер», OGO («Орбитальная геофизическая обсерватория») и другие.

Невозможно перечислить все спутники, занимавшиеся или за­нимающиеся сейчас исследованием атмосферы: с них началась кос­мическая эра. Позднее к СССР и США присоедини­лись другие страны, например в 1964 г., был запущен итальянский спутник «Сан-Марко», а в 1972 и 1974 гг. выведены спутники ФРГ серии «Аэрос» (во всех случаях использовались американские ра­кеты-носители). Иногда атмосферные спутники запускаются на орбиты, довольно далеко «высовывающиеся» из газовой оболочки Земли, что гарантирует более долгую продолжительность их суще­ствования. Например, у американских «Эксплорер-51, -55» (третьего и четвертого из специальных «Атмосферных Эксплореров») апогеи были на высотах 4300 км и 3200 км; имея бортовой двигатель, «Эксплорер-51» примерно 1—2 раза в месяц погружался в перигее на несколько дней до высоты 120 км.

Рис. 7.1. Отечественные исследовательские спутники: а — третий спутник;

б — «Протон-1»; в — «Интеркосмос-1»; г — спутник серии «Космос для магнитных измерений; д — спутник серии «Космос» для изучения верхней атмосферы; е — «Электрон-1»; ж — «Электрон-2».

Рис. 7.2. Иностранные исследовательские спутники: а — «Эксплорер-28» (США); б — «Эксплорер-42» (США); в — «Ариэль-4» (Великобритания); г — OGO-1 (США); д — OSO-1 (США); е — ОАО-1; ж — «Сан-Марко» (Италия); з — ANS (Нидерланды); и — сСнег-3» (Франция); к – TD-1; л — ISEE-2 (западноевропейские).

Большая часть геофизических спутников занята исследованием земной магнитосферы — области межпланетного про­странства, в которой движение заряженных частиц подчиняется не магнитному полю Солнца, а магнитному полю Земли. Маг­нитосфера имеет ширину в 60 земных радиусов и простирается на 600 млн. км в сторону, противоположную Солнцу (как хвост ко­меты). Постоянно истекающий из Солнца поток частиц — солнеч­ный ветер (Обычно вблизи земной орбиты в солнечном ветре на 1 см³ приходится 3-4 частицы, движущихся со скоростью 400 км/с, а во время повышенной активности Солнца — 15—20 при скорости 700-1000 км/с), наталкиваясь на магнитное поле, образует ударную вол­ну. На расстоянии примерно 10 радиусов Земли между Землей и Солнцем проходит магнитопауза — граница, внутри которой гос­подствует магнитное поле Земли. Через воронки на дневной сторо­не («полярные каспы») заряженные частицы проникают в верхнюю атмосферу над полюсами Земли и служат причиной полярных сияний.

Магнитосферу исследовали многие спутники серии «Космос». Про­хождение радиоволн в ионосфере исследовалось на спутниках «Космос-2, -142, -259, -378». Магнитную съемку проводили «Космос-26, -49, -321». Полярные сияния изучались спутниками «Космос-261, -348, -900», спутниками серии «Ореол» (аппаратура СССР и Франции) и другими. Такие спутники запускаются на низкие орбиты с боль­шим наклонением. На спутниках «Молния» (апогеи на высоте 40 000 км), в основном предназначенных для других целей, устанавливалась аппаратура для изучения свойств кольцевого тока на высоте 10 000 км.

Спутники зондируют магнитосферу в различных направлениях и на различных высотах. При этом одни дают разрез магнитосфе­ры по высоте (вытянутые эллиптические орбиты), а другие детально исследуют ситуацию на заданной высоте (околокруговые орбиты).

К числу первых можно отнести отечественные спутники «Электрон-1, -2» (у второго апогей на высоте 68 200 км) и семейство «Прогнозов» с апогеями на высотах порядка 200 000 км, находившимися в период запуска примерно на линии Земля — Солнце, западноевропейские HEOS-1, -2, направленные аналогично «Прогнозам» и на то же при­мерно расстояние. В той же стороне находятся на высоте 138 000 км апогеи американского спутника ISEE-1 и западноевропейского ISEE-2, запущенных 22 октября 1977 г. одной ракетой, причем вто­рой из них способен, включая в перигее двигатель, так варьировать свою орбиту, чтобы расстояние между обоими спутниками не пре­вышало 5000 км (через 3 года их орбиты стали круговыми), а 12 августа 1978 г. был запущен в окрестность точки либрации L₁системы Солнце — Земля аппарат ISEE-3, «сотрудни­чающий» с ISEE-1, -2. Все пере­численные спутники исследовали головную часть ударной волны и, «высовываясь» из магнитосферы, наблюдали за вспышками на Солн­це. Американский «Эксплорер-52» (апогей на высоте 125 000 км) про­резал магнитосферу над северным полюсом, а «Зксплорер-34» (апо­гей 214 000 км) имел орбиту, вытянутую в сторону от Солнца.

Ко второй группе относятся западноевропейские GEOS-2 (первый стационарный научный спутник) и QEOS-1 (расчетная орбита кото­рого должна была быть стационарной, а оказалась орбитой высотой 2 100-38 500 км), а также американские «Эксплорер-47, -50» (IMP-H, IMP-J), которые двигаются своеобразным дозором (один впереди другого на 90°), совершая один оборот за 12 суток по орбитам на высотах примерно от 200 000 до 300 000 км, т. е. движутся как вну­три, так и вне магнитосферы, давая информацию о невозмущенной межпланетной среде. Подобно этим последним для исследования маг­нитного шлейфа Земли могли бы послужить и «космические буи» в треугольных точках либрации L₄ и L₅,каждая из которых пере­секает шлейф ежемесячно в течение нескольких дней (они предлага­лись еще до открытия магнитного «хвоста» Земли).

Переходя к спутникам для изучения далеких областей Вселен­ной, заметим, что ценную информацию могут дать орбитальные лаборатории типа советских «Протонов», предназначенных для изу­чения взаимодействия космических лучей и частиц высоких энергий с веществом, находящимся на борту (17-тонный «Протон-4» содержал 12,5 т научной аппаратуры).

Собственно астрономическиминазываются спутники, которые снабжены телескопами для наблюдения электромагнитных излуче­ний небесных объектов в различных диапазонах: коротковолновом (ультрафиолетовом, рентгеновском, гамма-лучах), оптическом и длин­новолновом (инфракрасном и радиодиапазоне). Рентгеновское и гамма-излучения дают информацию о пульсарах, квазарах, чер­ных дырах, межзвездной среде. Все астрономические спутники стабилизируются или по трем осям, или, по крайней мере, вра­щаются вокруг одной оси, неизменно ориентированной в про­странстве.

Рентгеновские телескопы на спутниках первого поко­ления дали ценнейшую информацию, совершившую переворот в астрономии. К этим спутникам принадлежали отечественные «Космос-215» (1968 г.), «Космос-262» (1968 г.), «Космос-264» (1969 г.), «Космос-428» (1971 г.), «Космос-401» (1971 г.), американские спутники се­рии SAS («малые астрономические спутники», нумеровались также как «Эксплореры»), английский «Ариэль-5» (1974 г.), французские «Аура» (1975 г.) и «Снег-3» (1977 г., запущен советской ракетой), индийский «Ариабата» (1975 г., запущен советской ракетой), гол­ландский ANS (1974 г., запущен американской ракетой), западноев­ропейский COS-B (1975 г., американская ракета-носитель; орбита 316—116 000 км для избежания помех от пояса радиации), америка­но-западноевропейский IUE (1978 г., орбита 25 000 – 40 000 км).

13 ноября 1978 г. с мыса Канаверал, Флорида, США на ракете Атлас с разгонным блоком Центавр SLV-3D была запущена обсерватория HEAO-2 (High Energy Astronomy Observatory – астрономическая обсерватория высоких энергий) или обсерватория имени Эйнштейна — первая в мире орбитальная обсерватория с зеркалами, имеющими возможность фокусировать рентгеновские лучи. Принцип работы зеркал обсерватории основан на скользящем отражении рентгеновских фотонов, падающих на апертуру телескопа. До запуска обсерватория называлась HEAO-B, после успешного начала работы обсерватория была переименована в обсерваторию имени Эйнштейна.

«Эйнштейн» имел разрешающую способность порядка 5" и регистрировал рентгеновские кванты в диапазоне 200 эВ – 20 кэВ. Эта станция впервые осуществила высококачественное спектрографирование остатков сверхновых и открыла множество очень слабых внегалактических источников рентгеновского излучения. «Эйнштейн» проработал до апреля 1981 г., и стал первым рентгеновским телескопом.

1 декабря 1989 г. была запущена на высокоапогейную орбиту (апогей 200000 км, перигей 2000 км, период обращения 98 ч и угол наклонения орбиты 51,5 градусов) ракетой-носителем «Протон» международная астрофизическая обсерватория «Гранат» (Волновой диапазон – рентгеновские и гамма лучи), разработанная Россией совместно с Францией, Данией и Болгарией, с периодом обращения вокруг Земли 4 дня, из которых научные наблюдения проводились в течение 3 дней. Обсерватория работала на орбите более 9 лет до 25 мая 1999 г. При такой орбите возмущения, создаваемые Луной и Солнцем, со временем должны были существенно увеличить наклонение орбиты и уменьшить ее эксцентриситет (к моменту входа в атмосферу орбита КА была практически круговой).

В сентябре 1994 г., после практически 5 лет работы на орбите в режиме направленных наблюдений рабочее тело для двигателей разворота подошло к концу и обсерватория была переведена в режим сканирования. Передача данных с обсерватории была закончена 27 ноября 1998 г., обсерватория разрушилась при входе в атмосферу 25 мая 1999 г.

«Гранат» (рис. 7.3) представлял собой трёхосностабилизированный космический аппарат, последний из серии аппаратов класса Венера, произведенных в НПО им. Лавочкина. Аппарат был аналогичен орбитальной обсерватории «Астрон», работавшей в 1983-1989 гг. Вес космического аппарата 4,4 т, из них 2,3 т составлял вес научной аппаратуры. Длина космического аппарата 6,5 м, размах лопастей солнечных батарей 8,5 м. Энергопотребление научной аппаратуры составляло приблизительно 400 Вт.

На борту обсерватории «Гранат» было установлено семь инструментов, которые покрывали диапазон энергий от оптического (прибор «Подсолнух») до гамма (приборы «Фебус» и «Конус-Б»).

1. Телескоп жесткого рентгеновского диапазона SIGMA был произведен совместно Центром изучения Космических излучений (CESR, Тулуза, Франция) и Центром ядерных исследований (CeA, Сакле, Франция). Телескоп SIGMA был первым прибором на орбитальных обсерваториях, способным строить изображения в жестком рентгеновском диапазоне (40-1300 кэВ). Для построения изображений использовался принцип кодирующей апертуры. Эффективная площадь его детектора составляла около 800 см, эффективное поле зрения ~9° × 9° (поле зрения на максимуме чувствительности ~5° × 5°) . Угловое разрешение 15′, энергетическое разрешение 8 % на энергии 511 кэВ.

Рис. 7.3. Международная астрофизическая обсерватория «Гранат».: 1 – отсек научной аппаратуры; 2 – торовый приборный отсек; 3 – звездный датчик системы ориентации; 4 – солнечный датчик системы ориентации; 5 – малонаправленная антенна сантиметрового диапазона, 6 – малонаправленная антенна дециметрового диапазона, 7 – панели солнечных батарей, 8 – телескоп «Сигма» (Россия, Франция), 9 – телескоп АРТ-П (Россия), 10 – телескоп АРТ-С (Россия), 11 – прибор «Вотч» (Россия, Дания), 12 – прибор «Конус-Б» (Россия), 13 – прибор «Фебус» (Франция), 14 – прибор «Подсолнух» (Россия, Болгария), 15 – монитор заряженных частиц КС-18М (Россия)

2. Рентгеновский телескоп – позиционно-чувствительный АРТ-П был создан в Отделе астрофизики высоких энергий Института космических исследований АН СССР (Москва). Рабочий диапазон энергий телескопа 4-60 кэВ. Телескоп состоял из 4 идентичных модулей («голов»), каждая из которых содержала позиционно чувствительный газовый счётчик и кодирующую маску. Каждый модуль имел эффективную площадь около 600 см² и поле зрения 1,8° × 1,8°. Угловое разрешение телескопа АРТ-П – 5′, временное разрешение 3,9 мс, энергетическое разрешение 22 % на энергии 6 кэВ. Чувствительность телескопа за типичное время экспозиции 8 ч составляла примено 1 мКраб (0,001 доли от потока Крабовидной туманности – известного стандарта рентгеновской астрономии).

3. Рентгеновский спектрометр АРТ-С, также произведенный в ИКИ (Институте космических исследований), представлял собой коллимированный спектрометр с полем зрения 2° × 2°. Инструмент состоял из 4 отдельных модулей с многопроволочными пропорциональными газовыми счётчиками общей площадью 2,400 кв.см. на 10 кэВ и 800 кв.см. на 100 кэВ. Временное разрешение 200 мкс. В результате технических проблем прибор фактически не работал.

4. Детектор гамма всплесков PHEBUS («Фебус») был предоставлен Центром по изучению космических излучений (Сакле, Франция) для регистрации всплесковых событий на высоких энергиях (100 кеВ-100 МэВ). Он состоял из шести независимых детекторов – кристаллов германата висмута BGO диаметром 78 мм и толщиной 120 мм в окружении пластиковой антисовпадательной защиты. Кристаллы были расположены в разных местах спутника таким образом, чтобы осматривать все небо (4пи стерадиан). Всплесковый режим записи детекторов включался если скорость счёта детектора превышала 8 стандартных отклонений на шкалах времен 0.25 или 1.0 сек. События записывались в 116 энергетических каналах.

5. Монитор всего неба WATCH («Вотч»), созданный Датским институтом космических исследований являлся монитором всего неба в диапазоне энергий 6-180 кэВ. Работа прибора была основана на принципе вращающейся модуляции. Одновременно прибор покрывал примерно 75 % всего неба. Энергетическое разрешение прибора 30 % на 60 кэВ. В периоды между всплесками запись скорости счёта детектора велась с разрешением 4, 8 и 16 с (в зависимости от доступной телеметрии). Во время всплесков скорость счёта детекторов записывалась с разрешением 1 с в 36 энергетических каналах.

6. Инструмент «Конус-Б» был создан в Физико-техническом институте им. Иоффе (Санкт-Петербург) и состоял из семи детекторов, расположенных в разных местах космического аппарата. Рабочий диапазон энергий прибора 10 кэВ-8 МэВ. Каждый детектор прибора состоял из кристалла NaI(Tl) диаметром 200 мм и толщиной 50 мм, закрытого бериллиевым входным окном. Боковые грани кристаллов были закрыты 5 мм слоем свинца. Порог детектирования всплесков от 5 × 10^-7 до 5 × 10^-8 эрг/см²/с, в зависимости от времени нарастания потока всплеска. Спектры всплесков записывались двумя анализаторами пульсов в 31 энергетических каналах, первые 8 каналов записывались с временным разрешением 1/16 с, а для остальных каналов временное разрешение определялось доступной телеметрией. Инструмент «Конус-Б» работал с 11 декабря 1989 г. до 20 февраля 1990 г. За этот период инструмент задетектировал около 60 солнечных вспышек и 19 гамма-всплесков.

7. Российско-Болгарский прибор «Подсолнух» (TOURNESOL) состоял из четырёх пропорциональных счётчиков и двух оптических детекторов. Пропорциональные счётчики регистрировали фотоны в диапазоне энергий 2 кэВ-20 МэВ в поле зрения 6° × 6°. Оптические детекторы имели поле зрения 5° × 5°. Основной задачей инструмента был поиск послесвечений гамма-всплесков, а также спектральный анализ самих всплесков. Поворотная платформа прибора позволяла за достаточно короткое время перенаводить его основные инструменты в направлении на гамма-всплеск, обнаруженный, например, прибором «Конус-Б». Прибор фактически являлся предшественником современной обсерватории SWIFT, основные инструменты которой перенаводятся на гамма всплески, обнаруженные широкоугольным телескопом — монитором гамма всплесков.

В результате технических проблем прибор Подсолнух практически не работал в штатном режиме.

Научные результаты.Широкополосные спектры излучения аккрецирующей нейтронной звезды (GX5-1) и черной дыры (GRS 1758—258). Эти источники находятся на достаточно малом расстоянии друг о друга, так что их излучение впервые удалось разрешить только при помощи наблюдений обсерватории Гранат.

За первые четыре года направленных наблюдений «Гранат» провел наблюдения большого количества галактических и внегалактических источников, акцентируя особое внимание на получение глубоких (высокочувствительных) изображений области Центра Галактики, и получения высококачественных широкополосных спектров различных рентгеновских Новых. После 1994 г. обсерватория была переведена в режим сканирования. После этого, в период 1997—1998 гг. обсерватория провела последнюю серию наблюдений области Центра Галактики (в этой серии наблюдений был, например, открыт кандидат в черные дыры GRS 1737-31).

Изображение области Центра Галактики в диапазоне 12-17 кэВ, полученное телескопом АРТ-П обсерватории «Гранат». Белые контуры показывают распределение молекулярного газа. Показано, что рентгеновское излучение от молекулярного облака Sgr B2 рождается в результате переизлучения прошлой активности сверхмассивной черной дыры в центре Галактики.

Среди наиболее значимых результатов обсерватории необходимо отметить:

– глубокие изображения области Центра Галактики в жёстком рентгеновском 40-150 кэВ и 4-20 кэВ диапазонах, при помощи которых был открыт большой ряд неизвестных ранее черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике;

– открытие ряда кандидатов в черные дыры и нейтронных звезд. Среди них – один из наиболее загадочных источников на рентгеновском небе – первый обнаруженный микроквазар GRS 1915+105;

– открытие квазипериодических осцилляций рентгеновской яркости ряда аккрецирующих черных дыр в нашей Галактике, например, Лебедя X-1 и GX 339-4;

– открытие эмиссионных линий аннигиляции электронов и позитронов в спектрах излучения источников 1E1740-294 и GRS 1124—683;

– получение высококачественных широкополосных спектров ряда кандидатов в черные дыры и нейтронных звезд;

– открытие протяженного жесткого (8-22 кэВ) диффузного излучения вокруг Центра Галактики – эхо прошлой активности центральной сверхмассивной чёрной дыры Стрелец А.

В целом по результатам наблюдений обсерватории «Гранат» опубликовано более 400 статей в различных советских (российских) и зарубежных научных журналах. В научной литературе существует около 5000 работ со ссылками на результаты наблюдений обсерватории «Гранат».

После распада Советского Союза работы с обсерваторией «Гранат» столкнулись с двумя основными трудностями. Основная станция управления обсерваторией находилась в Евпатории (Крым), который после распада Советского Союза перешёл под юрисдикцию Украины, правительство которой значительно урезало финансирование работ станции.

Другой, не менее важной, проблемой стало общее недофинансирование работ по обсерватории, в результате которого даже при наличии рабочего тела для двигателей ориентации КА проводить направленные наблюдения не представлялось возможным. В течение последних лет работы обсерватории на орбите французская сторона некоторое время напрямую финансировала работы по управлению обсерваторией.

В 1980–1990-е гг. европейские страны, СССР и Япония отправили в космос немало рентгеновских спутников и телескопов (самым мощным из них был немецкий ROSAT с зеркалами 80-сантиметрового диаметра, действовавший в 1990–1999 гг.). Однако ни один из них не смог существенно улучшить качество наблюдений, сделанных «Эйнштейном». Астрономии XXI века был необходим инструмент, обладающий куда более широкими возможностями.

Рентгеновская обсерватория «Чандра» («Chandra», ранее этот спутник назывался AXAF – Advanced X-Ray Astrophysics Facility, рис. 7.4) была запущена НАСА 23 июля 1999 г. на борту шаттла «Колумбия» и еще в период своего начального тестирования и калибровки стала давать важные научные результаты. На обсерватории установлены два рентгеновских детектора со спектрометрами. По чувствительности и разрешающей способности они значительно превосходят все предшествующие инструменты. Свое название обсерватория получила в честь известного американского физика и астрофизика индийского происхождения (1910-1995), нобелевского лауреата (1983) Субраманьяна Чандрасекара. Обсерватория была задумана и предложена НАСА в 1976 г. Риккардо Джаккони и Харви Тананбаумом как развитие запускаемой в то время обсерватории HEAO-2/«Эйнштейн». Контракт на изготовление телескопа был утвержден лишь в 1988 г. (его получила калифорнийская компания TRW). В 1992 году, ввиду уменьшения финансирования, дизайн обсерватории был значительно изменен — убрали 4 рентгеновских зеркала из 12 запланированных и 2 фокальных приборов из 6 запланированных, а спустя четыре с небольшим года оптическая система телескопа была смонтирована и отправлена для проверки в Центр космических полетов имени Маршалла. Калибровка и испытания длились полгода и подтвердили, что зеркала и регистрирующая аппаратура сделаны безупречно и все модули полностью готовы к сборке. Тщательность изготовления зеркал этого телескопа до сих пор остается непревзойденной – ошибка полировки не превышает нескольких размеров атомов, а точность позиционирования общей почти трехметровой сборки покрытых иридием пластин составляет 1,3 мкм.

Рис. 7.4. Основные элементы орбитальной обсерватории «Чандра»

Стартовая масса обсерватории «Чандра» составляла 22 753 кг, что до сих пор является абсолютным рекордом массы, когда-либо выведенной в космос космическим челноком «Спейс Шаттл». Основную массу комплекса «Чандра» составляла ракета, позволившая вывести спутник на вытянутую рабочую орбиту с апогеем 139 200 км и перигеем 9 700 км.

12 августа 1999 г. телескоп открыл апертурную заслонку, а спустя пять дней прислал на Землю великолепное рентгеновское изображение исполинского облака раскаленного газа, образовавшегося после взрыва сверхновой звезды в созвездии Кассиопеи. С этого времени «Чандра» непрерывно работает в штатном режиме.

Обсерваторией «Чандра» проведены наблюдения остатка сверхновой Кассиопея А и была обнаружена оставшаяся от взрыва нейтронная звезда, которую ранее найти не удавалось. Сверхновая Кассиопея А вспыхнула примерно 300 лет назад и, странным образом, не была замечена астрономами XVI века. Также получено рентгеновское изображение струи из ядра далекого квазара и изображение горячей короны одной из звезд. Как ожидается, дальнейшие наблюдения на обсерватории «Чандра» принесут множество интересных результатов.

Информация, полученная этой орбитальной обсерваторией, свидетельствует, что в наблюдаемой Вселенной содержится никак не меньше 300 млн. черных дыр. В конце 2002 года «Чандра», опять-таки впервые, обнаружил две черные дыры, сосуществующие в пределах одной галактики. А годом позже он зарегистрировал рентгеновскую «подпись» звуковых волн чрезвычайно низкой частоты, исходящих от сверхмассивной дыры в галактическом скоплении Персея, расположенном в 250 млн. световых лет от Солнечной системы.

Обсерватория «Чандра» сразу же доказала, что она в состоянии работать как минимум в 50 раз лучше любого из своих предшественников. И в этом «Чандра» до сих пор не имеет равных.

В фокальной плоскости телескопа размещены два прибора – камера высокого разрешения и спектрометр. Детектирующее устройство камеры представляет собой две пластины величиной с открытку, на которых находится по 69 млн. тончайших трубочек из свинцового стекла. Удары рентгеновских квантов выбивают из них электроны, которые ускоряются электрическим полем и порождают электронные ливни. Регистрация этих сигналов позволяет определить, сколько квантов падает на каждую трубочку, и на этой основе компьютер формирует изображение объекта. В спектрометре задействованы чувствительные ПЗС-матрицы, которые не только «рисуют» картинки, но и измеряют энергию приходящего излучения. Для большей точности телескоп оснащен двумя дифракционными спектрометрами, один из них работает в диапазоне от 80 эВ до 2 кэВ, а второй – от 400 эВ до 10 кэВ. Полученная информация хранится в цифровой памяти и периодически отсылается на Землю. Несмотря на большое количество приборов, станция весом в 4,8 т потребляет по земным меркам не так уж много энергии – две трехпанельные полупроводниковые солнечные батареи обеспечивают ее мощностью в 2 350 Вт.

Рентгеновский телескоп «Чандра» (рис. 7.5) состоит из двух наборов зеркал косого падения — четырех параболических, вставленных друг в друга, и четырех — гиперболических, установленных таким же образом. Диаметры зеркал составляют от 0,6 до 1,2 м.

В состав обсерватории «Чандра» входит следующая аппаратура:

– камера высокого разрешения HRC (High Resolution Camera), которая имеет широкое поле зрения и высокое угловое разрешение. Прибор является развитием регистрирующего детектора, работающего на обсерватории HEAO-2. Угловое/пространственное разрешение инструмента составляет около 0,2", что немного лучше, чем качество изображения, создаваемое рентгеновскими зеркалами обсерватории (0,3-0,4"). Дополнительным преимуществом приемника HRC является его способность регистрировать большое количество фотонов в секунду, что очень важно для наблюдения ярких объектов, таких как чёрные дыры или нейтронные звезды в нашей Галактике.

– спектрометры (ACIS, AXAF CCD Imaging Spectrometer) предназначенные для построения изображений рентгеновских объектов с одновременным определением энергии каждого фотона. Принцип работы спектрометров основан на приборах с зарядовой связью (ПЗС, CCD). Приборы являются развитием ПЗС-фотометров, разработанных в Массачусетском технологическом институте и впервые запущенных в японской обсерватории ASCA.

Рис. 7.5. Схема оптической системы рентгеновской обсерватории «Чандра»

– дифракционные решётки LETG (Low Energy Transmission Grating – диффракционная решетка для мягких рентгеновских лучей) / HETG (High Energy Transmission Grating – диффракционная решетка для рентгеновских лучей), отклоняющие рентгеновские лучи на разные углы в зависимости от их энергии для получения спектроскопии высокого разрешения на обсерватории. Отклонённые рентгеновские лучи регистрируются детекторами HRC-S. Высокое энергетическое разрешение, достигаемое при помощи дифракционных решёток, позволяет в деталях исследовать, например, свойства межзвёздной среды в нашей и других галактиках.

Обсерватория «Чандра» обладает невиданным доселе в области высоких энергий угловым разрешением – 0.5". Поэтому ее результаты более известны: их легче представить в наглядной форме. «Чандра», в первую очередь, получает потрясающие рентгеновские снимки, на спутнике, конечно, есть и спектральная аппаратура. Взаимная дополняемость обсерваторий была недавно продемонстрирована на примере исследования звезд в созвездии Близнецов — Кастор А и Б. «Чандра» обладает единственным в мире телескопом, который может дать исчерпывающую информацию об этой звездной паре и даже разглядеть третий компонент. На самом деле Кастор — шестикратная система, каждый из трех ее компаньонов, в свою очередь, является тесной двойной системой, что для рентгеновской аппаратуры пока недоступно. Получить нужные спектры звезд в отдельности спутник не смог. Однако совместные наблюдения на обсерваториях американской «Чандра» и европейской «ИксММ-Ньютон» дали ученым хорошие рентгеновские спектры обеих звезд и помогли изучить некоторые другие их свойства. Благодаря своему высокому угловому разрешению и высокой проницающей способности «Чандра» предоставила возможность впервые детально исследовать популяции рентгеновских источников за пределами Местной группы.

Европейская обсерватория «ИксММ-Ньютон» (ХММ) была запущена в декабре 1999 г. Спутники «Чандра» «ИксММ-Ньютон» совершили большой шаг вперед в развитии рентгеновских наблюдений, их эффективность на порядок превышает возможности приборов предыдущих КА. Эти обсерватории не дублируют, а дополняют друг друга, так как их создатели максимизировали разные параметры инструментов. Благодаря рекордной собирающей площади телескопа — 4650 см² (аналог площади объектива у обычных телескопов) — «ИксММ-Ньютон» может фиксировать спектры очень высокого качества для рентгеновского диапазона – обеспечивает разрешение в 5–14", однако в 10 раз ниже чем у американской обсерватории «Чандра». Наблюдая остаток сверхновой, «ИксММ-Ньютон» может рассмотреть, как в ней распределены различные химические элементы. Обсерватория «ИксММ-Ньютон» внесла неоценимый вклад в развитие современной астрономии и изучение широчайшего класса объектов – от комет и планет Солнечной системы, рентгеновских двойных нашей Галактики до далеких скоплений галактик. Планируется поддерживать функционирование обсерватории как минимум до конца 2012 г.

В ближайшем будущем «Чандра» продолжит удивлять астрономов. Согласно прогнозам НАСА, он проработает не меньше пяти лет, и деньги на это уже заложены в бюджеты. В настоящее время у обсерватории «Чандра» нет дефицита электроэнергии, нехватки ракетного топлива. Орбита обсерватории вполне стабильна, и все основные блоки функционируют нормально. Можно предположить, что «Чандра» будет работать еще не меньше десяти лет.

Гамма-телескопы, имевшиеся на некоторых из этих спутников, были всенаправленными и дали гораздо меньше информации, чем рентгеновские. Гораздо более совершенной рентгеновской и гамма-аппаратурой обладали американские астрономические спутники второго поколения серии НЕАО. Они имели длину 5,8 м, диаметр 2,1 м и массу более 3 т каждый и должны были выводиться на круговые орбиты высотой от 420 до 460 км (первый был запущен в апреле 1977 г.). Их приборы сканировали небесную сферу, медленно вращаясь вокруг оси, направленной на Солнце, но они могли и детально «рассмо­треть» уже обнаруженные рентгеновские источники. Спутники НЕАО были способны обнаруживать в миллион раз более слабые рентгеновские источники, чем выведенный в 1970 г. спутник SAS-1 (он же «Эксплорер-42», он же «Ухуру»).

Современные гамма-телескопы дают возможность получить высококачественную карту неба в гамма лучах выше 100 МэВ.

Обсерватория «Комптон» (Compton Gamma Ray Observatory – CGRO) была запущена на космическом челноке Атлантис (миссия STS-37) 5 апреля 1991 года и работала до 4 июня 2000 года. Обсерватория названа в честь Артура Комптона, лауреата нобелевской премии по физике. Она произведена компанией TRW (сейчас — Нортроп Грумман). На то время обсерватория была самой большой полезной нагрузкой (17 т), когда либо запущенной космическими челноками (после запуска обсерватории «Чандра» с разгонным блоком, рекорд перешел к ней).

В состав обсерватории «Комптон» входили 4 основных инструмента, совместно покрывающих энергетический диапазон от 20 кэВ до 30 ГэВ:

– инструмент для исследования вспышечных и транзиентных событий Burst and Transient Source Experiment (BATSE) был предназначен для обнаружения коротких всплесков (например, гамма всплесков), а также имел возможность проводить обзоры всего неба. Типичная частота регистрации всплесков инструментом BATSE – примерно один в день;

– направленный сцинтилляционный спектрометр Oriented Scintillation Spectrometer Experiment, (OSSE) регистрировал гамма лучи, попадающие в поле зрения спектрометра, ограниченное коллиматором размером 3,8° ×11,4° FWHM;

– комптоновский телескоп Imaging Compton Telescope, (COMPTEL) был предназначен для определения направления прихода фотонов в диапазоне 0,75-30 МэВ с точностью около градуса. Поле зрения прибора составляло около одного стерадиана;

– гамма-телескоп высоких энергий Energetic Gamma Ray Experiment Telescope, (EGRET) регистрировал гамма лучи в диапазоне от 20 МэВ до 30 ГэВ с угловым разрешением в доли градуса и энергетическим разрешением в 15 %.

К основным результатам работы обсерватории «Комптон» являются:

– высококачественная карта неба в гамма лучах выше 100 МэВ, полученная телескопом EGRET. За четыре года работы инструмента EGRET был обнаружен 271 источник, из которых природу 170 установить не удалось;

– телескопом COMPTEL впервые получена карта галактики в линии излучения радиоактивного алюминия 26Al, образующегося при взрывах сверхновых;

– при помощи инструмента OSSE были получены самые лучшие на сегодняшний день спектры различных галактических и внегалактических источников в энергетическом диапазоне до 1 МэВ;

– инструментом BATSE было обнаружено более 3000 гамма всплесков (самый большой набор гамма всплесков до настоящего времени, что впервые позволило провести ряд важных статистических исследований гамма всплесков. Среди прочего удалось показать, что пространственное распределение гамма всплесков очень однородно на небе и они делятся на два больших семейства, со средней длительностью менее и более 2 секунд. Согласно современным представлениям разделение по длительности гамма всплсков связано с различием в природе астрофизических объектов, взрывы в которых приводят к гамма всплескам (слияние двойных черных дыр или нейтронных звезд и коллапс массивной звезды);

– при помощи инструмента BATSE был проведен наилучший на настоящий момент мониторинг рентгеновских пульсаров, позволивший провести ряд важных тестов различных астрофизических моделей аккрецирующих нейтронных звёзд;

– открыты короткие гамма всплески от грозовых облаков в земной атмосфере.

В настоящее время в космосе работает гамма-телескоп GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), который 11 июня 2008 г. был выведен на орбиту высотой 550 км американской ракетой «Дельта-2» вариант 7920-H, а 26 августа 2008 г. был переименован Fermi Gamma-ray Space Telescope (Космический гамма-телескоп «Ферми», рис. 7.6) в честь физика Энрико Ферми. Данная миссия является совместным проектом НАСА, Министерства энергетики США и правительственных агентств Франции, Италии, Японии и Швеции.

Космическая обсерватория «Ферми» (GLAST) массой 4303 кг предназначена для изучения больших областей космоса в диапазоне гамма-излучения с низкой земной орбиты. Объектами наблюдения «Ферми» являются: активные ядра галактик, чёрные дыры, нейтронные звёзды, пульсары, микроквазары, космические лучи и остатки сверхновых, галактика Млечный путь, наша Солнечная система, ранняя Вселенная, тёмная материя и другие высокоэнергетические источники.

Одной из важнейших задач этого проекта является обнаружение гамма-лучей, возникающих при аннигиляции частиц темного вещества. Не исключено, что именно данные с GLAST сыграют ключевую роль в разгадке тайны темной материи.

В состав обсерватории «Ферми» входят следующие инструменты:

– гамма телескоп Large Area Telescope (LAT) предназначен для наблюдений в диапазоне энергий от нескольких десятков МэВ до сотен ГэВ. Чувствительность на энергии 100 МэВ будет в 50 раз выше, чем у его предшественника EGRET, Комптоновской обсерватории. При этом LAT получает гораздо более четкие изображения и лучше определяет координаты источников;

– прибор для регистрации гамма-всплесков GLAST Burst Monitor (GBM). Ожидается, что он будет регистрировать около 200 событий в год. Это немного, но задача простого увеличения числа известных всплесков перед ним и не ставится. Интереснее детально разобраться с тем, как гамма-всплески светят в жестком гамма-диапазоне, на энергии порядка ГэВ. Комптоновская обсерватория увидела несколько очень жестких всплесков, но вопросов осталось больше, чем ответов.

В настоящее время телескоп «Ферми» обращается вокруг Земли на высоте 565 километров. Оценочное время его эксплуатации – от пяти до десяти лет.

Оптические телескопы помещались на американских спут­никах серии ОАО (Орбитальная астрономическая обсерватория – Orbiting Astronomical Observatory). Наиболее совершенным из них был спутник ОАО-3 «Коперник» (21 августа 1972 г., орбита 739 - 751 км, масса 2 220 кг). Его система стабилизации была рассчитана на точность наведения в течение часа с точностью 0,1" (фактически оказалось даже 0,03").

Обсерватория была создана в сотрудничестве НАСА и британского Совета по науке и прикладным исследованиям (SERC), на её борту находились детектор рентгеновского излучения созданный в Муллардской космической научно-исследовательской лаборатории при Лондонском Университете-Колледже и 80-сантиметровый ультрафиолетовый телескоп Принстонского университета. После запуска обсерваторию назвали «Коперник» в ознаменование 500-летней годовщины со дня рождения Николая Коперника.

Эксплуатация «Коперник» продолжалась до февраля 1981 г., в ходе миссии были получены высококачественные спектры сотен звёзд, проведены обширные исследования в рентгеновском диапазоне волн. Среди множества открытий сделанных при помощи «Коперника» – обнаружение нескольких долговременных пульсаров с периодом обращения в несколько минут (обычный период обращения для пульсара составляет секунды и доли секунд).

В начале 1983 г. США намечали вывести с помощью «Спейс Шаттла» на круговую орбиту вы­сотой 520 км телескоп длиной 14 м с диаметром зеркала 2,4 м, который получил имя Эдвина Хаббла.

Телескоп, управляемый наземным оператором, должен был удер­живать заданное направление с точностью 9,007" и позволял наблю­дать объекты, удаленные на 14 млрд. св. лет (сейчас на Земле — лишь 2 млрд. св. лет). Угловое разрешение 0,1" позволяло различить на Юпитере детали размером 300 км. Однако шаттл «Дискавери» STS-31 с телескопом «Хаббл» стартовал 24 апреля 1990 г. и на следующий день вывел телескоп на расчётную орбиту.

На момент запуска на борту телескопа были установлены шесть научных приборов:

Широкоугольная и планетарная камера. Камера была сконструирована в Лаборатории реактивного движения НАСА. Она была оснащена набором из 48 светофильтров для выделения участков спектра, представляющих особый интерес для астрофизических наблюдений. Прибор имел 8 ПЗС-матриц, разделённых между двумя камерами, каждая из которых использовала по 4 матрицы. Широкоугольная камера обладала большим углом обзора, в то время как планетарная камера имела большее фокусное расстояние и, следовательно, давала большее увеличение.

Спектрограф высокого разрешения Годдарда. Спектрограф предназначался для работы в ультрафиолетовом диапазоне. Прибор был создан в Центре космических полётов Годдарда и мог работать со спектральными разрешениями величиной около 2000, 20 000 и 100 000.

Камера съёмки тусклых объектов. Прибор разработан ЕКА. Камера предназначалась для съёмки объектов в ультрафиолетовом диапазоне с высоким разрешением до 0,05".

Спектрограф тусклых объектов. Предназначался для исследования особо тусклых объектов в ультрафиолетовом диапазоне.

Высокоскоростной фотометр. Создан в Университете Висконсина, разработка финансировалась НАСА. Предназначался для наблюдений за переменными звёздами и другими объектами с изменяющейся яркостью. Мог делать до 10 000 замеров в секунду с погрешностью около 2 %.

Датчики точного наведения (Fine Guidance Sensors), также могут использоваться в научных целях, обеспечивая астрометрию с миллисекундной точностью. Это позволяет находить параллакс и собственное движение объектов с точностью до 0,2 угловой миллисекунды и наблюдать орбиты двойных звёзд с угловым диаметром до 12 миллисекунд.

Телескоп «Хаббл» (рис. 7.7, табл. 7.1) имеет модульную структуру, состоящую из пяти отсеков для различных приборов. Также на телескопе установлены зеркало и две солнечные батареи.

Таблица 7.1

Характеристики телескопа «Хаббл»

Рис. 7.7. Устройство космического телескопа «Хаббл»

Уже в первые недели после начала работы полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе телескопа. Хотя качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости, и разрешение снимков было значительно хуже ожидаемого. Изображения точечных источников имели радиус свыше одной секунды дуги вместо фокусировки в окружность 0,1 секунды в диаметре, согласно спецификации.

Техническое обслуживание «Хаббла» производилось во время выходов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».

Всего были осуществлены четыре экспедиции по обслуживанию телескопа «Хаббл» (табл. 7.2), одна из которых была разбита на два вылета.

Работы на телескопе во время первой экспедиции. В связи с выявившимся дефектом зеркала значение первой экспедиции по обслуживанию было особенно велико, поскольку она должна была установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2—13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю, в её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос.

Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, широкоугольная и планетарная камера — на новую модель (WFPC2) с системой внутренней оптической коррекции. Камера имела три квадратных ПЗС-матрицы, соединённых углом, и меньшую «планетарную» матрицу более высокого разрешения в четвёртом углу. Поэтому снимки камеры имеют характерную форму выщербленного квадрата.

Кроме этого, были заменены солнечные батареи и системы управления приводами батарей, четыре гироскопа системы наведения, два магнитометра и обновлён бортовой вычислительный комплекс. Также была произведена коррекция орбиты, необходимая из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы.

31 января 1994 года НАСА объявило об успехе миссии и продемонстрировало первые снимки значительно лучшего качества. Успешное завершение экспедиции было крупным достижением, как для НАСА, так и для астрономов, которые получили в своё распоряжение полноценный инструмент.

Вторая экспедиция. Второе техобслуживание было произведено 11—21 февраля 1997 года в рамках миссии «Дискавери» STS-82. Спектрограф Годдарда и Спектрограф тусклых объектов были заменены на Регистрирующий спектрограф космического телескопа (англ. Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS) и Камеру и мульти-объектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer, NICMOS).

NICMOS позволяет проводить наблюдения и спектрометрию в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,5 мкм. Для получения необходимых низких температур детектор прибора помещён в сосуд Дьюара и охлаждается жидким азотом.

STIS имеет рабочий диапазон 115—1000 нм и позволяет вести двумерную спектрографию, то есть получать спектр одновременно нескольких объектов в поле зрения.

Был также заменён бортовой регистратор, произведён ремонт теплоизоляции и выполнена коррекция орбиты.

Третья экспедиция (A). Экспедиция 3A («Дискавери» STS-103) состоялась 19—27 декабря 1999 года, после того, как было принято решение о досрочном проведении части работ по программе третьего сервисного обслуживания. Это было вызвано тем, что три из шести гироскопов системы наведения вышли из строя. Четвёртый гироскоп отказал за несколько недель до полёта, сделав телескоп непригодным для наблюдений. Экспедиция заменила все шесть гироскопов, датчик точного наведения и бортовой компьютер. Новый компьютер использовал процессор Intel 80486 в специальном исполнении — с повышенной устойчивостью к радиации. Это позволило производить часть вычислений, выполнявшихся ранее на земле, при помощи бортового комплекса.

Третья экспедиция (B).«Хаббл» в грузовом отсеке шаттла перед возвращением на орбиту, на фоне восходящей Земли. Экспедиция STS-109.

Экспедиция 3B (четвёртая миссия) выполнена 1—12 марта 2002 года, полёт «Колумбия» STS-109. В ходе экспедиции камера съёмки тусклых объектов была заменена на усовершенствованную обзорную камеру (англ. Advanced Camera for Surveys, ACS) и восстановлено функционирование Камеры и спектрометра околоинфракрасного диапазона, в системе охлаждения которого в 1999 году закончился жидкий азот.

Были во второй раз заменены солнечные батареи. Новые панели были на треть меньше по площади, что значительно уменьшило потери на трение в атмосфере, но при этом вырабатывали на 30 % больше энергии, благодаря чему стала возможна одновременная работа со всеми приборами, установленными на борту обсерватории. Также был заменён узел распределения энергии, что потребовало полного выключения электропитания на борту — впервые с момента запуска.

Произведённые работы существенно расширили возможности телескопа. Два прибора, введённые в строй в ходе работ — ACS и NICMOS, позволили получить изображения глубокого космоса.

Четвёртая экспедиция.Это реальное пятое и последнее техобслуживание (SM4) было произведено 11—24 мая 2009 года, в рамках миссии «Атлантис» STS-125. Ремонт включал замену одного из трёх датчиков точного наведения, всех гироскопов, установку новых аккумуляторов, блока форматирования данных и починку теплоизоляции. Также была восстановлена работоспособность усовершенствованной обзорной камеры и регистрирующего спектрографа и были установлены новые приборы.

В ходе ремонта были полностью устранены неисправности, при этом на «Хаббл» были установлены два совершенно новых прибора: Ультрафиолетовый спектрограф (англ. Cosmic Origin Spectrograph, COS) был установлен вместо системы COSTAR. Поскольку все находящиеся на данный момент на борту приборы имеют встроенные средства корректировки дефекта главного зеркала, надобность в системе отпала. Широкоугольная камера WFC2 была заменена на новую модель — WFC3 (Wide Field Camera 3), которая отличается большим разрешением и чувствительностью, особенно в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.

Достижения. Столпы творения — один из самых известных снимков, полученных телескопом. Рождение новых звёзд в Туманности Орёл.

За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 1 млн. изображений 22 тыс. небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежемесячно генерирует в процессе наблюдений, превышает 80 ГБ. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, составляет примерно 50 терабайт. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных этого телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов Хаббла. Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа.

Таблица 7.2