Полная карта неба от «Спектра-РГ». Чем она важна


    www.roscosmos.ru/media/img/2020/June/rgb_final_annotated_fig1.png

    Может быть я ошибаюсь, но такое чувство, что знаковое событие во внеатмосферной астрономии, произошедшее 10 июня, прошло практически незамеченным. Речь про то, что космический флагман нашей и немецкой астрономии — телескоп «Спектр-РГ» завершил первое полное сканирование всего неба.

    Попробую это исправить. Для этого постараюсь объяснить в двух словах чем отличаются разные телескопы, чем важен для мировой науки этот аппарат и описать особенности его работы. Тем более, что судя по тем прошедшим публикациям, порой авторы не понимают, что означает фраза о его рекордной точности, относя ее вообще ко всем телескопам подобного диапазона.

    Дело в том, что орбитальные телескопы уже достаточно давно разбиваются на два типа: обзорные и детальные. Первые предназначены для поиска новых объектов на небесной сфере, желательно с составлением полной карты неба. Вторые уже нужны для детального изучения выявленных новых источников с выяснением их физической природы и дополнительных характеристик.

    Для первых допустимо использовать широкоугольные оптические системы, для вторых — системы с как можно меньшим углом. Кроме зоны осмотра это часто задает ограничения времени наблюдения. Самым близким аналогом является выдержка в фотографии. Чем более широкий угол объектива, тем меньше выдержка для получения одного снимка и наоборот. Ниже это будет показано на примере.

    Перед пуском вторых, должны идти первые станции. Именно это позволит ученым, управляющим первыми аппаратами, как сказал мне один астрофизик, рассказывая про «Спектр-РГ»: «Перестать тыкаться наудачу, как слепые котята».

    Лучше всего это можно показать на примере реальных телескопов. Например, первым обзорным аппаратом в диапазоне жесткого гамма-излучения был COS-B, запущенный в 1975 году. Он имел поле зрения порядка 30х30 градусов, то есть для полного перекрытия небесной сферы ему нужно было сделать 50 наблюдений. Из-за специфики его орбиты ожидалось, что он построит карту неба в гамма лучах за 4 года, а в реальности — за 6 лет работы только около половины всего неба. Но и это был очень весомый результат.

    image

    Для примера детальной станции можно взять НЕАО-2 «Эйнштейн» изучавшей в 1978-1981 годах мягкий рентгеновский диапазон. Ее поле зрения было порядка 1 градуса, разрешение до 2 угловых секунд, а чувствительность датчиков требовало выдержки около 104 секунд (2.7 часа).

    image

    Если бы от этого телескопа потребовали составить карту всего неба, ему бы понадобилось для этого порядка 100 лет. За время своей работы он просмотрел только 3% неба, но, с качественной точки зрения, это были очень важные 3%. Он изучил представителей почти всех классов рентгеновских источников и даже открыл новые.

    И он бы не смог это сделать, если бы ученые не знали заранее, куда смотреть, благодаря пусть и менее детальным картам всего неба, полученным обзорными телескопами.

    Так как обзор всего неба это качественный результат, повторять его другим аппаратам с тем же результатом обычно не имеет смысла. В отличии от детальных станций. Последних желательно иметь как можно больше, пусть и с равным разрешением. Это позволит быстрее изучить открытые районы.

    В обзорных системах для каждой следующей карты желательно повышать разрешение на порядки, что весьма не просто. И проблема даже не в том, что нужно переварить на порядок больший трафик аппарата.

    С технической точки зрения обзорный аппарат нужно делать стабилизированным вращением, чтобы за один виток он снимал узкую полосу на небе. И после каждого оборота новую. Именно эта схема и была реализована для «Спектра-РГ». Он был впервые для наших аппаратов выведен в точку Лагранжа, после чего занял постоянную ориентацию на Солнце и начал сканировать небо. Это хорошо видно на схеме из «Вестника» НПО им Лавочкина.

    image

    Полный период обращения аппарата вокруг своей оси составляет порядка 4 часов. За эти часы благодаря движению Земли, плоскость вращения аппарата изменилась приблизительно на 0.17 градуса и в поле зрения телескопов попали новые области неба.

    Выглядит просто, но каждая следующая карта дается со все большим трудом. Видно, что время сканирования, передачи данных и параметров сканирующей системы должны быть жестко синхронизированы.

    Но чем более узкое поле зрения, тем быстрее проходит объект через него. Скажем, при угле зрения 10х10 градусов, объект из плоскости эклиптики будет в поле зрения 105 секунд (почти сутки), а при угле 1х1 градус, максимально возможная выдержка падает в сто раз до 103 секунд (16 минут). Требования к приемникам возросли в 100 раз, а линейное разрешение всего в 10 раз. А если потребуем сделать следующий шаг, что максимально возможная выдержка снизится до считанных минут. А при такой выдержке даже в оптическом диапазоне могут быть проблемы, не говоря о рентгеновском.

    В результате, если изначально на обзорных аппаратах были достаточно простые приемники, то на том же «Спектре-РГ» применены сложнейшие телескопы косого падения, некоторые элементы которых могут изготовить буквально несколько предприятий в мире. И не факт, что когда все научные открытия «Спектра-РГ» будут изучены детальными телескопами, создание следующей обзорной станции будет упираться только в финансовые проблемы, а не встретит сложные технические и научные ограничения.

    image
    Сравнение одного участка неба с разных телескопов. АРТ-П/Гранат(детальный), ART-XC/Спектр-РГ (обзорный), NuSTAR (детальный)

    Впрочем, до этого еще далеко. Первая обзорная карта неба в рентгеновском диапазоне построена, за следующие несколько лет станция ее дополнительно уточнит, просканирует небо несколько раз. После чего на десятилетия затянется изучение новых объектов, как по данным «Спектра-РГ», так и при помощи более детальных станций.
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 24

      +2
      А в чем причина разницы изображений ART-XC и eROSITA?
        +6
        Так разные же телескопы. В том числе с разным диапазоном

        eROSITA — Энергетический диапазон, кэВ 0,3–11

        ART-XC Энергетический диапазон, кэВ 5-30

        В каждом диапазоне свои подводные камни выплывают при реализации. Но и в каждом свои плюсы.

        Например у eROSITA

        В результате в научную программу вошли фундаментальные задачи физики и космологии, такие, как, например, определение уравнения состояния тёмной энергии

        У ART-XC Телескоп рассчитан на более жёсткий диапазон, чем eRosita – от 6 до 30 кэВ, и даст обсерватории «СРГ» возможность получать широкополосные спектры от 0.2 до 30 кэВ для достаточно ярких галактических и внегалактических источников, особенно для источников с сильным поглощением на энергиях ниже 6 кэВ
        +1

        Эээ а точно угол съёмки объектива фотоаппарата и выдержка связаны? Не путаешь с диафрагмой?

          +2
          Речь про особенности реализации. Было бы очень круто если бы тех же габаритных и массовых характеристиках для аналогичного КА можно было создать длиннофокусный с той же светосилой, что и у ширика. Но чудес не бывает. Светосила будет падать. Хотя честно признаюсь, долго думал над этой фразой. Убирать или нет. Действительно вызывает вопросы. А верные формулировки слишком сложные для подобной статьи. Но решил оставить.

          Плюс для обзорных КА это ограничение имеет еще дополнительный смысл о чем и написал
            0
            Сложилось впечатление, что тут дело скорее в скорости вращения. Грубо говоря, если смотреть на дорогу через большое окно, то проезжающие машины можно наблюдать несколько секунд, а если смотреть на эту же дорогу через свернутый в трубочку лист бумаги, то машины через неё наблюдаемые будут проскакивать почти мгновенно. Точно так же как птица, с субъективно, пролетает перед нами быстрей чем самолет высоко в небе, хотя скорости их не сравнимы. Прямого отношения к светосиле это не имеет, это скорее экспозиция в общем смысле (время наблюдения, так сказать). Каким-то аналогом является фотосъемка «с проводкой», когда фотограф «ведет» объектив за движущимся объектом, но в земных масштабах проблем с экспозицией возникнуть не может

            Параллель с оптикой для фотоаппаратов тут не совсем верная, так как у длиннофокусных объективов светосила меньше (в среднем и относительно) из-за большего количества линз в конструкции, (большие) телескопы так не делают
              +4
              Так речь не про большие телескопы. Речь про платформы КА которые часто ограничены по массе. В том числе массе научной аппаратуры. Да и на Земле, светосила зависит даже не от числа линз (их может быть мало. В Таире -3 штуки), а от их диаметра и массы. Это хорошо видно для зеркально-линзовых объективов. Да, можно вытянуть и там светосилу. За счет увеличение диаметра объектива. Но масса тогда растет совсем неприлично.

              Вот 500 мм/8
              image

              А вот 500 мм/3.5

              image

              Но конечно и вращение неба вносит свою вклад.
              Нда. Надо было все-таки удалить эту фразу
                0
                Основное ограничение светосилы для телескопов — это допуск на искривление поверхности оптических элементов.
                  0
                  нет, не только допуском на искривление поверхности
                  1. физика ограничивает светосилу значением 0.5
                  2. основное зеркало должно соответствовать фокусному, то есть если вы хотите получить светосилу 1.0, фокусное — 3 метра, то основное зеркало должно быть 3м,
                  что для космоса ооочень дорого и тяжело
                  3. чем больше поверхностей — тем хуже светопропускание, а в данной задаче важна не только светосила, но и светопропускание объектива
                  — и ещё — разрешающая способность зависит от диаметра основного зеркала и от длины волны (энергии радиоимпульса), таким образом первоочередным для астрономии вывод телескопов с большим диаметром аппертуры, а нужную энергетику можно получить выдержкой. Думаю не ошибусь, если скажу, что для астрономии вывести в качестве основного зеркала бублик и диаметром 10 метров было бы ценнее, чем цельное зеркало диаметром 3метра такой же площади.
                  0
                  Вы все правильно пишете. Я, как технарь, недавно ставший фотолюбителем, убиваюсь на фотофорумах об вопиющую некомпетентность тамошней публики в технических вопросах. Ну мы ж творческие люди, чего нам железки какие-то бренные. Спор от том, с чем же связан угол съёмки — с «диафрагмой» (не совсем уместный термин в данном контексте) или с выдержкой, может растянуться на 1000 страниц. Идея, что это три взаимосвязанных параметра, у многих просто в голове не помещается.
                    0
                    Но конечно и вращение неба вносит свою вклад.
                    Нда. Надо было все-таки удалить эту фразу

                    Просто выходит, что телескоп с меньшим углом обзора обречен чертить небо дольше, чем телескоп с большим охватом. Чисто механически

                    А вот сейчас вспомнил про один момент, связанный с точкой Лагранжа — Земля там не полностью перекрывает Солнце, да и аппарат питается за счет панелей. Насколько наше светило ему тогда мешает?
                      0
                      Просто кроме прямого увеличения числа нужных снимков так получается что и на каждый снимок приходится делать большую выдержку. Что дополнительно в разы увеличивает время полного сканирования. Но я уже понял, что это была лишняя сущность.

                      А чем мешает? В сканировании мешать не должен. Другая плоскость. В связи? Так главный канал с КА на Землю. И этому приему ничего не мешает. Солнце с другой стороны
                        0
                        А чем мешает? В сканировании мешать не должен. Другая плоскость. В связи? Так главный канал с КА на Землю. И этому приему ничего не мешает. Солнце с другой стороны

                        Криво сформулировал, извините. Спрашивал про то, зачем закинули аж в L2, где без постоянных коррекций не удержаться
                          0
                          Так это самая удобная точка. Ось вращения направлена как на Солнце, так и Землю. А значит во время работы можно часто не перестраивать солнечные батареи и антенны.
                          0
                          Просто кроме прямого увеличения числа нужных снимков так получается что и на каждый снимок приходится делать большую выдержку. Что дополнительно в разы увеличивает время полного сканирования.

                          При том же диаметре зеркала и шумах матрицы должно быть все наоборот. Слабые звезды — это точечный объект. Они помещаются в пиксель. Т.е. шум матрицы ровно такой же, а вот шум от неба ниже.
                      +1
                      Не так много на линзах теряется, не из-за этого меньше светосила. Из конуса 10° фотонов на единицу площади приходит в сто раз больше, чем из конуса 1°.
                      0
                      Для меня фраза оказалась достаточно понятной. Попробую пояснить со своей точки зрения (дилетантской, может быть не совсем верной):
                      имеем две почти одинаковых оптические системы но с разными углами зрения — 10°x10° и 1°x1°. В обоих используются одинаковые матрицы приёмника — 100x100 пикселей.
                      Допустим на один пиксель широкого поля прилетело 1000 фотонов. Но для узкого поля те-же 1000 фотонов будут распределены уже между ста пикселями.
                      Получаем зависимость: чувствительность падает с квадратичной зависимостью от поля зрения.
                      0
                      Подозреваю, что автор забыл сделать оговорку про одинаковый диаметр входного зрачка.
                      У 300mm F/4 и 50mm F/0.75 входной зрачок будет 75 мм, но собирать они будут очень разное количество света
                        +2
                        удивительно =) но собарать они будут одинаковое количество сигнала =)
                        если считать сигналом свет от звезды и оптику считать идеальной, которая фокусирует звезду именно в точку, то оба объектива дадут одинаковый сигнал от зведы в точке =))
                        таким образом нужно бороться не за светосилу — а за диаметр входного зрачка)
                      0
                      такое чувство, что знаковое событие во внеатмосферной астрономии, произошедшее 10 июня, прошло практически незамеченным.
                      Ну да, это ж не парад или голосование по поправкам
                        +1
                        пользуясь случаем ;) оооочень ждем второй том! =)
                        ps: ну и книгу по мотивам как создавались Спектр-Р и Спектр-РГ =)
                        очень легко, приятно и интересно читать ваши книги)
                          +2
                          Карантин как и многим обрубил планы. Чтобы написать качественную книгу мне нужно получить в архиве документы потом их их осмыслить, и отобразить в книге желательно и доступно и точно. Собственно заметную часть проектов я уже изучил, но белые пятна остались. В том числе нашлись белые пятна в обработанном материале. Так как вернусь к этой эпохе не скоро, хочется выдать как можно более полный и эксклюзивный материал. Другими словами документы первичны, их догадками не заменить. В начале апреля должен был ими заняться. Увы. Пока «Комарова» выпустил
                          +3
                          В рентгене обычно используется термин «скользящее падение — grazing incidence»
                            +1
                            В результате, если изначально на обзорных аппаратах были достаточно простые приемники, то на том же «Спектре-РГ» применены сложнейшие телескопы косого падения, некоторые элементы которых могут изготовить буквально несколько предприятий в мире.

                            Напрямую чувствительность «Спектра-РГ» связана не с конструкцией оптики (зеркалами), а с полной конструкцией телескопов и новыми детекторами. У того же обзорного ROSATа, который стоило бы упомянуть в таком обзоре, и с которым сравнивают «Спектр-РГ», была та же оптика косого падения, и угол обзора 2 градуса (eROSITA 1 градус). Сила каждого из двух новых телескопов в современных принимающих детекторах, и в конструкции телескопа, который состоит фактически из семи телескопов с семью детекторами, в которых суммируются принятые данные от каждого наблюдаемого источника.
                              0

                              Я на все космические агенства в твиттере подписан, и когда роскосмос стал ввкладывать отдельные изображения с этого телескопа, подумал, что интереса у публики не будет. Ну что такое две яркие красные пиксельные точки, окруженые желтыми и все это на синем фоне. Ага, написано, что это два новых источника рентгеновского излучения, ну и что? Как на расфокусированной камере смартфона, фигня какая то. А вот была бы картинка типа как с Хабб тогда — другой бы был интерес. Публике, а именно от нее ждут заинтересованности, нужна картинка, ученые то наверняка в восторге!)

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое