NuSTAR: десять лет на службе у науки
13 июня 2012 года в рамках программы малых космических спутников НАСА запустило на орбиту космическую обсерваторию Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR). Это первая обсерватория, работающая в диапазоне рентгеновского излучения высокой энергии 3–79 кэВ. Первоначально длительность научной миссии NuSTAR составляла два года, но вот уже десять лет обсерватория продолжает передавать данные на Землю. В материале вспоминаем, что собой представляет NuSTAR, как она наблюдает за Вселенной и какие научные открытия помогла сделать.
История и цель проекта NuSTAR
В 2003 году проект NuSTAR стал одним из 36 предложенных для реализации в рамках программы НАСА Small Explorer (SMEX) по финансированию малых миссий стоимостью до $120 млн. В том же году НАСА выбрало его для рассмотрения вместе с ещё четырьмя предложенными проектами. Рассмотрение заявки должно было длиться около полугода, но только в 2005 году агентство объявило, что выбрало проект NuSTAR для годичного этапа проработки. План по реализации проекта и разработке полётов должны были вынести к началу 2006 года, но этого не произошло из-за резкого сокращения финансирования SMEX. В результате вся работа по NuSTAR полностью остановилась.
Осенью 2007 года НАСА объявило, что финансирование программы возобновлено, и агентство приняло решение вернуться к работе над NuSTAR. Запуск обсерватории запланировали на 2011 год. В сентябре 2009 года НАСА подтвердило, что обсерватория будет запущена в августе 2011 года, но не смогло запустить NuSTAR в назначенные сроки. С августа 2011 года запуск сначала перенесли на февраль, потом на март и, в конце концов, на 13 июня 2012 года. Сроки запуска отодвигали для проведения тщательной проверки ПО, используемого бортовым компьютером ракеты-носителя.
25 января 2012 года обсерваторию отправили на военно-воздушную базу Ванденберг в США для сопряжения с ракетой-носителем «Пегас». 27 января NuSTAR прибыла на базу, в феврале начались работы по сопряжению. 2 марта инженеры начали устанавливать головной обтекатель «Пегаса». Финальная подготовка к запуску стартовала только 22 мая, а сопряжение NuSTAR с ракетой-носителем завершилось 4 июня. Через три дня комплекс перевезли на место запуска — американский космодром Кваджалейн.
Наконец, 13 июня с борта самолёта Stargazer, представляющего собой доработанную версию авиалайнера Lockheed L-1011 TriStar, была запущена ракета-носитель «Пегас» с NuSTAR. 21 июня 2012 года десятиметровая мачта обсерватории полностью развернулась, стартовала серия процедур по проверке работоспособности обсерватории. 28 июня на Землю уже были переданы первые данные, собранные NuSTAR.
После запуска последовали долгие недели настройки и адаптации команды для работы с телескопом в полевых условиях. Этот этап закончился в ноябре 2012 года, когда команда проекта заявила, что изучила все текущие факторы, влияющие на работу телескопа, и смогла подобрать верные команды для улучшения характеристик аппарата.
Находясь на орбите, NuSTAR изучает целый комплекс источников излучения высокой энергии, способного пробиваться сквозь плотные пылевые скопления. Например, это необходимо для изучения центра нашей галактики Млечный Путь, за которой наблюдает обсерватория. Также NuSTAR активно собирает данные о чёрных дырах, вспышках сверхновых, нейтронных звёздах и релятивистских джетах. Наконец, обсерваторию задействовали и для изучения более близкой цели — Солнца.
Основная структура обсерватории
Обсерватория включает в себя массивный оптический комплекс, набор детекторов и десятиметровую мачту. Разберём каждый элемент по порядку.
Оптический комплекс обсерватории построен по аналогии с системой телескопа Вольтера I типа с некоторыми изменениями. В частности, авторы используют концепцию конического приближения по параболе и гиперболе, что ухудшает резкость по оси, но сокращает количество артефактов на снимке за счёт приближения объекта под углом.
Общая оптическая схема телескопа: (1) параболические зеркала, (2) гиперболические зеркала, (3) падающее излучение и (4) точка фокусировки
Всего на NuSTAR два оптических телескопа весом по 38 кг. Каждый содержит в себе 133 концентрические зеркальные оболочки, покрытые послойно Pt/SiC (платина/карбид кремния) и W/Si (вольфрам/кремний). Они разделены между собой углеродными прокладками шириной до 1,6 мм и соединены эпоксидной смолой. Комплекс обладает общей длиной 450 мм, максимальным радиусом 191 мм и фокусным расстоянием 10 м. Собирающая поверхность варьируется в пределах от 847 см2 до 60 см2 в зависимости от излучения (от 3 до 78 кэВ соответственно)
Для повышения отражательной способности оптики необходим контраст плотности между двумя материалами. В данном случае в качестве материалов с высокой плотностью представлены W и Pt, низкой плотности — Si, C (углерод) и SiC. При их поочерёдном нанесении формируется своеобразная кристаллическая решетка, а конструктивная интерференция создаёт повышенную отражательную способность. Предыдущие миссии для покрытия оптики использовали платину, иридий и золото, но они плохо подходят для наблюдения за излучением высокой энергии. Модернизация покрытия позволила увеличить максимальную чувствительность с 10 кэВ до 79 кэВ.
На NuSTAR установлено два детекторных блока. Каждый блок состоит из четырёх детекторов (20 мм x 20 мм и толщиной 2 мм) на основе кадмия-цинка-теллурида (CdZnTe или CZT) производства eV Products. Они расположены друг от друга на расстоянии 500 микрон. Детекторы преобразуют фотоны высокой энергии в электроны. После электроны записываются в цифровом виде с помощью ASIC, разработанного командой NuSTAR Caltech. Детекторы также покрыты кристаллами йодида цезия, регистрирующего фотоны высокой энергии и космические лучи, пересекающие плоскость с направлений, отличных от оптической оси NuSTAR. Это необходимо для дополнительной фильтрации источников излучения.
Десятиметровая мачта обсерватории необходима для обеспечения достаточного фокусного расстояния оптики. В отличие от предшественников, мачта расправлялась в космосе, что позволило существенно сэкономить на запуске аппарата. Для измерения отклонений мачты инженеры используют лазерную метрологическую систему. Данные об отклонениях необходимы для реконструкции рентгеновских изображений. В противном случае из-за движения мачты изображения будут размытыми. Телескоп размещён на низкой околоземной орбите, в связи с чем постоянно подвергается изменениям температуры, из-за чего меняется наклон мачты.
Открытия NuSTAR
К сотому дню нахождения на орбите NuSTAR уже успела частично понаблюдать за чёрными дырами, сверхплотными мёртвыми звёздами и яркими остатками взорвавшихся звёзд. Полный список наблюдений по всем циклам, проведённым за последние десять лет, опубликован по ссылке — NuSTAR Guest Observer Programs: Overview. Мы не будем полностью его пересказывать, а сконцентрируемся на наблюдениях и результатах, выделенных самими сотрудниками проекта, и сделаем общий обзор по работе обсерватории.
В октябре 2012 года обсерватория зафиксировала вспышку от чёрной дыры Стрелец A*, расположенной в центре Млечного Пути, и представила первые подобные снимки данной области. Наблюдения проводились совместно с телескопом «Чандра» и «Обсерваторией Кека». Это стало первым ярким открытием NuSTAR.
В январе 2013 года NuSTAR поймал свечение вокруг ещё двух чёрных дыр. В феврале того же года благодаря совместной работе обсерватории НАСА и телескопа ЕКА XMM-Newton удалось измерить скорость вращения чёрной дыры массой 2 млн солнечных. В целом, к февралю на руках у учёных были материалы по меньшей мере для 20 научных работ на тему чёрных дыр в центре Млечного Пути и других галактик. В июне обсерватория изучила найденную «Чандрой» чёрную дыру в галактике NGC 253 и установила, что объект находится в состоянии покоя, несмотря на активные процессы звездообразования вокруг неё.
В конце августа учёные проекта выложили в открытый доступ снимки, сделанные NuSTAR в период с июля по август 2012 года. Вся информация публиковалась и продолжает публиковаться на ресурсе High Energy Astrophysics Science Archive Research Center (HEASARC). К сентябрю 2013 года обсерваторию начали называть «Охотником за чёрными дырами». К этому моменту NuSTAR поймала свою десятую сверхмассивную чёрную дыру. В ноябре учёные проекта объявили, что обсерватория занимается поиском чёрных дыр среднего размера — категории, лежащей между сверхмассивными чёрными дырами массой в миллионы солнечных и малыми чёрными дырами всего в десятки солнечных масс.
В феврале 2014 года команда NuSTAR создала первую в истории карту радиоактивных элементов в остатках сверхновой Кассиопея А, благодаря чему удалось подробнее охарактеризовать процесс образования сверхновой. Получившееся изображение представлено ниже. Красные (железо), жёлтые (рентгеновское излучение) и зелёные цвета (кремний и магний) собраны «Чандрой» в диапазоне 1–7 кэВ. Синий цвет представляет собой титан-44, пойманный NuSTAR в диапазоне 68–78 кэВ. Расположение титана-44 частично подтверждало теорию несимметричности взрыва сверхновых, хоть асимметрия и не столь ярко выражена.
В августе NuSTAR зафиксировала редкое яркое явление, в ходе которого корона чёрной дыры Markarian 335 всего за несколько дней стремительно приблизилась к своей чёрной дыре. В результате сильная гравитация Markarian 335 притянула весь свет на окружающий её диск и растянула по спирали. Исследователи и ранее фиксировали подобные явления, но они происходили не так быстро.
Через два месяца команда обсерватории сделала ещё одно открытие. NuSTAR удалось найти в галактике Мессье 82 (М82) самый яркий (на тот момент) известный пульсар. Это был первый пример из нового класса сверхъярких пульсаров. В ноябре благодаря «Чандре», «Свифт» и NuSTAR исследователи получили данные, свидетельствующие, что чёрная дыра в центре Млечного Пути, вероятно, способна излучать нейтрино. Выяснение источника излучения нейтрино — один из ключевых вопросов астрофизики.
В декабре NuSTAR сделала снимок Солнца в рентгеновском спектре. Это был первый случай, когда обсерватория, разработанная для наблюдения за чёрными дырами и другими далёкими объектами, сняла объект из Солнечной системы. Одной из целью наблюдений было охарактеризовать процессы нагрева солнечной кроны, а также определить дальнейшую эволюцию звезды. В результате этих наблюдений удалось установить, что крона нагревается благодаря нановспышкам.
2015 год начался с февральского открытия, появившегося благодаря совместной работе NuSTAR и XMM-Newton. Исследователи подтвердили своё предположение, что солнечные ветры, исходящие из чёрной дыры, дуют во всех направлениях. Кроме того, эти ветры настолько сильные, что способны подавить способность галактики-хозяина образовывать новые звёзды. В апреле NuSTAR обнаружил в центре Млечного Пути неизвестный сверхъяркий источник рентгеновских лучей, который может представляет собой процесс поглощения звездой другой звезды-компаньона.
В мае исследователи обнаружили ещё одно свидетельство ассиметричной вспышки сверхновой, что позволило доказать асимметричную природу сверхновых II типа. В октябре, благодаря совместной работе NuSTAR и «Свифт», учёным удалось зафиксировать сверхмассивную чёрную дыру в разгар гигантского извержения рентгеновского излучения. Благодаря наблюдению исследователи впервые установили связь между подобными вспышками и поведением короны чёрной дыры.
В 2016 году благодаря совместным наблюдениям XMM-Newton и NuSTAR исследователям удалось установить факт наличия гравитационного вихря вокруг чёрных дыр. В 2017 году наблюдения показали, что температура ветров, исходящих из чёрных дыр, способна экстремально меняться всего за несколько часов. В 2020 году обсерватория наблюдала за одной из самых массивных известных чёрных дыр в центре OJ 287 и самой молодой из известных нейтронных звёзд Swift J1818.0–1607 (возраст 240 лет). В 2022 году NuSTAR использовали и для изучения Юпитера. Обсерватории удалось обнаружить мощные источники рентгеновского излучения на полюсах планеты.
В материале не упомянуты десятки случаев обнаружения командой NuSTAR чёрных дыр и нейтронных звёзд. Главным преимуществом обсерватории является её способность улавливать излучение, пробивающееся сквозь плотные массивные облака пыли и газа, из-за чего часть объектов было очень сложно или вовсе невозможно обнаружить до появления NuSTAR. Изобретение обсерватории продвинуло астрономические наблюдения далеко вперёд во многом благодаря уникальной на тот момент способности улавливать излучение высокой энергии.
NuSTAR уже давно перевыполнила все поставленные перед ней планы, продолжая служить на благо науки и пополнять наблюдения других обсерваторий и телескопов. За десять лет работы она собрала немыслимое количество данных и помогла учёным совершить ряд ключевых астрономических открытий. NuSTAR до сих пор исправно работает, а НАСА регулярно объявляет набор заявок для новых исследовательских проектов с использованием обсерватории.
