Первый «учебный» месяц ART-XC

Чтобы получить хорошие научные результаты, требуется не только создать уникальную научную установку — нужно еще приобрести достаточный опыт в её использовании, выяснить все тонкости и научиться максимально использовать ее сильные стороны.

Основной задачей нашей команды в этом сентябре было научиться проводить обзоры неба с ART-XC. Конечно, перед запуском мы занимались компьютерным моделированием и оптимизацией предстоящих наблюдений, но в этих симуляциях оставалось достаточно много неучтенных факторов — так, например, никто никогда не измерял влияние фона заряженных частиц в районе точки L2 на рентгеновские детекторы. А именно от величины этого фона зависит какую стратегию проведения обзоров предпочесть — стараться увидеть больше слабых источников на небольшой площади или за то же время покрывать большие части неба, детектируя более яркие. В начале сентября был проведен глубокий обзор спирального рукава Галактики в созвездии Наугольника — области богатой массивными двойными рентгеновскими системами. Затем, мы переключили свое внимание на проведение большого — 40 квадратных градусов! (т.е. занимающего на небе площадь в 200 больше чем площадь Луны) — обзора Галактического центра. Поскольку большая часть массы Млечного Пути лежит в этом направлении, плотность рентгеновских источников в Галактическом центре наибольшая. А так как многие из этих источников сильнопеременные, то в эту область всегда интересно смотреть — а вдруг что-нибудь новое вспыхнет!

Кроме двух этих глубоких обзоров, совместно со вторым телескопом обсерватории СРГ — eRosita — были проведены наблюдения, имитирующие предстоящий обзор всего неба. Во время этих тренировочных наблюдений космический аппарат сделал несколько полных оборотов вокруг оси, соединяющей Солнце и Землю (при таком вращении солнечные батареи аппарата все время смотрят на Солнце), сначала в одну, а потом и в другую сторону — всего эти обороты покрыли на небе полосу шириной в 1.5 градуса. Данные, полученные во время этих тренировочных оборотов помогли проверить как работает система ориентации обсерватории в таком режиме.

Всего, за сентябрь ART-XC покрыл наблюдениями несколько процентов неба — многообещающий старт! Для наглядности, мы построили карту неба в галактических координатах, на которую нанесли все зарегистрированные рентгеновские фотоны: чем ярче цвет на карте, тем больше фотонов пришло с этого направления на небе. Желтыми звездочками на карте показаны полюса эклиптики — каждый оборот обсерватории во время обзора будет проходить рядом с ними, так что после окончания четырехлетнего обзора в этих областях будет накоплена наибольшая экспозиция, а пока через них прошли только наши пробные «сканы». Яркие площадки, разбросанные по карте соответствуют точечным источникам, которые наблюдались в режиме прямого наведения, а узкие «дорожки», их соединяющие — следы перенаведений телескопа. В центре карты — Галактический центр, прямо над ним — Sco X-1 — ярчайший рентгеновский источник на небе, с которого и началась история рентгеновской астрономии, слева от него — 3C390.3, яркий квазар, а справа, под плоскостью Галактики — Крабовидная туманность, один из наиболее часто используемых калибровочных источников.

Близкие барстеры и Мышка в центре Галактики или несколько слов о важности углового разрешения

Одной из важнейших характеристик рентгеновского телескопа является его угловое разрешение — способность разделить две близкие звезды. При этом, поскольку рентгеновские телескопы всегда работают в тяжелых радиационных условиях, с большим фоном заряженных частиц, хорошее угловое разрешение позволяет видеть более тусклые объекты. Зеркала, работающие в стандартном рентгеновском диапазоне (0.5-10 кэВ), используются давно: еще в 1978 году была запущена Обсерватория им. Эйнштейна с первым зеркальным рентгеновским телескопом. Однако изготовление зеркал для более жесткого рентгеновского диапазона долго оставалось недосягаемой мечтой астрофизиков. Чем выше энергия фотона, тем под меньшим углом он должен упасть на поверхность зеркала, чтобы отразиться — точно так же, как брошенный камень отражается от поверхности воды. Из-за этого такие телескопы получаются длиннее и тяжелее. К тому же появляются дополнительные проблемы, связанные с подбором оптимального покрытия зеркал и их тонкой полировкой.
В 1989 году была запущена астрофизическая обсерватория ГРАНАТ, на борту которой работал рентгеновский телескоп АРТ-П, разработанный в ИКИ РАН. Вместо зеркал в нем использовалась кодирующая апертура — специальный метод, позволяющий получать неплохие изображения неба, полагаясь вместо сложной оптики на не менее сложную математику. Тогда удалось достичь углового разрешения в 5 минут дуги в диапазоне 3-20 кэВ. Чтобы сравнить АРТ-П с ART-XC, мы построили изображение участка неба вблизи центра Галактики, где расположены две яркие и близкие (на небе, на самом деле эти объекты весьма далеки друг от друга) маломассивные рентгеновские двойные системы — SLX 1744-299 и SLX 1744-300. Угловое расстояние между ними — всего 2.6 минуты, так что АРТ-П не мог их разрешить: вместо двух «звездочек», он показывал одну, но вытянутую в правильном направлении. ART-XC же, за счет гораздо более совершенной оптической системы, легко разделяет оба источника. А благодаря существенно возросшей чувствительности видит в этом поле еще один источник — плерион (туманность, подпитываемую ветром энергичного пульсара, расположенного в ее центре) Мышка, названный так за длинный хвост, хорошо видимый в радиодиапазоне.

Также, для сравнения мы привели данные телескопа NuSTAR, запущенного в 2012 году. NuSTAR обладает самыми совершенными зеркалами, предназначенными для жесткого рентгеновского диапазона — вплоть до 78 кэВ! Его угловое разрешение — 18 угловых секунд (FWHM — полная ширина пятна на половинной амплитуде), в то время как у ART-XC — около 30 секунд. Впрочем, у этих телескопов совершенно разные задачи — главной задачей ART-XC является проведение обзора всего неба — именно поэтому у него большое поле зрения — 36 угловых минут в диаметре, тогда как у NuSTAR, который создавался для изучения отдельных, самых интересных источников, поле зрения в семь раз меньше. И мы, конечно, надеемся, что в числе целей NuSTAR уже скоро появятся источники открытые ART-XC.

Кстати, обе эти маломассивные системы являются барстерами — компактными объектами в них являются нейтронные звезды, на поверхностях которых иногда происходят термоядерные взрывы. И один такой взрыв, от SLX 1744-300, мы уже увидели с помощью телескопа ART-XC.

Что увидела обсерватория СРГ на кусочке внегалактического неба: eROSITA «открывает» свой первый глаз

Орбитальная обсерватория «Спектр-РГ» (СРГ) провела важный тест, исследовав небольшой участок внегалактического неба одним из семи модулей телескопа eROSITA. Результаты хорошо согласуются с предполетными ожиданиями.

Сейчас идет работа по проверкам и отладкам других шести модулей. Она будет завершена в течение нескольких недель до перехода к началу калибровок и последующего четырехлетнего периода сканирования всего неба.

Обсерватория СРГ была запущена с космодрома Байконур 13 июля 2019 г. ракетой-носителем «Протон-М» и разгонным блоком ДМ-03. В настоящее время она находится в окрестности точки Лагранжа L2 системы «Солнце-Земля», примерно в 1,6 млн. км от Земли. Планируется, что обсерватория будет проводить наблюдения в течении шести с половиной лет, оставаясь на протяженной орбите вокруг точки L2. В течение первых четырех лет она будет сканировать небо так же, как и ее предшественники: космические обсерватории ROSAT, WMAP, «Планк» и «Гайа».

В состав обсерватории СРГ входят два рентгеновских телескопа: eROSITA (разработан Институтом внеземной физики Общества им. Макса Планка, MPE, Германия), чувствительный к мягким рентгеновским лучам, и ART-XC (разработан в Институте космических исследований РАН, ИКИ РАН, Россия), работает на более высоких энергиях.

Основная цель миссии — построить карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью и обнаружить около 3 миллионов аккрецирующих сверхмассивных черных дыр, 100 000 скоплений галактик, многочисленные рентгеновские двойные системы, яркие в рентгеновских лучах звезды, а также построить карты диффузного излучения Галактики.

Успех миссии зависит как от чувствительности самих телескопов, так и от способности обсерватории проводить наблюдения непрерывно по 24 часа в сутки в течение четырех лет. Очень важна роль наземных пунктов, принимающих эти данные.

К радости команд, работающих с обсерваторией СРГ в России и в Германии, первые испытания были успешными для телескопа АРТ-XC, а теперь и для телескопа eROSITA.

Результаты наблюдений небольшого участка внегалактического неба 26 и 27 августа 2019 г. телескопом eROSITA/СРГ
Результаты наблюдений небольшого участка внегалактического неба 26 и 27 августа 2019 г. телескопом eROSITA/СРГ

На рисунке показаны результаты наблюдений небольшого участка внегалактического неба 2×2 градуса, наблюдавшегося 26 и 27 августа 2019 года. Центральный участок этого поля размером ~ 1×1 градус известен астрофизикам как UDS (Ultra Deep Survey. т.е. зона Сверхглубокого Обзора). Полученное изображение содержит сотни рентгеновских источников. Оно было получено в результате комбинирования нескольких точечных наблюдений и наблюдений в режиме сканирования. Эффективная экспозиция в центре поля эквивалентна 6 тысячам секунд (примерно два часа) наблюдений всеми семью модулями телескопа eROSITA.

Большинство из сотен видимых на изображении объектов представляют собой квазары (сверхмассивные черные дыры, излучающие за счет выделения гравитационной энергии веществом, падающим в черную дыру). Они настолько ярки в рентгеновских лучах, что видны даже на космологических расстояниях. Часть объектов отождествляется с активными ядрами не слишком далеких галактик и даже со звездами с очень яркими рентгеновскими коронами в нашей Галактике.

Очень яркое диффузное пятно в верхнем правом углу — массивное скопление галактик на красном смещении z = 0.139, известное как ACO 329. Скопления галактик представляют собой одни из самых массивных объектов Вселенной. Около 85% их массы составляет «темное вещество» неизвестной природы и лишь около 15% вносит привычное барионное вещество, сосредоточенное в звездах тысяч галактик скопления (свет которых мы видим в оптических лучах) и разреженном горячем межгалактическом газе с температурой в десятки миллионов градусов, излучающем в рентгеновских лучах. Именно эти рентгеновские лучи видит eROSITA на спутнике СРГ.

Только один из семи модулей телескопа eROSITA участвовал в этих тестовых наблюдениях в рамках первоначальных испытаний. Несмотря на то, что обсерватория СРГ пока еще не работает на полную мощность, оценки чувствительности (пока лишь одного из детекторов) подтверждены.
Одновременные наблюдения телескопами eROSITA и АРТ-XC позволят получить спектры ярких источников в широком энергетическом диапазоне, что позволит быстро классифицировать их.

Первые изображения, полученные обоими телескопами, пока не исследованы досконально. Но они уже продемонстрировали потенциал орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» и показали, что надежды астрофизиков на открытие большого числа новых рентгеновских источников в ходе обзора всего неба не лишены оснований.

Эффективная работа коллективов НПО им. Лавочкина и других предприятий, создавших платформу «Навигатор» для СРГ и управляющих его работой, специалистов на громадных антеннах в Медвежьих Озерах и Уссурийске, принимающих информацию и посылающих команды для приборов, инженеров и ученых в ИКИ и MPE, дала свои первые плоды. Они вселяют уверенность в реальность построения подробнейших рентгеновских карт Вселенной.

Эта новость печатается по поручению Российского и Германского консорциумов телескопа СРГ/eROSITA.

10.09.2019 A glimpse of extragalactic sky with the SRG Observatory: eROSITA opens its first eye. Пресс-релиз Института внеземной физики Общества им. Макса Планка

«Первый свет» ART-XC: «телескоп работает так, как мы ожидали»

30 июля 2019 года получен «первый свет» — первое рентгеновское изображение российского телескопа ART-XC на борту обсерватории «Спектр-РГ».

Телескоп наблюдал небольшую часть неба размером ~0.3 град2, в которой расположена двойная система Cen X-3. Система состоит из нейтронной звезды (рентгеновского пульсара с периодом вращения 4.84 секунды), которая вращается вокруг звезды — массивного голубого сверхгиганта спектрального класса О. Двойная система находится на расстоянии ~18.6 тысяч световых от Земли. Рентгеновский пульсар Cen X-3 хорошо известен, и является первым рентгеновским пульсаром открытым в нашей Галактике в 1971 году спутником UHURU. Именно поэтому он был выбран для проверки работоспособности телескопа и построения первого изображения.

«Все семь зеркальных систем телескопа работают так, как мы ожидали, — говорит Михаил Павлинский, ведущий ученый по телескопу ART-XC и заместитель научного руководителя проекта «Спектр-РГ». — Время первой экспозиции составило всего 45 минут. По полученному рентгеновскому изображению было оценено отклонение оптических осей семи зеркальных систем телескопа ART-XC от направления оси космического аппарата, направленной на Cen X-3, и оно оказалось небольшим, всего 11,33 угловые минуты, что будет учтено в дальнейших наведениях космического аппарата. Оси всех зеркальных систем ART-XC также оказались хорошо сьюстированы, смотрят в одну сторону с погрешностью менее одной минуты дуги. Таким образом, на этом этапе можно сказать, что наш телескоп работает так, как мы ожидали, и подтверждает все заявленные характеристики. В ближайшее время будут проводиться союстировки зеркальных систем и бортовых звёздных датчиков и калибровки детекторов телескопа».

ART-XC — один из двух телескопов, установленных на борту обсерватории «Спектр-РГ». Он был создан в Институте космических исследований Российской Академии наук совместно с Российским Федеральным ядерным центром (г. Саров, Россия). В проекте также участвует Центр космических полетов им. Маршалла, НАСА, США в части рентгеновских зеркальных систем.

Телескоп состоит из семи зеркальных систем (модулей). В фокальной плоскости каждой из них находится позиционно-чувствительный и спектрометрический полупроводниковый рентгеновский детекторов на основе теллурида кадмия. Фактически, ART-XC состоит из семи независимых зеркальных телескопов косого падения, смотрящих в одну сторону, что повышает чувствительность наблюдений. Рентгеновские детекторы были разработаны и созданы в ИКИ РАН.

30 июля обсерватория «Спектр-РГ» находилась на удалении 1,1 миллиона километров от Земли. Это рекорд для российской космонавтики в новом тысячелетии. Также «Спектр-РГ» —  первый отечественный аппарат, которому предстоит работать в точке Лагранжа L2, которая находится примерно в 1,5 миллиона километров от нашей планеты. Прибытие и выход на рабочую орбиту вокруг L2 ожидаются в конце октября этого года.

Второй телескоп проекта — eROSITA, созданный в Германии. К настоящему времени была откинута крышка, которая закрывала входные отверстия зеркальных систем. Ожидается, что первое изображение eROSITA будет получено в середине сентября.

***

«Спектр-РГ» (СРГ) / Spektr-RG — космическая астрофизическая обсерватория, нацеленная на исследование Вселенной в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения в окрестности точки либрации L2 системы «Солнце-Земля».

Космическая обсерватория «Спектр-РГ» была создана в рамках Федеральной космической программы России, раздел «Фундаментальные космические исследования», по заказу Российской Академии наук с участием Германии.

Пример «первого света» ART-XC. Изображение участка неба 0.3 кв. град с рентгеновским пульсаром Cen X-3, полученное 30.07.2019 на одном из семи детекторов URD28
Пример «первого света» ART-XC. Изображение участка неба 0.3 кв. град с рентгеновским пульсаром Cen X-3, полученное 30.07.2019 на одном из семи детекторов URD28. Энергетический диапазон 4–20 кэВ. Шкала по глубине логарифмическая, цвета отражают яркость пикселей. Зеленая штрихованная окружность показывает границы входного бериллиевого окна, диаметр ~36 минут дуги
Спектр отсчётов по рабочей области детектора URD28 (диаметр 28.56 мм), в зависимости от энергии
Зелёным цветом показан спектр отсчётов по рабочей области детектора URD28 (диаметр 28.56 мм), в зависимости от энергии. По вертикали отложено число отсчётов в секунду на кэВ, по горизонтали — энергия фотонов в кэВ. Для сравнения приведён спектр отсчетов для «пустого» поля, полученный тем же детектором телескопа ART-XC чуть ранее 24–25 июля. Хорошо видно превышение сигнала от Cen X-3 над фоном в диапазоне энергий 4–20 кэВ, и при этом не использовано преимущество построения изображения телескопом и наличие ещё шести телескопов, что позволит повысить соотношение «сигнал/шум» на два порядка величины

Первый свет обсерватории Спектр-РГ

30 июля 2019 были получены изображения рентгеновского пульсара Центавр X-3 (Cen X-3)

Получено первое рентгеновское изображение с телескопа ARTXC

Изображение рентгеновского источника Центавр X-3 получено со всех семи модулей телескопа ART-XC. В ближайшее время будет проводится юстировка семи модулей телескопа ART-XC.

Временной анализ данных также показал устойчивый периодический сигнал от источника с периодом 4.8 сек.

 

Расстояние от Земли до обсерватории «Спектр-РГ» на время получения первого света (30.07.2019) составляло 1 млн 143 тыс. км.

 

 

Изображения рентгеновского пульсара Центавр X-3, полученные семью модулями телескопа ART-XC. Расположение картинок соответствует расположению модулей телескопа. Внизу — профиль пульсирующего сигнала с периодом около 4,8 секунды, зарегистрированного телескопом ART-XC от этого источника.

Более подробная информация будет предоставлена в первом научном релизе проекта «Спектр-РГ».

И напоследок — небольшая анимация, показывающая как изменяется яркость пульсара в зависимости от фазы — глазами ART-XC.

Получены первые научные данные с телескопа ART-XC

24 июля в ходе сеанса связи с КА СРГ был включен детектор URD28 одной из зеркальных систем телескопа ART-XC. Была накоплена общая экспозиция 2882.5 секунд в направлении на поле Xbootes с координатами RA=218,0, Dec=34,1.

На рисунке зеленым цветом показан первый спектр детектора URD28, полученный с борта обсерватории Спектр-РГ, которая сейчас находится на этапе перелета в точку либрации L2.

Скорость счёта для одиночных и двойных событий в диапазоне 4 — 30 кэВ составила 6*10^(-3) отсч./с/см^2/кэВ. Для сравнения, при испытаниях на Земле фон составлял 4*10^(-4) отсч./с/см^2/кэВ, т.е. в 15 раз меньше (показано красным).

На данный момент, это первое измерение фона рентгеновским детектором на удалении около миллиона километров от Земли!

Также было получено первое рентгеновское изображение с борта СРГ с того же детектора в диапазоне 4 — 12 кэВ:

Российские телескопы наблюдают космический аппарат «Спектр-РГ»

В течение последних нескольких суток при помощи целого ряда российских оптических телескопов проведена серия наблюдений космического аппарата «Спектр-РГ».

Такие наблюдения очень важны: они позволяют уточнить траекторию движения аппарата, что даст возможность управлять им таким образом, чтобы при перелете в точку Лагранжа L2 затратить как можно меньше топлива. В свою очередь, в будущем это поможет увеличить длительность активной работы аппарата на орбите.

В наблюдениях принимали участие Российско-Турецкий 1.5-метровый телескоп (РТТ-150), 1-м телескоп Цейсс-1000 Специальной астрофизической обсерватории РАН, 1.6-метровый телескоп Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, 60-сантиметровый телескоп Института астрономии РАН на пике Терскол, телескопы Крымской астрофизической обсерватории и др.

В результате этих наблюдений параметры орбиты были в значительной степени уточнены. Это позволит выдать более точный управляющий импульс для маневра коррекции орбиты, который состоится вечером 22 июля 2019 г.

В настоящее время космический аппарат «Спектр-РГ» находится на расстоянии около 700 тысяч километров от Земли (по направлению на созвездие Орла) и движется к точке Лагранжа L2 системы «Солнце-Земля» со скоростью около 800 м/с относительно Земли.

 

Наблюдение KA Спектр-РГ и разгонного блока ДМ-03 с Земли

Первое прохождение космического аппарата (КА) Спектр-РГ над территорией России с 21:18 до 02:40 МСК наблюдал заведующий обсерваторией Кубанского Государственного университета (КубГУ), руководитель центра астрономии и космонавтики КО РГО (Русского географического общества) Александр Иванов (https://vk.com/id253483691), с помощью телескопа МАК 254 мм/1200 мм, установленного в обсерватории  КубГУ. На видео показано прохождение разгонного блока ДМ-03 и  космического аппарата Спектр-РГ, движение проходило по созвездию Лисички, густонасёленному участку Млечного пути:

Усредненное изображение разгонного блока и КА Спектр-РГ 13 июля 2019 с 21:18 до 02:40 МСК: