Ученые Института космических исследований Российской академии наук, специалисты АО «НПО им. Лавочкина» и Баллистического центра Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН с помощью телескопа ART-XC на борту орбитальной обсерватории «Спектр-РГ» провели серию наблюдений нескольких быстровращающихся рентгеновских пульсаров (периоды вращения 16–150 миллисекунд) и смогли определить время приходящих из космоса сигналов с высочайшей точностью. Эти наблюдения, наряду со штатными измерениями параметров траектории космического аппарата (КА), позволили провести юстировку бортовых часов относительно мирового времени с миллисекундной точностью. Это критически важно не только для астрофизических исследований, но и для решения прикладных задач космической навигации. Более того, было показано, что приемлемые навигационные параметры спутника можно получать, используя только данные измерений пульсаров. Это открывает возможности для создания системы автономной навигации КА по сигналам рентгеновских пульсаров.

«Современное состояние дел с навигацией космических аппаратов, говоря образно, похоже на ситуацию с навигацией морских кораблей эпохи Великих географических открытий, — объясняет профессор РАН Александр Лутовинов, заместитель директора ИКИ РАН. — Пока корабль находится близко от берега (или, в случае космического аппарата, от Земли), то определить его точное положение совсем не трудно. Когда же Земля далеко и привычные ориентиры теряются, то задача становится значительно сложнее. Полеты к Марсу, Венере, сложные маневры около далеких планет требуют проведения длительных и регулярных измерений положения КА, которые проводятся с Земли специальными радио- и оптическими телескопами».

В ИКИ РАН совместно с НПОЛ и Баллистическим центром ИПМ РАН началась разработка системы рентгеновской навигации — автономной системы навигации космических аппаратов по сигналам рентгеновских пульсаров. Это быстровращающиеся нейтронные звезды, которые посылают в космос короткие (длительностью миллисекунды или десятки миллисекунд) периодические импульсы рентгеновского излучения.

Формы таких импульсов уникальны для разных пульсаров, и, более того, они оказываются стабильными на длительных временных масштабах, сравниваясь со стабильностью атомных часов. Это свойство можно использовать для определения текущих координат КА и проверки точности хода его бортовых часов — это ключевое обстоятельство для решаемых КА задач. Фактически, пульсары являются природными «маяками» Вселенной, которые позволяют создать абсолютную систему навигации космических аппаратов.

«Технические характеристики российского рентгеновского телескопа ART-XC позволили впервые в России провести эксперименты по автономной навигации КА, — продолжает Александр Лутовинов. — В первую очередь, независимым образом по данным измерений сигналов рентгеновских пульсаров была определена точность хода бортовых часов КА, что необходимо в том числе для точной привязки положения КА относительно Земли. Здесь снова возникает аналогия с морскими судами. Если штурманы прошлых столетий довольно легко определяли широту корабля по положению Полярной звезды, то точно определить долготу стало возможным только в середине XVIII века, после создания высокоточных хронометров.

Успешное проведение эксперимента по рентгеновской навигации с помощью телескопа ART-XC открывает дальнейшие перспективы создания такой системы».

Проведенная серия наблюдений позволила не только уточнить законы хода бортовых часов обсерватории, но и начать детальные исследования целого ряда быстропеременных объектов Вселенной. Один из них — источник PSR B1509-58. Это быстровращающаяся нейтронная звезда (период ~150 мсек), находящаяся в пульсарной туманности «Рука Бога» (Hand of God).

Изображение пульсара PSR B1509-58, полученное в ходе специализированных экспериментов, проведенных с борта космической обсерватории «Спектр-РГ» с помощью телескопа ART-XC (показано зеленым) и пульсарной туманности «Рука Бога» по данным обсерватории Chandra NASA (представлено красным и синим цветами). На вставке показана форма сигнала, регистрируемого телескопом ART-XC, в соответствие с которым меняется наблюдаемая интенсивность излучения пульсара. Кликните по изображению, чтобы увидеть анимацию в большем размере. Автор: С. В. Мольков, ИКИ РАН

На представленной картинке видна не только нейтронная звезда, которую телескоп ART-XC регистрирует в рентгеновском диапазоне 4-12 кэВ, но и излучение самой туманности, возникающее при взаимодействии частиц, испускаемых пульсаром, с окружающим веществом, оставшимся от взрыва сверхновой. Туманность излучает в мягком рентгеновском диапазоне и показана на рисунке синим и красным цветами (данные американской космической обсерватории Chandra). Хорошо видны очертания руки, отсюда и поэтическое название объекта.

Скоро исполнится год успешной работе обсерватории «Спектр-РГ», которая завершает свой первый обзор всего неба. Если искать параллели результатам телескопа ART-XC в древнегреческой мифологии, то можно сказать, что «Рука Бога» времени Хроноса озаряет путь «Спектр-РГ».

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3-8 кэВ) и жестком (4-20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Обсерватория должна проработать в космосе не менее 6,5 лет.

• Научный руководитель миссии: академик Рашид Алиевич Сюняев;
• Научный руководитель по телескопу ART-XC (Россия): доктор физ.-мат. наук Михаил Николаевич Павлинский;
• Научный руководитель по телескопу eROSITA (Германия): доктор Петер Предель.

- Новости проекта «Спектр-РГ»