Космический эксперимент МВН на МКС: первый свет и начало наблюдений

В феврале 2025 г. завершились проверки аппаратуры эксперимента «Монитор всего неба» на Российском сегменте Международной космической станции.

Рентгеновский монитор СПИН-Х1-МВН был установлен на внешней поверхности Российского сегмента МКС 19 декабря 2024 г. Монтаж аппаратуры был осуществлен силами российского экипажа: Алексея Овчинина, Ивана Вагнера и Александра Горбунова. Научная аппаратура была создана в отделе астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, подготовкой и сопровождением эксперимента занимаются Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королёва, ЦУП АО «ЦНИИмаш», Центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина.

Основная цель эксперимента — измерение поверхностной яркости космического рентгеновского фона в диапазоне энергий 6–70 кэВ с более высокой точностью по сравнению с имеющимися измерениями.

Инструмент СПИН-Х1-МВН жестко закреплен на посадочном месте и ориентирован в зенит станции, то есть все время «смотрит» в направлении от Земли. Таким образом, примерно за 90 минут (период обращения МКС вокруг Земли) он «заметает» полоску на небе шириной около 3 угловых градусов (поле зрения прибора, ограниченное коллиматорами), а за 72 дня (прецессионный период станции) делает полный обзор всего неба за исключением областей полюсов эклиптики. Именно поэтому эксперимент и получил название «Монитор всего неба».

Основной метод измерения — периодическое перекрытие поля зрения каждого из четырех детекторов на основе теллурида кадмия вращающимся экраном (обтюратором), непрозрачным для рентгеновского излучения. В результате каждый детектор периодически открывается на 30 секунд для регистрации излучения, приходящего из космоса, а затем на 30 секунд закрывается.

Яркость космического рентгеновского фона в результате определяется как разность показаний детектора в открытом и закрытом состоянии при наблюдении частей неба, свободных от ярких галактических источников. Ожидается, что точность измерений в несколько процентов будет достигнута при накоплении статистики в течение непрерывных трехлетних наблюдений.

Вращение обтюратора было включено сразу после установки монитора в декабре 2024 г. Затем проводилась последовательная проверка и включение всех его систем, которая завершилась в феврале 2025 г. введением всех детекторов в штатный режим работы.

Скорость счета детектора МВН при прохождении поля зрения через область Солнца. На середине засветки детектора солнечное излучение перекрывалось обтюратором на полминуты. Красным показано движение Солнца относительно поля зрения МВН, черным — темп счета. Изображение: С. В. Мольков, ИКИ РАН

Еще во время первого тестового 15-минутного включения одного из детекторов 27 декабря 2024 г. через поле зрения инструмента проходило Солнце. Это событие не только продемонстрировало возможность детектора фиксировать солнечное рентгеновское излучение и измерять его спектральные характеристики, но и наглядно показало, что обтюратор штатно работает и выполняет свою функцию.

Для задач эксперимента важно знать текущие спектральные характеристики прибора. Иначе говоря, надо соотносить показания прибора с реальными измеряемыми параметрами.

Для этих целей постановщики эксперимента предусмотрели блок калибровочных источников (БКИ), который механическим образом выдвигается в поле зрения детекторов. БКИ содержит изотоп америция-241 (Am-241), который имеет набор линий излучения в рабочем энергетическом диапазоне МВН, что и позволяет калибровать энергетическую шкалу.

Важная задача, которая стоит перед постановщиками эксперимента, — правильный учет «паразитного» фонового сигнала, который складывается, во-первых, из фона самого прибора и, во-вторых, из высокоэнергетических заряженных частиц в околоземном пространстве.

МКС обращается по низкой (высота около 400 км) круговой орбите, то есть большую часть времени находится под защитой магнитного поля Земли, которое «отсекает» львиную долю высокоэнергичных заряженных частиц, в основном испускаемых Солнцем. Однако в магнитном щите Земли есть «слабое место» — область Южно-Атлантической аномалии (ЮАА), простирающаяся от южноамериканского континента через Атлантический океан к южной части Африки, где напряженность магнитного поля резко падает, а с ней падает и сопротивляемость потоку заряженных частиц. Кроме того, наклонение орбиты МКС к экватору Земли составляет около 52 градусов и, следовательно, трасса МКС проходит через высокие широты, то есть приближается к магнитным полюсам Земли. В этих местах силовые магнитные линии направлены почти перпендикулярно поверхности Земли, что способствует проникновению заряженных частиц, «путешествующих» именно по силовым линиям, в области существенно более низких высот.

В настоящее время идет отработка и подстройка механизмов фильтрации и учета общего «паразитного» фона.

Скорость счета одного из детекторов эксперимента МВН в течение суток наблюдений (вверху). Детальные кривые блеска со всех четырех детекторов момента прохождения через поле зрения источника Sco X-1 (внизу слева) и во время гигантского всплеска вблизи южного магнитного полюса (внизу справа). Внизу в середине показан спектр, регистрируемый одним из пикселей детектора от калибровочного источника. Изображение: С. В. Мольков, ИКИ РАН

Для иллюстрации работы эксперимента МВН и разнообразия принимаемых им сигналов на рисунке приведена скорость счета одного из детекторов в течение суток и обозначены события, соответствующие ее повышенным значениям: интенсивные пики соответствуют времени прохождения МКС через ЮАА; регистрируется излучение от небесного рентгеновского источника — ярчайшей аккрецирующей нейтронной звезды Sco X-1; наблюдается значимое повышение скорости счета при выдвижении БКИ в поле зрения; присутствует гигантский импульс излучения в районе прохождения южного магнитного полюса.

В нижней части рисунка приведены более детальные кривые блеска для всех детекторов во время этих событий. Отчетливо видна модуляция обтюратором при наблюдении источника Sco X-1.

Интересно, что если модуляция при наблюдении небесного источника не вызывает вопросов, то модуляция сигнала гигантского всплеска стала совершенно неожиданным событием. Дело в том, что, предположительно, данный всплеск вызван резким увеличением потока заряженных частиц, которые высвобождают энергию на окружающих детектор конструкциях. В таком случае излучение должно регистрироваться со всех направлений. Однако в реальности поток частиц шел именно через апертуру прибора. Вероятнее всего, это произошло из-за нахождения прибора в районе полярных шапок, где магнитные линии практически параллельны оптической оси инструмента.

На отдельной вставке также показан пример регистрируемого детекторами энергетического спектра от калибровочного источника (BKI).

Для наглядности на приложенных картах показана интенсивность регистрируемого сигнала в зависимости от направления на небесной сфере и от координат подспутниковой точки, т.е. места на Земле, из которого наблюдался бы тот же участок небесной сферы, который в данный момент наблюдается МВН.

Name

На картах цветом показана интенсивность сигнала, регистрируемого в эксперимента МВН, 1–12 февраля 2025 г. Изображение: С. В. Мольков, ИКИ РАН

На первой карте четко виден источник Sco X-1, а на второй хорошо очерчиваются контуры Южно-Атлантической аномалии, видны проходы полем зрения МВН через источник Sco X-1, можно отметить повышение сигнала около магнитных полюсов, особенно в районе Южного магнитного полюса, где случаются очень мощные события.

Таким образом, сегодня можно сказать, что аппаратура МВН продемонстрировала способность фиксировать все воздействия высокоэнергичных частиц и фотонов, попадающих в поле зрения рентгеновского монитора и при этом отделять эти воздействия от инструментального фона прибора с помощью обтюратора. Это дает возможность наряду с основной задачей эксперимента ставить и решать ряд сопутствующих научных и технологических задач, связанных с исследованиями Солнца, высокоэнергичных частиц, радиационной нагрузки на детекторы и т.д.

Тэги

Монитор всего неба/МКС