NASA и SpaceX запускают рентгеновскую обсерваторию IXPE на Falcon 9. NSF
Авторы: Крис Гебхардт и Хейген Уоррен, 8 декабря 2021 г.
Falcon 9 взлетает с LC-39A для запуска IXPE. Фото: Стивен Марр из NSF
NASA и SpaceX запустили революционную космическую обсерваторию Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) из LC-39A в Космическом центре Кеннеди, Флорида, в четверг утром на ракете SpaceX Falcon 9 в 1:00 EST (06:00 UTC).
IXPE — это обсерватория изучения поляризованного рентгеновского излучения с тремя телескопами массой 325 кг. IXPE, совместное предприятие NASA и Итальянского космического агентства, поможет астрономическому сообществу лучше понять физику, лежащую в основе черных дыр, нейтронных звезд, остатков сверхновых, магнетаров и пульсаров, их формирование, специально изучая поляризованные рентгеновские лучи, генерируемые этими объектами.
Первая ступень Falcon 9, поддерживающая этот запуск, — B1061-5, совершившая свой пятый полет в космос. Ракета-носитель ранее поддерживала миссии НАСА Crew-1 , Crew-2 и CRS-23 на Международную космическую станцию, а также миссию SXM-8 в июне 2021 года.
45-я метеорологическая эскадрилья предсказывала 90% -ную вероятность хорошей погоды во время старта. 10%-ное беспокойство в прогнозе связано с правилом кучевых облаков.
После разделения ступеней B1061-5 начал операции по возвращению, в конечном итоге успешно приземлившись на автономном морском дроне SpaceX (ASDS) Just Read The Instructions. Корабль-дрон и его экипажи находились примерно в 652 км от места старта.
Судно поддержки и восстановления обтекателей беспилотных кораблей Bob также находилось примерно на 750 км ниже по траектории выведения, и оно обнаружит две новые половины обтекателя Falcon 9 и вернет их в порт Канаверал, где они будут отремонтированы для повторного использования в более поздней миссии.
После выхода на начальную орбиту высотой 600 км (+/- 15 км) с наклоном 28,5 градусов к экватору вторая ступень Falcon 9 вошла в режим свободного полета.
Повторное включение двигателя произошло при Т + 28 минут 51 секунда. Вторая ступень работала в течение 60 секунд, чтобы снизить наклонение орбиты до 0,2 градуса от истинного экваториального. Этот маневр с высоким расходом топлива мешает первой ступени приземлиться для возврата на наземную стартовую площадку (RTLS), несмотря на небольшой космический аппарат, поскольку на второй ступени для изменения наклона требуется больше топлива.
Так почему же выбрана низкая околоземная орбита у экватора, когда рентгеновская обсерватория Чандра находится на орбите 14 307 x 134 527 км под углом наклона 76,7 градуса?
«IXPE находится на низкой околоземной орбите, потому что - по ряду причин, но основная причина в том, что это маленький аппарат», — сказал д-р Мартин Вайскопф, главный исследователь миссии IXPE и главный научный сотрудник по рентгеновской астрономии в NASA Центра космических полетов им. Маршалла в интервью NASASpaceflight.
«Строительство IXPE обошлось в 160 миллионов долларов. Так что у нас нет ракеты-носителя, которая могла бы вывести нас на эту чудесную высокую орбиту. Итак, мы выходим на низкую околоземную орбиту, что неплохо по другой технической причине: наземная станция, предоставленная нам Итальянским космическим агентством в Малинди у побережья Кении, находится на экваторе, и мы собираемся отправиться в путь к экватору».
«И мы хотим быть на экваторе, потому что там самый низкий фон. Мы проводим меньше всего времени в радиационных поясах».
Художественный рендеринг IXPE в его полностью развернутом положении. (Источник: NASA)
После выполнения маневра по изменению наклона вторая ступень Falcon 9 будет ориентироваться для отделения IXPE, которое должно произойти на отметке T + 33 минуты 22 секунды.
После этого начнется 30-дневная фаза ввода в эксплуатацию, которая начнется с развертывания солнечных панелей, чтобы аппарат получил электропитание. Этот шаг фактически определяет ночное время запуска миссии, поскольку полезная нагрузка должна находиться в дневном свете на орбите при разделении полезной нагрузки и развертывании солнечных панелей.
«Примерно через неделю мы займемся развертыванием гибкой стрелы, что будет очень интересно, так сказать, потому что это должно сработать», — сказал д-р Вайскопф. «Мы успешно разворачивали стрелу на Земле шесть раз, так что мы вполне уверены в успехе. Но во время этого развертывания я ненадолго задержу дыхание. Это не займет много времени, около минуты».
А если бы стрела не развернулась?
«Это конец миссии», — сказал доктор Вайскопф. Однако, «если стрела не развертывается или не раскрывается правильно, у нас есть механизм, который мы называем механизмом наклона/поворота. Это позволит нам перенастроить рентгеновские телескопы относительно детекторов».
«Так что, если что-то относительно пойдет не так, мы можем это исправить. Но стрела должна разворачиваться, но это может проити неправильно, или может быть, мы недооценили тепловую среду, и все как-то идет наперекосяк. Это еще не конец миссии».
После развертывания стрелы команды отработают проверку и ввод космического аппарата в эксплуатацию, что займет примерно семь дней. После этого детекторы будут переведены в оперативный режим и откалиброваны.
Но IPXE — это первая в своем роде миссия. Нет никаких известных объектов, по которым можно было бы его калибровать, как это есть у оптических, инфракрасных и даже других рентгеновских телескопов. Так как же откалибровать IXPE?
Ответ заключается в том, что часть калибровки проводилась на земле: сначала детекторы калибруются в Италии, а затем оптика калибруется Центром космических полетов им. Маршалла на испытательном стенде, разработанном специально для IXPE.
Эта наземная калибровка использовалась как для поляризованных, так и для неполяризованных источников рентгеновского излучения, которые будет наблюдать телескоп.
«В рамках этой калибровки мы также взяли одну дополнительную оптику и один дополнительный полетный детектор, соединили их и повторили рентгеновскую калибровку, чтобы увидеть, взяли ли мы результаты оптики и результаты детектора и сложили их вместе аналитически. Это сработало? Да, сработало. Так что это замечательно», — восторгался доктор Вайскопф.
«На орбите IXPE также есть источники рентгеновского излучения, радиоактивные источники и поляризованные источники и радиоактивные источники. Таким образом, мы можем на борту перенастроить чувствительность к поляризации. И, конечно, такие вещи, как усиление или амплитуда сигналов для заданной энергии и тому подобное. Так что мы работаем как на земле, так и на орбите».
«Таким образом, мы — первый настоящий поляризационный прибор, который откалиброван на земле и способен проверить калибровку на орбите», — сказал доктор Вайскопф. «Таким образом, мишени, по которым мы измеряем поляризацию, станут эталоном для будущих экспериментов. Но у нас действительно нет стандарта».
После ввода в эксплуатацию IPXE будет готов к выполнению своей миссии по измерению поляризации рентгеновских лучей. И это делается с помощью детекторов Gas Pixel.
«Они — причина того, что эта миссия работает!» — воскликнул доктор Вайскопф. «Это вклад итальянских коллег — этот газовый пиксельный детектор и тот факт, что он чувствителен к поляризации».
Так, как это работает?
«Рентгеновский луч поступает [в три телескопа] и ионизирует газ [диметиловый эфир толщиной сантиметр] [в детекторах Gas Pixel]. Он выбивает фотоэлектроны в газовую среду. Этот фотоэлектрон улетает в направлении электрического поля, связанного с рентгеновским фотоном, которое является направлением поляризации. Итак, этот фотоэлектрон взрывается в газе, и у него много энергии — по сути, энергия рентгеновского излучения, минус немного, чтобы выбить его из оболочки».
«И он начинает ионизировать все больше и больше газа по мере продвижения на своем пути. Итак, мы получаем заряд, производимый рентгеновским излучением. Начало этого трека находится в направлении электрического поля, то есть в направлении поляризации. И что делает этот детектор, так это то, что он отображает весь трек и отправляет эти данные на землю, чтобы мы могли проанализировать их, посмотреть на трек и увидеть, каково было первоначальное направление и параметры».
Обзор детектора пикселей газа. (Источник: Центр космических полетов им. Маршалла NASA)
«А затем мы суммируем рентгеновские лучи, полученные от этой цели, и если все они указывают в случайных направлениях, они неполяризованы. Если все они указывают в одном направлении, они на 100% поляризованы, и, конечно же возможет вариант где-то посередине. Вот как это работает, и это такая красивая концепция».
Чтобы пройти сквозь газовый слой, рентгеновские лучи должны сначала пройти через тонкое бериллиевое окно, причем бериллий является предпочтительным элементом из-за его прозрачности для рентгеновских лучей (эффективность более 90%) и герметизирующего действия бериллия удерживать в газе диметиловый эфир — без которого не было бы детектора.
Так в чем же суть IXPE? И как это вписывается в большую рентгеновскую астрономическую картину?
Ответ кроется в его названии: поляриметрия.
«Мы добавляем две новые переменные в инструментах астрофизика, чтобы попытаться смоделировать получение рентгеновских лучей из этих источников», — сказал доктор Вайскопф.
«И это идет от черных дыр в двойных системах до черных дыр в центрах галактик и нейтронных звезд».
«Поляриметрия дает еще две переменные. Таким образом, помимо энергии, положения и времени, мы также получаем степень поляризации — это 5% поляризованный, неполяризованный или 100% поляризованный — и позиционный угол, который является средней поляризацией — если он поляризован, где вектор поляризации указывая? Все это связано с тем, как производятся рентгеновские лучи».
«Так что это действительно главное. Мы добавляем эти два новых параметра в данные наблюдения. Итак, вы должны сказать мне не только, почему энергетический спектр выглядит так, как он есть, но и почему поляризация такая, какая она есть?» — добавил доктор Вайскопф.
И это идеально — как и ожидалось — идеально соответствует научным целям IXPE:
- Обеспечивают одновременные спектральные, пространственные и временные измерения,
- Определить геометрию и механизм излучения активных ядер галактик и микроквазаров,
- Найдите конфигурацию магнитного поля в магнетарах и определите величину поля,
- Найдите механизм образования рентгеновских лучей в пульсарах (как изолированных, так и аккрецирующих) и их геометрию, и Определить, как ускоряются частицы в туманности пульсарный ветер,
Но, что важно, у IXPE также есть техническая цель: улучшить поляризационную чувствительность на два порядка по сравнению с поляриметрическим рентгеновским излучением на космическом аппарате Orbiting Solar Observatory 88 (OSO-8).
«При этом сравнивается чувствительность этих детекторов с кристаллическим поляриметром, который летал на OSO-8», — сказал доктор Вайскопф, который также участвует в текущей миссии рентгеновской обсерватории Чандра.
«Он в сто раз более чувствителен к поляризации от источника, чем тот же источник был бы с кристаллическим поляриметром OSO-8. Вот тут-то и пригодится. Таким образом, полет доказывает жизнеспособность технологии».
Основная миссия IXPE продлится два года, и космический аппарат был построен Ball Aerospace & Technologies на базе своего космической платформы BCP-100. Из общей массы корабля на старте в 325 кг 170 кг приходится на полезную нагрузку.
После выхода на орбиту и полного развертывания IXPE будет иметь 1,1 м в диаметре и 5,2 м в высоту с размахом крыльев солнечной батареи в 2,7 м.
