«Спектр-РГ»: научная программа после гарантийного срока

Продление научной работы

«Спектр-РГ» сохраняет техническую возможность наблюдать после гарантийного срока. Бюро Совета РАН по космосу признало состояние обсерватории достаточным для продолжения миссии, а Институту космических исследований поручено подготовить программу до 2031 года. Планы продления включают ультраглубокие наблюдения центральных областей Галактики, расширенный обзор неба, совместную работу с другими обсерваториями, точные измерения времени прихода импульсов пульсаров и рентгеновскую навигацию. Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН, сообщил, что почти за семь лет аппаратура ни разу не потребовала перехода на резервный комплект.

За время работы обсерватория обнаружила, по данным РАН, более четырёх миллионов источников мягкого рентгеновского излучения, далёкие квазары, десятки тысяч скоплений галактик и сотни тысяч звёзд. Эти итоги не означают возобновления работы немецкого телескопа: Германия уведомила об отключении своего прибора 26.02.2022. Академик Лев Зелёный пояснял, что российские специалисты не могут управлять им самостоятельно.

Гарантийный срок и накопленные данные

Обсерватория стартовала с Байконура 13.07.2019. К 13.01.2026 она отработала заявленные 6,5 года и выполнила основную научную программу. Получены данные восьми полных сканов небесной сферы для подготовки следующего каталога. Это общий результат миссии: завершение обзоров нельзя целиком относить к периоду после возобновления обзорных наблюдений осенью 2023 года. Для предварительного каталога глубокого обзора Галактической плоскости исследователи собрали почти 2200 источников, включая системы с аккрецирующими нейтронными звёздами, чёрными дырами и белыми карликами, а также коронально активные звёзды.

В небольшой области Галактического центра было обнаружено более 170 источников; примерно треть прежде не была известна. Их природу ещё требовалось установить, поэтому предварительные позиции в каталоге не равнозначны окончательной классификации объектов. Холдинг «Российские космические системы» оценил объём полученной за шесть лет научной и телеметрической информации более чем в два терабайта. Продолжение работы обсуждалось заранее: директор ИКИ РАН Анатолий Петрукович ещё в ноябре 2024 года сообщал о запасе топлива на несколько лет сверх гарантийного периода. Это была оценка ресурса аппарата, а не дата окончания наблюдений.

Платформа, ориентация и связь

Космическая платформа «Навигатор-СРГ» объединяет бортовое управление, энергоснабжение, двигатели, тепловое регулирование, телеметрию и радиокомплекс. НПО имени Лавочкина использовало опыт платформ для «Спектра-Р» и «Электро-Л». Для связи на больших расстояниях аппарат получил радиокомплекс Х-диапазона. Бортовой компьютер управляет научной и служебной аппаратурой, контролирует техническое состояние систем и обрабатывает нештатные ситуации. Если устранить проблему автоматически невозможно, предусмотрен переход в дежурный режим. Ориентацию обеспечивают четыре маховика: три рабочих и один в холодном резерве. Для разгрузки маховиков служат малые двигатели стабилизации, также разделённые на рабочий и резервный комплекты.

Служебные системы и телескопы получают питание от солнечных батарей; аккумулятор ёмкостью 55 ампер-часов предназначен для начального участка полёта и нештатных ситуаций. Расчётное суммарное потребление ограничено 1700 ваттами при расчётной мощности солнечных батарей 1870 ватт к концу срока службы. Радиокомплекс соединяет научные данные и телеметрию в общий поток. Штатная скорость передачи научной информации составляет 512 килобит в секунду; предусмотрены и меньшие скорости. Телеметрия передаётся непосредственно во время сеанса либо предварительно записывается во внутреннюю память и затем выгружается на наземную станцию.

• Телеметрия в реальном времени: 16 килобит/с.
• Выгрузка записанной телеметрии: 32 килобита/с.
• Команды с Земли: обычно 500 бит/с.

Тепловые режимы российского телескопа

Российский телескоп имени Михаила Павлинского АРТ-ХС (ART-XC) содержит семь соосных пар зеркальных систем и детекторов. Каждая пара образует самостоятельный телескопический модуль. Зеркала закреплены сверху, а семь детекторов составляют фокальный блок. Их окружает конический корпус из углепластика. Медный экран в верхней части перекрывает боковую засветку, которая иначе увеличивала бы рентгеновский фон. Приблизительная масса телескопа составляет 350 килограммов, потребляемая мощность — 150 ватт. Четыре отдельных электронных блока расположены на термостабилизированной платформе под прибором; они обеспечивают сбор информации, управление детекторами и поддержание теплового режима.

Система теплового регулирования АРТ-ХС включает 36 нагревателей на разных участках конструкции. Зеркальные оболочки и детекторы находятся в отдельных термостабилизированных зонах; для зеркал предусмотрен диапазон 20 ± 2 градуса Цельсия. Собственная калибровочная система позволяет проверять усиление детекторов и энергетическое разрешение. Для каждого из семи детекторов имеется блок с источниками америция-241 и железа-55, который перемещается из защитного свинцового контейнера шаговым двигателем. Рядом с зеркальными системами установлен звёздный датчик БОКЗ-МФ. Геометрия изображения, энергетическая шкала и тепловое состояние прибора поэтому контролируются разными элементами аппаратуры.

Устройство второго рентгеновского прибора

Немецкий телескоп «еРОЗИТА» (eROSITA) также имеет семь соосных модулей, но отличается устройством оптики и камер. Каждая зеркальная сборка содержит 54 вложенные никелевые оболочки с золотым отражающим покрытием и фокусным расстоянием 1600 миллиметров. Они собраны на общей конструкции из углепластиковых сотовых панелей. Перед зеркалами стоят концентрические экраны, подавляющие фотоны от ярких источников вне поля зрения; за ними расположены магнитные отклонители низкоэнергетических электронов. Для выравнивания углового разрешения по полю камеры немного сдвинуты относительно положения точного осевого фокуса. Такой сдвиг изменяет распределение резкости между центром и краями изображения.

В фокусе каждой сборки находится ПЗС-матрица размером 384 × 384 пикселя. Номинальное время накопления кадра составляет 50 миллисекунд. Изображение быстро переносится в область хранения, после чего считывается: перенос занимает 0,115 миллисекунды, считывание — 9,18 миллисекунды. Такая организация уменьшает артефакты, возникающие, когда фотоны регистрируются непосредственно во время считывания. Каждая камера снабжена фильтровым колесом с открытой, рабочей, закрытой и калибровочной позициями. Закрытая позиция используется для измерения инструментального фона, калибровочная — с источником железа-55. Во время наблюдений матрицы охлаждаются приблизительно до −85 градусов Цельсия через систему тепловых трубок и радиаторов.

Наземная проверка зеркальной оптики

В Центре космических полётов имени Маршалла изготовили восемь зеркальных модулей АРТ-ХС: семь лётных и один запасной. Их угловой отклик проверяли на рентгеновской установке длиной 104 метра. Расстояние от источника до главной плоскости зеркального модуля составляло 103,3 метра. Высокочувствительная ПЗС-камера с пикселями 13,5 × 13,5 микрометра измеряла форму изображения. При установке учитывали предусмотренную конструкцией расфокусировку на семь миллиметров. Источником излучения служила трубка с медным анодом; в её спектре преобладали линии с энергиями 8,04 и 8,9 килоэлектронвольта. Измерения проводились до установки окончательной системы защиты от засветки.

Каждый модуль поворачивали относительно пучка, меняя удаление источника от оптической оси и азимут. Для центральных направлений форма изображения оставалась сравнительно регулярной, а при больших отклонениях вытягивалась и искажалась. Поэтому калибровочная модель описывала не только центральную область изображения точки, но и распределение зарегистрированных фотонов вокруг неё. Для ближней к оси области использовали математическое приближение радиального профиля, для удалённых направлений — эллиптические области с заданной долей отсчётов. Эти зависимости предназначались для базы калибровочных данных и программ обработки наблюдений. Земная проверка измеряла отклик самой оптики с испытательной камерой; сочетание зеркал со штатным космическим детектором потребовало отдельного сопоставления уже по орбитальным данным.

Изображение точки в реальном полёте

Штатный пиксель детектора АРТ-ХС соответствует угловому размеру 45 секунд дуги. Его конечная площадь влияет на изображение вместе с оптикой. При сканировании узкое ядро отклика усредняется внутри пикселя; при восстановлении изображения координаты фотонов дополнительно рандомизируют в пределах физического пикселя, чтобы избежать искусственных структур. Для проверки такого отклика исследователи использовали яркий точечный источник Скорпион Х-1 и Крабовидную туманность. Последнюю наблюдали 18.03.2024 в поле размером 3,5 × 3,5 градуса: общее время сканирования составляло около 22 часов. Проверка выполнялась в диапазоне 4–12 килоэлектронвольт.

Орбитальные профили сравнивали с заново обработанными наземными измерениями, учитывая размеры пикселей, движение поля зрения и изменение эффективной площади на разных углах. Скорпион Х-1 в этом сравнении соответствовал точечному источнику, тогда как центральный профиль Крабовидной туманности показывал её протяжённость. Отдельно исследовались ложные структуры вокруг ярких объектов, возникающие из-за частичного прохождения излучения через участки крепёжной платформы зеркал. Для них подготовили маски исключения событий. Отклик на больших углах нужен при отделении слабого протяжённого излучения от крыльев изображений ярких точек. Его параметры зависят также от скорости сканирования и шага между проходами, поэтому наземный снимок зеркального модуля сам по себе не заменяет проверку рабочего режима телескопа.

Первый каталог и ложные кандидаты

Первый каталог АРТ-ХС объединил два полугодовых обзора, выполненных с декабря 2019 года по декабрь 2020 года. В нём было 867 источников в диапазоне 4–12 килоэлектронвольт. Среди 750 объектов с установленной или предполагаемой природой 56% относились к внегалактическим, остальные — к галактическим. Для 116 позиций рентгеновское излучение прежде не регистрировалось, однако около 80 из них ожидались как статистически ложные обнаружения. Поэтому число новых позиций нельзя автоматически принимать за число открытых физических объектов. Для проверки кандидатов была начата программа последующих оптических наблюдений.

При построении карт обзор разделили на 4700 перекрывающихся участков размером 3,6 × 3,6 градуса. Для каждого готовили изображение, карту экспозиции и карты фотонного фона и фона заряженных частиц. Размер изображения составлял 1024 × 1024 пикселя с угловым шагом 12,66 секунды. Фон заряженных частиц оценивали по событиям в диапазоне 30–70 килоэлектронвольт, где эффективность зеркальной оптики исчезает, а затем пересчитывали в рабочий диапазон. Такой пересчёт калибровали по наблюдениям пустых полей. Из анализа исключали интервалы с введёнными калибровочными источниками и отключением высокого напряжения детекторов. В каталог не включались глубокие сканирования отдельных полей и точечные наблюдения.

Расширенный список источников

Следующий опубликованный каталог использовал данные с 12.12.2019 по 07.03.2022: четыре полных обзора и приблизительно 40% пятого. В список вошли 1545 источников в том же диапазоне 4–12 килоэлектронвольт. Исследователи сопоставили и классифицировали 1463 объекта, оставив 82 неидентифицированными. В распределении по расположению 469 источников относились к нашей Галактике, 30 — к Местной группе галактик, 964 — к более далёким внегалактическим объектам. Крупнейшие классы составляли активные ядра галактик и катаклизмические переменные: 911 и 192 объекта соответственно. Часть отождествлений оставалась предварительной и требовала дальнейших наблюдений.

Карты каждого прохода готовили отдельно, затем суммировали, корректируя экспозицию на уменьшение чувствительности вне оптической оси. Накопленное время наблюдения заметно различалось по небу: около эклиптической плоскости оно составляло примерно 100–300 секунд, у полюсов достигало 38 тысяч секунд. При повторной обработке обнаружилась и программная ошибка предыдущего выпуска: опубликованные там потоки и предельные потоки обзора были занижены приблизительно на 30%. Более длинная экспозиция и уточнённая обработка изменяли полноту списка, но не превращали все 1545 позиций в новые открытия: каталог объединял известные объекты, новые кандидаты и источники с ещё не окончательной классификацией.

Как рентгеновской точке находят галактику

Для восьми кандидатов АРТ-ХС исследователи получили оптические спектры на 1,6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской обсерватории и 1,5-метровом российско-турецком телескопе РТТ-150. На первом применялся спектрограф АДАМ (ADAM), на втором — ТФОСК (TFOSC). Длинная щель позволяла выделить излучение нужного участка объекта. Ядро галактики старались точно поставить в центр щели; после экспозиций положение смещали вдоль неё. Для калибровки использовали лампы со сплошным и линейчатым спектрами, а каждую ночь наблюдали спектрофотометрические стандарты. Такая последовательность давала материал для определения красного смещения и анализа линий, а не только дополнительный снимок области рентгеновского источника.

Все восемь объектов были отождествлены как активные ядра галактик; большинство оказалось сейфертовскими галактиками второго типа. Ширину эмиссионных линий оценивали с поправкой на спектральное уширение самого прибора. У трёх ядер эквивалентный поглощающий столб водорода превышал 3 × 10²³ см⁻². Они обнаруживались в достаточно жёстком диапазоне АРТ-ХС, но не регистрировались «еРОЗИТОЙ» в более мягких лучах. Для видимой с ребра галактики SRGA J005751.0+210846 существенное поглощение предположительно связано с межзвёздным газом самой галактики-хозяина. Объект SRGA J224125.9+760343 оказался узколинейной сейфертовской галактикой первого типа.

Глубокий обзор небольшого поля

Поле около галактической долготы 20 градусов наблюдалось с 13.10.2019 по 16.10.2019 четырьмя сканированиями. Каждый проход охватывал примерно 6 × 4 градуса, а траектория повторялась с небольшим смещением по склонению. Телескоп двигался по области «змейкой», обследуя участок существенно шире собственного мгновенного поля зрения. Общая площадь составила около 24 квадратных градусов, суммарное время наблюдений — приблизительно 200 тысяч секунд. При этом медианная эффективная экспозиция отдельного положения на небе была около 830 секунд. Эти величины описывают разные части наблюдательной программы: длительность сеанса и время накопления сигнала в конкретной точке.

В диапазоне 4–12 килоэлектронвольт было обнаружено 29 источников, из которых 11 раньше не регистрировались другими рентгеновскими обсерваториями. Четыре новых объекта предварительно считались внегалактическими. Для отбора сравнивали вероятности двух моделей: только фон либо фон с точечным источником в заданном положении. Порог обнаружения подбирали по моделированию пустого поля с аналогичной экспозицией и фоном, рассчитывая примерно на один ложный источник в изучаемой области. Медианная чувствительность при 50-процентной полноте составляла 8 × 10⁻¹³ эрг в секунду на квадратный сантиметр. Каталог относится к полю ранних калибровочных наблюдений.

Архив наблюдений немецкого прибора

Первый публичный выпуск данных «еРОЗИТЫ» описывает западную галактическую полусферу, права на которую принадлежали немецкому консорциуму. Для него использованы первые шесть месяцев обзорных наблюдений, завершившихся в июне 2020 года. Основной каталог содержит почти 930 тысяч записей в диапазоне 0,2–2,3 килоэлектронвольта; отдельный более жёсткий список — 5466 источников в диапазоне 2,3–5 килоэлектронвольта. Это выпуск конкретной половины неба за определённый проход. Его размер нельзя напрямую приравнивать к общему числу мягких рентгеновских источников, которое РАН приводила как результат более продолжительной работы миссии.

Помимо каталогов, публичный архив включает откалиброванные списки событий, карты интенсивности, экспозиции, фона и чувствительности, спектры и кривые блеска источников. Доступным стал и пакет обработки «еСАСС» (eSASS4DR1). Вся обзорная сетка состоит из 4700 участков; в этот выпуск вошли 2447, причём 199 заполнены данными немецкой стороны лишь частично из-за разделённых прав. Материал обработан версией 010 программного конвейера. Наблюдения этапа первоначальной калибровки уже публиковались отдельно и в этот выпуск не входят.

Радиационный фон как отдельное измерение

АРТ-ХС используется и для наблюдения радиационной обстановки около точки Лагранжа L₂, расположенной примерно в полутора миллионах километров от Земли с противоположной Солнцу стороны. Там аппарат оказывается в области вытянутого магнитного хвоста Земли. Заряженные частицы создают нежелательный фон в рентгеновских детекторах, однако их регистрация позволяет отдельно изучать космическую погоду. После четырёхкратного роста фона, зафиксированного 28.10.2021 во время солнечных вспышек, был создан общедоступный монитор. Усиление потока частиц около аппарата связано с возмущением окружающей плазмы, а не с появлением новых далёких рентгеновских объектов.

Монитор использует скорость счёта детекторов в диапазоне 60–120 килоэлектронвольт. В нём влияние обычных астрофизических источников практически отсутствует, за исключением особенно ярких гамма-всплесков. После ежедневного сеанса связи программа обрабатывает полученные измерения и размещает их на сайте с задержкой примерно в сутки. Пользователь может выбирать временной интервал, просматривать кривую с автоматически подобранным усреднением от десяти минут до суток и загружать данные для дальнейшего анализа. Этот сервис описывает радиационную обстановку у обсерватории; он не является непрерывной мгновенной телеметрией и не подменяет обзорные каталоги неба.