Кіріспе
Рентгендік ғарыш обсерваториясы
Бастапқыда екі жылға қаржыландырылып, он жылдық қызмет мерзімі көзделген ғарыш кемесі қазірге жақсы жағдайда және бірнеше рет миссиясы ұзартылды, соңғысы 2023 жылдың наурызында болды. 2026 жылдың соңына дейін жұмыс істеуі жоспарлануда. ЕКА XMM-Ньютонды жоғары энергиялы астрофизикаға арналған Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) телескопымен алмастыруды жоспарлап отыр, ол Космикалық көрініс 2015–2025 жоспарындағы екінші ірі миссия және 2035 жылы ұшырылуы тиіс. XMM-Ньютон 1999 жылы ұшырылған NASA-ның Chandra рентгендік обсерваториясына ұқсас. 2018 жылдың мамыр айына қарай XMM-Ньютон немесе оның ғылыми нәтижелері туралы 5600-ге жуық мақала жарияланды.
Initially funded for two years, with a ten year design life, the spacecraft remains in good health and has received repeated mission extensions, most recently in March 2023 and is scheduled to operate until the end of 2026. ESA plans to succeed XMM Newton with the Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), the second large mission in the Cosmic Vision 2015–2025 plan, to be launched in 2035. XMM Newton is similar to NASA's Chandra X ray Observatory, also launched in 1999. As of May 2018, close to 5,600 papers have been published about either XMM Newton or the scientific results it has returned.
Концепт және миссия тарихы
XMM Newton бақылау аясына астрономиялық объектілерден келетін рентген сәулелерін анықтау, жұлдыздар тууының аймақтарын егжей-тегжейлі зерттеу, галактикалар шоғырларының қалыптасуы мен эволюциясын зерттеу, аса зор қара тесіктердің айналасын және құпия қара материяның картасын жасау кіреді. 1982 жылы, тіпті XMM Newton-ның алдағысы EXOSAT 1983 жылы ұшырылудан бұрын, "көп айналы" рентгендік телескоп миссиясы жөніндегі ұсыныс жасалды. XMM миссиясы 1984 жылы ESA Ғылыми бағдарлама комитетіне ресми түрде ұсынылып, 1985 жылдың қаңтарында Агенттіктің Министрлер Кеңесінен мақұлдау алды. Сол жылы мұндай миссияның мүмкіндігін анықтау үшін бірнеше жұмыс топтары құрылды. Бұл семинарда ғарыш кемесінде 12 төмен энергиялы және 7 жоғары энергиялы рентгендік телескоптар болуы ұсынылды. Ғарыш аппаратының жалпы конфигурациясы 1987 жылдың ақпанына дейін әзірленді және EXOSAT миссиясынан алынған тәжірибелерге көп сүйенді. Рентгендік телескоптарға арналған үш ұшу айнасы модульдерін итальяндық субподрядкер Media Lario 1998 жылдың желтоқсанында тапсырды. Toucan 23 қыркүйекте Француз Гвианасының Куру қаласына қонды және соңғы дайындықтар үшін Гвиана Ғарыш орталығының Ariane 5 соңғы құрастыру ғимаратына жеткізілді. XMM 1999 жылдың 10 желтоқсанында сағат 14:32 UTC-де Гвиана Ғарыш орталығынан ұшырылды. XMM Ariane 5 зымыратымен ғарышқа шығарылып, перигейі және апогейі бар 40 градустық эллипстік орбитаға орналастырылды. 1999 жылдың 17 және 18 желтоқсанында рентгендік модульдер мен Оптикалық монитордың есіктері ашылды. Құралдарды іске қосу 2000 жылдың 4 қаңтарында басталды, 5 қаңтарда Оптикалық монитор (OM) алғашқы жарық көрді, 16 қаңтарда екі Еуропалық фотондық бейнелеу камерасы (EPIC) MOS CCD және 22 қаңтарда EPIC pn CCD, ал 2 ақпанда алғашқы жарық көрген Рефлексиялық торлы спектрометрлер (RGS) жұмыс істеді. Барлық құрылыс, ғарыш кемесін ұшыру және екі жылдық жұмыс уақытын есепке алғанда, жоба 1999 жылғы бюджет шегінде аяқталды. 2008 жылдың 18 қазанында XMM Newton күтпеген байланыс үзілісіне ұшырады, сол кезде ғарыш кемесімен байланыс болмады. Кейбір мамандар аппараттың қатастрофалық оқиғаға ұшыраған болуы мүмкін деген алаңдаушылық білдірді, бірақ Германиядағы Старкенбург обсерваториясы мен әлемнің басқа да жерлеріндегі астроном-әуесқойлар түсірген суреттер ғарыш кемесінің қалыпты күйде екенін және дұрыс бағытта қозғалып бара жатқанын көрсетті. Біраз уақыттан кейін Батыс Австралиядағы Нью-Норсиядағы антенна арқылы әлсіз сигнал анықталды және XMM Newton-мен байланыс орнатылды, бұл ғарыш кемесінің радиожиілік коммутаторының істен шыққанын көрсетті. Проблеманы шешкеннен кейін, жер бақылаушылары NASA-ның Голдстоун терең ғарыш байланыс кешеніндегі антеннасын пайдаланып, коммутаторды соңғы жұмыс жағдайына ауыстыратын команда жіберді. ESA баспасөз хабарламасында 22 қазанда Еуропалық ғарыш астрономиялық орталығының (ESAC) жер станциясы спутникпен байланыс орнатып, процедура сәтті аяқталғанын және спутниктің қайтадан бақылауға алынғанын растады.
Immediately after launch, XMM began its Launch and Early Orbit phase of operations. On 17 and 18 December 1999, the X ray modules and Optical Monitor doors were opened, respectively. Instrument activation started on 4 January 2000, The Optical Monitor (OM) attained first light on 5 January, the two European Photon Imaging Camera (EPIC) MOS CCDs followed on 16 January and the EPIC pn CCD on 22 January, and the Reflection Grating Spectrometers (RGS) saw first light on 2 February. Including all construction, spacecraft launch, and two years of operation, the project was accomplished within a budget of (1999 conditions). On 18 October 2008, XMM Newton suffered an unexpected communications failure, during which time there was no contact with the spacecraft. While some concern was expressed that the vehicle may have suffered a catastrophic event, photographs taken by amateur astronomers at the Starkenburg Observatory in Germany and at other locations worldwide showed that the spacecraft was intact and appeared on course. A weak signal was finally detected using a antenna in New Norcia, Western Australia, and communication with XMM Newton suggested that the spacecraft's Radio Frequency switch had failed. After troubleshooting a solution, ground controllers used NASA's antenna at the Goldstone Deep Space Communications Complex to send a command that changed the switch to its last working position. ESA stated in a press release that on 22 October, a ground station at the European Space Astronomy Centre (ESAC) made contact with the satellite, confirming the process had worked and that the satellite was back under control.
Миссияны ұзарту
Ғарыш кемесінің жақсы жағдайы мен маңызды деректерді беруінің нәтижесінде, XMM Newton ғарыш аппараты ESA Ғылыми бағдарлама комитетімен бірнеше рет миссиясын ұзартты. Алғашқы ұзарту 2003 жылдың қараша айында жасалды және операциялар 2008 жылдың наурызына дейін ұзартылды. Екінші ұзарту 2005 жылдың желтоқсанында бекітіліп, жұмыстар 2010 жылдың наурызына дейін жалғасты. Үшінші ұзарту 2007 жылдың қарашасында мақұлданды, ол 2012 жылға дейін операцияларды қамтамасыз етті. Мақұлдау барысында спутниктің бортындағы отын, қуат және механикалық жағдайы сияқты қажетті ресурстардың 2017 жылдан кейін де операцияларды жалғастыруға жететіні атап өтілді. Төртінші ұзарту 2010 жылдың қарашасында 2014 жылға дейін операцияларды мақұлдады. Бесінші ұзарту 2014 жылдың қарашасында мақұлданды және 2016 жылдың қарашасында расталды, ол 2018 жылға дейін жалғасты. Алтыншы ұзарту 2017 жылдың желтоқсанында мақұлданды, ол 2020 жылдың соңына дейін жалғасты. Жетінші ұзарту 2018 жылдың қарашасында мақұлданды, ол 2022 жылдың соңына дейін жалғасты. Сегізінші ұзарту 2023 жылдың наурызында бекітіліп, 2026 жылдың соңына дейін, ал болжамды ұзарту 2029 жылға дейін жалғасады.
Еуропалық фотографиялық камералар
Үш Еуропалық фотондық бейнелеу камерасы (EPIC) XMM Newton-ның негізгі құралдары болып табылады. Жүйе екі MOS CCD камерасынан және бір pn CCD камерасынан тұрады, олардың жалпы көру бұрышы 30 доға минуты және энергияға сезімталдық диапазоны 0,15 мен 15 [[электронвольт (82,7-ден 0,83 ångströms) аралығында. Әрбір камерада үш түрлі рентген сәулесінен өткізетін сүзгілері бар алты позициялы сүзгі дөңгелегі, толық ашық және толық жабық күйлер бар; сонымен қатар, ішкі калибрлеу үшін қолданылатын радиоактивті көз де бар. Камералар бейне сезімталдығы мен қажетті жылдамдығына, сондай-ақ нысананың қарқындылығына қарай әртүрлі режимдерде тәуелсіз жұмыс істей алады. Екі MOS CCD камерасы төмен энергиялы рентген сәулелерін анықтау үшін пайдаланылады. Әрбір камера жеті кремнийлі чиптен (бір орталықта және алты оны қоршап тұрады) тұрады, әр чип 600 × 600 пикселдік матрицаны қамтиды, бұл камераға шамамен 2,5 мегапикселдік ажыратымдылық береді. Жоғарыда айтылғандай, әрбір камерада құралды 120 °C (184 °F) жұмыс температурасына дейін салқындататын үлкен жанасатын радиатор бар. Олар Лестер университетінің ғарыш зерттеу орталығы және EEV Ltd. компанияларымен әзірленген және құрастырылған. EPIC жүйесі оның CCD камераларымен анықталған әрбір рентген сәулесі туралы үш түрлі дерек тіркейді. Рентген сәулесінің келу уақыты ғалымдарға уақыт өте келе келетін рентген сәулелерінің санын көрсететін және нысананың жарықтығының өзгеруін көрсететін жарық қисықтарын құруға мүмкіндік береді. Рентген сәулесі камераға тиген жері нысананың көрінетін бейнесін жасауға мүмкіндік береді. Рентген сәулесінің энергиясы да анықталады және ғалымдарға нысанадағы физикалық процестерді, мысалы, температураны, химиялық құрамын және нысана мен телескоп арасындағы ортаны анықтауға көмектеседі.
Көңіл көтеруші решеткалы спектрометрлер
Қайта шағылысу шыршалы спектрометрлер (RGS) екі фокустық жазықтық камерасынан және олармен байланысты қайта шағылысу шыршалы массивтерден тұрады. Бұл жүйе рентгендік спектрлік деректерді құру үшін пайдаланылады және нысанадағы элементтерді, сондай-ақ осы элементтердің температурасын, мөлшерін және басқа да сипаттамаларын анықтауға мүмкіндік береді. RGS жүйесі 2,5 – 0,35 кэВ (5 – 35 ангстрем) диапазонында жұмыс істейді, бұл көміртекті, азотты, оттекті, неонды, магнийді, кремнийді және темірді анықтауға мүмкіндік береді. Фокустық жазықтық камераларының әрқайсысы Rowland шеңбері деп аталатын қисыққа сәйкес келетін қатарға орнатылған тоғыз MOS CCD құрылғысынан тұрады. Әрбір CCD 384 × 1024 пикселден тұрады, жалпы ажыратымдылығы 3,5 мегапикселден асады. CCD массивінің жалпы ені мен ұзындығы тиісінше RGS спектрінің мөлшеріне және толқын ұзындығы диапазонына байланысты. Әрбір CCD массиві салыстырмалы түрде үлкен қабырғамен қоршалған, ол жылуды өткізуді және сәулеленуден қорғауды қамтамасыз етеді. Екі сатылы радиаторлар камераларды 110 °C (166 °F) жұмыс температурасына дейін салқындатады. Камера жүйелері SRON, Пол Шеррер институты және MSSL-дің бірлескен жұмысы болды, ал EEV Ltd және Contraves Space аппараттық жабдықты жеткізді. Айналдыру шыршалы массивтер негізгі екі телескопқа бекітілген. Олар кіретін рентген сәулелерінің шамамен 50% EPIC жүйесіне кедергісіз өтуіне мүмкіндік береді, ал қалған 50% -ын Фокустық жазықтық камераларына қайта бағыттайды. Әр RGA-да 182 бірдей шырша болуы тиіс, бірақ өндіріс қатесі салдарынан біреуінде 181 шырша ғана болды. Телескоп айналары рентген сәулелерін шоғырландырғандықтан, әр шыршаның бірдей түсу бұрышы бар, және Фокустық жазықтық камералары сияқты, әр шырша массиві Роуленд шеңберіне сәйкес келеді. Бұл конфигурация фокустық аберрацияларды азайтуға көмектеседі. Әрбір шырша алтын жабынмен жабылған қалың кремний карбиді субстратынан тұрады және бес бериллий нығайтқышымен бекітілген. Шыршалар көптеген жолақтарды қамтиды, олар рентген сәулелерін бұру жұмысын атқарады; әр шыршада бір миллиметрге орташа есеппен 646 жолақ бар. RGA-ны Колумбия университеті жасады. Құрал телескоп модулінен (оптиканы, детекторларды, өңдеу жабдықтарын және қуат көзін қамтитын) және цифрлық электроника модулінен (құралды басқару блогы мен деректерді өңдеу блогын қамтитын) тұрады. Келіп түскен жарық екі толық резервтік детектор жүйесінің біріне бағытталады. Жарық 11 позициялық сүзгі дөңгелегінен өтеді (жарықты тоқтату үшін бір мөлдір емес, алты кең жолақты сүзгі, бір ақ жарық сүзгісі, бір үлкейтуші және екі гризм), содан кейін жарықты бір миллион есе күшейтетін күшейткіштен және содан кейін CCD сенсорынан өтеді. CCD-нің мөлшері 384 × 288 пиксел, оның ішінде 256 × 256 пиксел бақылау үшін қолданылады; әрбір пиксел 8 × 8 пикселге бөлінеді, нәтижесінде 2048 × 2048 мөлшеріндегі соңғы өнім шығады. Оптикалық мониторды Муллард ғарыш ғылымы зертханасы АҚШ және Бельгия ұйымдарының үлесімен құрды. Әрбір телескоп 58 цилиндрлі, біріне ішкі орналасқан Вольтер 1-түрлі айналардан тұрады, олар Италияның Media Lario компаниясымен әзірленген, ұзындығы және диаметрі 1,5 кэВ-тан 8 кэВ-қа дейін.
Орбиталық бағытты басқару жүйесі
Ғарыш кемесінің үш осі бойынша бағытын басқару Аттитуд және Орбиталық Бақылау Жүйесі (AOCS) арқылы жүзеге асырылады, ол төрт реакциялық дөңгелек, төрт инерциялық өлшеу бірлігі, екі жұлдызды бақылау құралы, үш жоғары дәлдікті Күн сенсоры және үш Күнге бағытталған сенсордан тұрады. AOCS-ті Ұлыбританияның Matra Marconi Space компаниясы жеткізді. Ғарыш кемесінің жалпы бағытын анықтау және орбитасын сақтап тұру екі жиын төрт гидразин қозғалтқышымен (негізгі және қосалқы) қамтамасыз етіледі. 2013 жылы AOCS бағдарламалық қамтамасыз етуге ('4WD') жаңартылды, мақсаты – ғарыш кемесінің қызмет мерзімін ұзарту үшін отынды үнемдеу есебінен, 3 негізгі реакциялық дөңгелек пен бастапқыда пайдаланылмаған 4-ші, қосалқы дөңгелекті пайдалану. 2019 жылы отынның 2030 жылға дейін жететіні болжалды.
Электр жүйелері
XMM Newton-ның негізгі қуатын екі бекітілген күн батареясы қамтамасыз етеді. Батареялар алты панельден тұрады, жалпы ауданы және салмағы құрайды. Ұшырылған кезде батареялар 2200 Вт қуат берді, ал он жылдық жұмыс істеуден кейін 1600 Вт қуат беруі күтілді. Әр батареяны жаюға 4 минут уақыт кетті. Батареяларды Нидерландының Fokker Space компаниясы жеткізді. Тікелей күн сәулесі болмаған жағдайда, қуат 24 А·сағ сыйымдылығы және әрқайсысы салмағы бар екі никель-кадмий аккумуляторы арқылы қамтамасыз етіледі. Аккумуляторларды Францияның SAFT компаниясы ұсынды.
Жердегі жүйелер
XMM Newton миссиясының басқару орталығы Германияның Дармштадт қаласындағы Еуропалық ғарыш операциялары орталығында (ESOC) орналасқан. Ғарыш кемесімен оның орбитасының көп бөлігінде үнемі байланыс орнату үшін Перт және Курудағы екі жер станциясы пайдаланылады. Виллафранка-дель-Кастильо, Сантьяго және Донгарада қосалқы жер станциялары орналасқан. XMM Newton-да ақпаратты сақтау құрылғысы болмағандықтан, ғылыми деректер осы жер станцияларына нақты уақытта жіберіледі және Годдард ғарыш ұшу орталығындағы және L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie-дегі XMM Newton зерттеу ғылыми орталығының (SSC) көшірме архивтеріне таратылады. 2013 жылдың маусымына дейін SSC-ні Лестер университеті басқарды, бірақ Ұлыбритания қаржыны кері тартып алғандықтан басқару құқығы ауыстырылды.
Байқаулар мен жаңалықтар
Ғарыш обсерваториясы Жерден 10 миллиард жарық жылы қашықтықта орналасқан XMMXCS 2215 1738 галактикалар шоғын анықтау үшін қолданылды. 2006 жылдың ақпан айында Хаббл ғарыш телескопы (HST) ашқан SCP 06F6 нысаны 2006 жылдың тамызының басында XMM-Ньютонмен байқалды және оның айналасындағы рентген сәулеленуі, суперновалардан екі рет күштірек болды. 2011 жылдың маусым айында Швейцарияның Женева университетінің ғалымдары XMM-Ньютонның IGR J18410 0535 супергиганттық жылдам рентгендік құбылысын бақылау кезінде, қалыпты деңгейден 10 000 есе артық қарқынмен төрт сағатқа созылған жарқылды тіркегенін хабарлады. Бұл оқиғада көк супергигант жұлдызы, кішкентай нейтрон жұлдызының тартымды күшімен жұтылған заттың бөлігін шығарды, соның нәтижесінде рентген сәулеленуі пайда болды. 2013 жылдың ақпан айында XMM-Ньютон және NuSTAR ғарыш аппараттары NGC 1365 галактикасының ядросындағы аса ірі қара тесіктің айналу жылдамдығын бірінші рет өлшегенін жариялады. Сонымен қатар, қара тесіктен шығатын рентген сәулелерінің бұрмалануын түсіндіретін модель расталды. 2014 жылдың ақпан айында XMM-Ньютон бақылаған рентген сәулеленуінің спектрінен шамамен 3,5 кэВ болатын монохроматикалық сигнал анықталды. Бұл сигнал әртүрлі галактикалар шоғырынан келіп тұр, және қара материяның бірнеше теориясы мұндай сызықтың болуын түсіндіре алады. Мысалы, 3,5 кэВ кандидат екі фотонға ыдырауы, немесе 7 кэВ қара материя бөлшегі фотон мен нейтриноға ыдырауы мүмкін. 2021 жылдың маусым айында Еуропалық ғарыш агенттігінің XMM-Ньютон ғарыш обсерваториясын қолданып жасалған, ең ірі рентгендік зерттеулердің бірінің алғашқы нәтижелері жарияланды. Зерттеу галактикалар мен галактикалар шоғырының ядроларындағы 12 000 аса ірі қара тесіктің өсуін картаға түсірді.