Космические телескопы

Телескоп Эйнштейн

Обсерватория HEAO-2 или обсерватория имени Эйнштейна — первая в мире орбитальная обсерватория с зеркалами, имеющими возможность фокусировать рентгеновские лучи. Принцип работы зеркал обсерватории основан на скользящем отражении рентгеновских фотонов, падающих на апертуру телескопа. До запуска обсерватория называлась HEAO-B, после успешного начала работы обсерватория была переименована в обсерваторию имени Эйнштейна. Обсерватория была запущена с мыса Канаверал, Флорида, США на ракете Атлас с разгонным блоком ЦентаврSLV-3D. Высота орбиты обсерватории была около 500 км, наклонение около 23.5 градуса.

Инструменты
Обсерватория несла один рентгеновский телескоп (фокусирующий рентгеновские лучи за счет их отражения на скользящих углах) эффективной площадью около 400 кв.см на энергии 0.25 кэВ с уменьшением до ~30 кв.см на энергии 4 кэВ. В фокальной плоскости телескопа были установлены следующие инструменты.

^{Схема расположения инструментов обсерватории им Эйнштейна/HEAO2}

HRI (High Resolution Imaging camera) — позиционно чувствительная камера высокого разрешения, рабочий диапазон энергий 0.13-3.5 кэВ.

Инструмент не имел собственного спектрального разрешения, однако мог быть использован в совместно с дифракционной решёткой (OGS). В этой конфигурации инструмент позволял достичь рекордного для того времени энергетического разрешения 10-50 в относительно широкой полосе энергий. Ввиду общего принципа работы инструмента его квантовая эффективность было невелика — эффективная площадь инструмента составляла всего 10-20 кв.см на энергиях ниже 1 кэВ и 5 кв.см. на энергии 2 кэВ.

Однако угловое разрешение инструмента позволяло полностью использовать возможности фокусирующей оптики обсерватории — в пределах 5 угловых минут от оси поля зрения телескопа угловое разрешение инструмента составляло около 2 угл.секунд (зависело только от качества оптики рентгеновских зеркал). Такое угловое разрешение оставалось рекордным вплоть до запуска на орбиту обсерватории Чандра в 1999 году.

Измерения положений и морфологии большого количества рентгеновских источников как в нашей Галактики так и вне нашей Галактики привело к огромному скачку в понимании природы различных рентгеновских объектов.

IPC (Imaging Proportional Counter)- пропорциональный счётчик, позиционно чувствительный, рабочий диапазон энергий 0.4-4 кэВ Квантовая эффективность пропорционального счетчика значительно превосходила таковую микроканальной камеры высокого разрешения (HRI), и, следовательно, благодаря именно этому инструменту обсерватории им Эйнштейна удалось провести большую серию различных обзоров неба, включая глубокие, с чувствительностями до 10⁻¹⁴ эрг/с/кв.см. Эффективная площадь инструмента составляла около 100 кв.см., угловое разрешением около 1 угл. минуты. В комбинации с инструментом HRI обзоры рентгеновского неба, проведенные инструментом IPC дали первые наблюдательные факты о популяциях аккрецирующих чёрных дыр в центрах галактик. Одним из важнейших результатов наблюдений инструментов IPC и HRI является следующее — впервые было показано, что космической рентгеновский фон, обнаруженный уже первыми рентгеновскими инструментами, создается суммарным излучением огромного количества внегалактических источников, преимущественно, активных ядер галактик.

SSS (Solid State Spectrometer) — твердотельный спектрометр (lithium-drifted Si(Li)), рабочий диапазон энергий 0.5-4.5 кэВ. Детектор закрывал собой размер около 5 угл минут и располагался не точно в фокусе рентгеновского телескопа (изображение источников на детекторе имело размер около 1 угл минуты). Рабочая температура детектора составляла около 100К, что приводило к намораживанию льда на его поверхность и, следовательно, ухудшало чувствительность в мягком рентгеновском диапазоне. Периодически, перед длинными сериями наблюдений, детектор нагревали до температуры 220К, что позволяло уменьшать количество льда на детекторе. После 9 месяцев периодической разморозки детектора удалось практически полностью избавится от льда. Несмотря на это для детектора была построена модель изменения функции отклика в зависимости от времени, что позволяло иметь достаточно точные калибровочные данные на любой момент наблюдений. В октябре 1979 года (между 3 и 13 октября), в согласии с расчётами, криогенная система охлаждения детектора исчерпала запасы охладителя, что привело к выходу из строя инструмента. При значительной эффективной площади (около 200 кв.см) инструмент SSS имел рекордное энергетическое разрешение 160 эВ в диапазоне энергий 0.3-4 кэВ. Следующий шаг в улучшении энергетического разрешения рентгеновских инструментов удалось сделать только на японской обсерватории АСКА, запущенной в 1993 году.

FPCS (Bragg Focal Plane Crystal Spectrometer) — Брегговский кристаллический фокальный спектрометр Спектрометр состоял из 6 различных кристаллов-диффракторов. Спектрометр имел возможность наблюдать через 4 различных поля зрения 1´ x 20´, 2´ x 20´, 3´ x 30´, и через круглое поле зрения диаметром 6´. В реальных наблюдений использовались только три последних. Эффективная площадь спектрометра составляла от 0.1 до 1 кв.см. с энергетическим разрешением Е/dE=50-1000. В каждом конкретном наблюдении спектрометра измерялся спектр только в достаточно узкой энергетической полосе — около 20-80 эВ. В результате наблюдений получены спектры высокого разрешения более 40 источников.

^{Изображение эллиптической галактики NGC 4472, полученное инструментом IPC обсерватории им ЭйнштейнаHEAO2. Измерения обсерватории HEOA2 впервые показали наличие горячего газа в межзвездной среде галактик (из работы).}

OGS (Objective grating spectrometer) — Спектрометр на дифракционной решётке. Работал в комплексе с позиционно чувствительной камерой HRI.

Отдельно от фокусирующего телескопа был установлен пропорциональный счетчик MPC (Monitor Proportional Counter) рабочий диапазон энергий 1-20кэВ.

Газовый пропорциональный счетчик MPC был заполнен смесью аргона и углекислого газа. Он имел круглое поле зрения, ограниченное коллиматором с размером 1.5 градуса (ширина на полувысоте), оптическая ось которого была сонаправлена с оптической осью рентгеновского телескопа обсерватории. 1.5 миллиметровое бериллиевое окно являлось крушкой газового объема и в то же время защищала газовый счетчик от фотонов ультрафиолетового диапазона. Эффективная площадь детектора — 667 кв.см. Энергия фотона, задетектированного инструментом оцифровывалась в один иа 8 каналов, ширина которых увеличивалась логарифмически с 0.4 кэВ на нижнем крае рабочего диапазона прибора, до 6.7 кэВ на верхнем крае. Энергетическое разрешение прибора составляло 20 % на энергии 6 кэВ. Инструмент работал в период с 19 ноября 1978 года до апреля 1981 года, за исключением 3-х месячного периода между 27 августа 1980 и 8 декабря 1980. В этот период инструмент был выключен ввиду проблем с ориентацией космического аппарата.