05.08.2019

Глубина неба

На днях случилось, увы, предсказуемое для нашей космической отрасли событие. Старт ракеты-носитель «протон-М» с разгонным блоком дМ-03 и новой уникальной космической обсерваторией «Спектр-РГ» был отменён и перенесён на резервную дату из-за замечаний к разгонному блоку ракеты. Как говорят учёные, «Спектр-РГ» попытается ответить на вопрос, как проходила эволюция галактик, как они рождались: будут изучены все этапы их развития. Космический аппарат будет выведен в окрестность точки лагранжа L2 системы Солнце – земля. проведение астрофизических исследований запланировано в течение 6,5 года, из которых 4 года – в режиме сканирования звёздного неба, а 2,5 года – в режиме точечного наблюдения объектов во Вселенной по заявкам мирового научного сообщества. Как мы уже рассказывали, «Спектр-РГ» включает в себя два телескопа: ART-XC, созданный Рфяц-ВНИИЭф совместно с Институтом космических исследований РАН, а также eRosita, изготовленный Институтом внеземной физики общества имени Макса планка (Германия). теперь пришло время рассказать о том, как телескоп создавался в недрах ВНИИЭф. о подробностях создания телескопа, его задачах и возможностях «Вестнику Атомпрома» рассказали начальник научно-конструкторского отделения ИлфИ Рфяц-ВНИИЭф Сергей Григорович и начальник научно-конструкторского отдела ИлфИ Рфяц-ВНИИЭф Михаил Гарин.

В чём принципиальное ноу-хау телескопа?
ART-XC первый в России рентгеновский телескоп на основе зеркал скользящего падения, так же как и eROSITA – второй телескоп обсерватории. Применение этой оптики, а также полупроводниковых детекторов на основе кадмий-теллура позволяет увеличить разрешающую способность и чувствительность в десятки раз. В отличие от запускавшихся ранее зарубежных рентгеновских телескопов, телескоп ART-XC способен работать в «жёстком» диапазоне энергий – 6–30 кэВ, в то время как дополняющий его eROSITA рассчитан на более «мягкий» диапазон – 0,3–10 кэВ. Такая широта охвата позволит обсерватории выявить не обнаруженные ранее астрофизические объекты.
Как долго велась работа по созданию телескопа и насколько сложные задачи стояли перед создателями проекта? РФЯЦ-ВНИИЭФ подключился к разработке телескопа в 2007 году, а 12 декабря 2016 года был изготовлен лётный образец телескопа, который сейчас в составе обсерватории «Спектр-РГ» готовится к запуску. Задачи приходилось решать самые разнообразные. Нужно было уложиться в требования по массе и габаритам и при этом обеспечить требуемую жёсткость и прочность конструкции. Необходимо было обеспечить требуемый тепловой режим для рентгеновских детекторов и оптической системы, что удалось сделать не сразу, поэтому система модернизировалась поэтапно по результатам нескольких испытаний и многочисленных расчётов. Потребовалось освоить новые для нас материалы и технологии, к примеру, корпус телескопа состоит из углепластикового тубуса длиной 3 метра и титановых фланцев диаметром чуть меньше метра. Тубус изготовило обнинское ОНПП «Технология», фланцы – нижегородское ООО «Оптомех НН». А вот для того чтобы собрать из этих деталей корпус и обеспечить высокую точность при немалых габаритах, потребовалась разработка технологии сборки и изготовление специальной оснастки. Далее отработка этой технологии на опытных образцах и только потом сборка лётного варианта. Вообще, сборка рентгеновской оптической системы была одной из сложнейших задач, которую пришлось решать: установка оптических элементов требует точности в несколько угловых секунд или микрон, если в линейных размерах, требования по точности настолько высокие, что потребовалось учитывать даже влияние силы тяжести и компенсировать это влияние в ходе сборки. Для сборки и юстировки телескопа был создан уникальный оптический стенд с использованием лазеров. Была проведена длительная и кропотливая отработка на опытном образце и затем собран лётный образец телескопа. Или, скажем, создание уникальных рентгеновских детекторов – эту задачу решал Институт космических исследований РАН, который являлся для нас заказчиком этой работы и в тесном сотрудничестве с которым велись работы по созданию телескопа. И, наконец, проведение многочисленных и разнообразных испытаний на опытных образцах телескопа: решение этой задачи потребовало создание разнообразной специализированной оснастки, контрольно-измерительной и технологической аппаратуры, а также создание обширной кооперации. Испытания проводились в московских НПО «Молния» и во ВНИИА им. Духова, в самарском АО «РКЦ «Прогресс» и, конечно, у нас в РФЯЦ-ВНИИЭФ.

Как удалось добиться того, что величина микронеровностей на отражающей поверхности зеркал телескопа не превышает 1 нм?
Изготовление рентгеновских зеркал – довольно длительный и сложный технологический процесс. Сначала на токарном станке с ЧПУ изготавливается матрица, затем на её поверхность в гальванической ванне наносится никель, никель снова протачивается. К слову сказать, требуется высочайшая точность обработки. Затем начинается процесс полировки этой матрицы, который может длиться до двух недель. Когда эта технология создавалась, то были опробованы разные способы полировки, подбирались абразивные материалы, чтобы в итоге добиться нужных характеристик поверхности. Затем, когда матрица отполирована, на её поверхности, опять-таки в гальванической ванне, выращивается зеркало, которое затем, как слепок, с неё снимается.

Изучать чёрные дыры планируется с помощью рентгеновского излучения. А каков принцип?
Вокруг чёрной дыры образуется аккреционный диск, который излучает, в том числе, и в рентгеновском диапазоне. Вот это излучение и позволяет получать информацию о чёрной дыре. Другая задача телескопа – получить рекордно глубокую карту всего неба в диапазоне энергий 5–11 кэВ и карты областей полюсов эклиптики в диапазоне энергий 5–30 кэВ. В этом диапазоне поглощение в межзвёздной среде меньше влияет на регистрируемый поток излучения по сравнению с более низкими энергиями. В сочетании с хорошим угловым разрешением телескопа это позволит уверенно регистрировать и локализовывать жёсткие рентгеновские источники по всему небу. В частности, можно будет обнаружить более тысячи активных ядер галактик, в том числе и упомянутые несколько тысяч активно растущих сверхмассивных чёрных дыр, скрытых от нас в других диапазонах длин волн толстым «коконом» из пыли и газа, который окружает аккреционный диск. Впервые получить большую выборку аккрецирующих белых карликов в нашей Галактике и измерить их массы и другие характеристики. Регистрировать транзиентные рентгеновские источники (объекты с переменной яркостью) на небе, среди которых могут оказаться объекты новых типов.

Какие ещё разработки ведутся РФЯЦ-ВНИИЭФ для изучения космоса?
В настоящий момент после некоторого перерыва возобновились работы по созданию блока спектрографов ультрафиолетового телескопа Т170-М для космической обсерватории «Спектр-УФ». Сам телескоп и космическую платформу создаёт НПО им. С.А. Лавочкина. Ещё одно направление – создание модификации телескопа ART-XC для проекта «ГАММА-400». Новый телескоп должен обладать улучшенными характеристиками. Сейчас идёт разработка эскизного проекта.