Завершение миссии RHESSI: Спутник вошел в атмосферу Земли.

Введение

Спутник NASA программы Explorer. Космический аппарат вошел в атмосферу Земли в 00:21 UTC 20 апреля 2023 года, спустя 21 год после запуска. RHESSI был создан компанией Spectrum Astro для Центра космических полетов Годдарда и эксплуатировался Лабораторией космических наук в Беркли, Калифорния. Главным исследователем с 2002 по 2012 год был Роберт Лин, которого сменил Сэм Крюкер. Весь космический аппарат вращался для обеспечения необходимой модуляции сигнала. Четыре фиксированные солнечные панели были разработаны для создания достаточного гироскопического момента, стабилизирующего вращение вокруг солнечного вектора. Это значительно снизило потребность в управлении ориентацией. Инструмент состоял из девяти кристаллов германия высокой чистоты. Каждый кристалл охлаждался до криогенных температур механическим криокулером. Германий обеспечивал не только регистрацию посредством фотоэлектрического эффекта, но и встроенную спектроскопию за счет осаждения заряда входящего излучения. Кристаллы размещались в криостате и крепились ремнями с низкой теплопроводностью. Основной частью космического аппарата являлась трубчатая конструкция телескопа. Ее назначение заключалось в удержании коллиматоров над кристаллами германия в известных, фиксированных положениях. Спутниковая платформа включала в себя конструкцию и механизмы, систему электропитания (включая аккумулятор, солнечные панели и управляющую электронику), систему управления ориентацией, систему терморегулирования, систему управления и обработки данных (C&DH) и систему телекоммуникаций. Конструкция космического аппарата обеспечивала поддержку телескопа и других компонентов. Она была изготовлена из алюминиевых деталей для обеспечения легкости и прочности. Платформа оборудования имела сотовую структуру для дальнейшего снижения веса. Космический аппарат был произведен в Гилберте, штат Аризона, компанией Spectrum Astro, Inc. Узел изобразительного телескопа состоял из трубы телескопа, лотков для решеток, системы ориентации по Солнцу (SAS) и системы угла поворота (RAS). Он был построен, собран, выровнен и испытан в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. Передние и задние лотки для решеток крепились к трубе телескопа, обеспечивая их разделение и выравнивание. На каждом конце трубы телескопа на лотках для решеток было установлено по девять решеток. Пары решеток модулировали прохождение рентгеновского и гамма-излучения солнечных вспышек к детекторам при вращении космического аппарата вокруг оси трубы телескопа. Модулированные скорости счета в девяти детекторах использовались компьютерами на Земле для построения изображений солнечных вспышек в различных энергетических диапазонах. Пять грубых решеток (квадратных) были изготовлены компанией Van Beek Consultancy в Нидерландах. Четыре тонких решетки (круглых) были изготовлены компанией Thermo Electron Tecomet в Массачусетсе. Все решетки были охарактеризованы как оптически, так и с помощью рентгеновского излучения в Центре космических полетов Годдарда перед отправкой в Институт Пауля Шеррера для интеграции в узел изобразительного телескопа. Там их поддерживали при требуемой рабочей температуре, равной или 75° выше абсолютного нуля.

NASA satellite of the Explorer program

The spacecraft re entered Earth's atmosphere at 00:21 UTC on 20 April 2023, 21 years after its launch. RHESSI was built by Spectrum Astro for Goddard Space Flight Center and was operated by the Space Sciences Laboratory in Berkeley, California. The principal investigator from 2002 to 2012 was Robert Lin, who was succeeded by Säm Krucker. The entire spacecraft rotated to provide the necessary signal modulation. The four, fixed solar panels were designed to provide enough gyroscopic moment to stabilize rotation about the solar vector. This largely eliminated the need for attitude control. The instrument detectors were nine high purity germanium crystals. Each was cooled to cryogenic temperatures by a mechanical cryocooler. Germanium provided not only detections by the photoelectric effect, but inherent spectroscopy through the charge deposition of the incoming ray. The crystals were housed in a cryostat, and mounted with low conductivity straps. A tubular telescope structure formed the bulk of the spacecraft. Its purpose was to hold the collimators above the Ge crystals at known, fixed positions. The satellite bus consisted of the structure and mechanisms, the power system (including the battery, solar panels, and control electronics), the attitude control system, thermal control system, command and data handling system (C&DH), and telecommunications system. The spacecraft structure provided support for the telescope and other components. It was manufactured out of aluminum parts to be light weight but strong. The equipment platform had a honeycomb structure to further reduce the weight. The spacecraft was manufactured in Gilbert, Arizona by Spectrum Astro, Inc. The Imaging Telescope Assembly consisted of the telescope tube, grid trays, Solar aspect system (SAS), and Roll angle system (RAS). It was constructed, assembled, aligned, and tested at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. The front and rear grid trays were attached to the telescope tube. It maintained the separation and alignment of the trays. Nine grids were mounted on a grid tray at each end of the telescope tube. The grid pairs modulated the transmission of solar flare X ray and gamma ray emissions through to the detectors as the spacecraft spins around the axis of the telescope tube. The modulated count rates in the nine detectors were used in computers on the ground to construct images of solar flares in different energy bands. The five coarse grids (square) were constructed by Van Beek Consultancy in Netherlands. The four fine grids (round) were constructed by Thermo Electron Tecomet in Massachusetts. All grids were characterized both optically and with X rays at Goddard Space Flight Center before being shipped to the Paul Scherrer Institute for integration into the imaging telescope assembly. It maintained them at the required operating temperature of , or 75° above absolute zero).

Концепция миссии

RHESSI был разработан для получения изображений солнечных вспышек в энергичных фотонах в диапазоне от мягких рентгеновских лучей (~3 кэВ) до гамма-лучей (до ~20 МэВ), а также для проведения высокоразрешающей спектроскопии вплоть до энергий гамма-лучей ~20 МэВ. Кроме того, он был способен выполнять пространственно-разрешенную спектроскопию с высоким спектральным разрешением.

Образование изображений

Поскольку рентгеновские лучи нелегко отражаются или преломляются, получение изображений в рентгеновском диапазоне затруднено. Одно из решений этой проблемы – избирательная блокировка рентгеновских лучей. Если рентгеновские лучи блокируются таким образом, что это зависит от направления входящих фотонов, то становится возможным восстановление изображения. Возможность получения изображений на борту RHESSI была основана на методе преобразования Фурье с использованием набора из 9 ротационных модуляционных коллиматоров (RMC) вместо зеркал и линз. Каждый RMC состоял из двух наборов широко расположенных, мелкомасштабных линейных решеток. Во время вращения космического аппарата эти решетки блокировали и разблокировали любые рентгеновские лучи, приходящие от Солнца, модулируя фотонный сигнал во времени. Модуляцию можно было измерить с помощью детектора, не имеющего пространственного разрешения, расположенного за RMC, поскольку пространственная информация теперь хранилась во временной области. Диаграмма модуляции в течение половины оборота для одного RMC обеспечивала амплитуду и фазу многих пространственных компонентов Фурье в полном диапазоне угловых ориентаций, но для небольшого диапазона пространственных размеров источника. Несколько RMC, каждый с разной шириной щели, обеспечивали покрытие полного диапазона размеров источника вспышки. Затем изображения реконструировались из набора измеренных компонентов Фурье в строгой математической аналогии с многобазовой радиоинтерферометрией. RHESSI обеспечивал пространственное разрешение 2 угловые секунды при энергиях рентгеновских лучей от ~4 кэВ до ~100 кэВ, 7 угловых секунд до ~400 кэВ и 36 угловых секунд для линий гамма-лучей и непрерывного излучения выше 1 МэВ. RHESSI также мог регистрировать гамма-лучи, приходящие не с Солнца. Более энергичные гамма-лучи проходили сквозь структуру космического аппарата и воздействовали на детекторы под любым углом. Этот режим использовался для наблюдения за гамма-всплесками (GRB). Входящие гамма-лучи не модулировались решетками, поэтому информация о положении и изображения не записывалась. Однако, приблизительное положение все же можно было определить, учитывая наличие передних и задних датчиков в детекторах. Кроме того, детекторы, расположенные ближе к вспышке, экранировали те, что находились дальше. Сравнение силы сигнала вокруг девяти кристаллов, а также сигналов с передней и задней сторон, позволяло получить грубое, двухмерное положение в пространстве. В сочетании с высокоточным временным штампом регистрации событий в детекторах, решение RHESSI могло быть сопоставлено на Земле с данными других космических аппаратов в IPN (Межпланетная сеть) для получения более точного определения местоположения. Большая площадь и высокая чувствительность германиевой кристаллической сборки делали RHESSI мощным компонентом IPN. Даже когда другие космические аппараты могли предоставить местоположения всплесков, немногие могли предоставить столь качественные спектры всплесков (как по времени, так и по энергии), как RHESSI. Однако, редко случалось, чтобы GRB происходил вблизи Солнца, в пределах коллимированного поля зрения. В этом случае решетки предоставляли полную информацию, и RHESSI мог определить точное местоположение GRB даже без корреляции с данными IPN.

Since X rays are not easily reflected or refracted, imaging in X rays is difficult. One solution to this problem is to selectively block the X rays. If the X rays are blocked in a way that depends on the direction of the incoming photons, then it may be possible to reconstruct an image. The imaging capability of RHESSI was based on a Fourier transform technique using a set of 9 Rotational Modulation Collimators (RMCs) as opposed to mirrors and lenses. Each RMC consisted of two sets of widely spaced, fine scale linear grids. As the spacecraft rotated, these grids blocked and unblocked any X rays which may have come from the Sun modulating the photon signal in time. The modulation could be measured with a detector having no spatial resolution placed behind the RMC since the spatial information was now stored in the time domain. The modulation pattern over half a rotation for a single RMC provided the amplitude and phase of many spatial Fourier components over a full range of angular orientations but for a small range of spatial source dimensions. Multiple RMCs, each with different slit widths, provided coverage over a full range of flare source sizes. Images were then reconstructed from the set of measured Fourier components in exact mathematical analogy to multi baseline radio interferometry. RHESSI provided spatial resolution of 2 arcseconds at X ray energies from ~4 keV to ~100 keV, 7 arcseconds to ~400 keV, and 36 arcseconds for gamma ray lines and continuum emission above 1 MeV. RHESSI could also see gamma rays coming from off solar directions. The more energetic gamma rays passed through the spacecraft structure, and impacted the detectors from any angle. This mode was used to observe gamma ray bursts (GRBs). The incoming gamma rays were not modulated by the grids, so positional and imaging information was not recorded. However, a crude position could still be derived by the fact that the detectors had front and rear pickups. Also, the detectors near the burst shielded the ones away from the burst. Comparing signal strengths around the nine crystals, and front to back, then gave a coarse, two dimensional position in space. When combined with high resolution time stamps of the detector hits, the RHESSI solution could be cross referenced on the ground with other spacecraft in the IPN (Interplanetary Network) to provide a fine solution. The large area and high sensitivities of the germanium crystal assembly made RHESSI a formidable IPN component. Even when other spacecraft could provide burst locations, few could provide as high quality spectra of the burst (in both time and energy) as RHESSI. Rarely, however, a GRB occurred near the Sun, in the collimated field of view. The grids then provided full information, and RHESSI was able to provide a fine GRB location even without IPN correlation.

Reuven Ramaty высокоэнергетический солнечный спектроскопический изобразитель (RHESSI)

RHESSI был разработан для получения изображений солнечных вспышек с высоким разрешением в рентгеновском и гамма-диапазонах. Энергии рентгеновского и гамма-излучения охватывали диапазон от 3 кэВ до 20 МэВ с энергетическим разрешением около 1 кэВ и пространственным разрешением всего в несколько угловых секунд. Изображение достигалось с помощью трубки, содержащей девять пар (расположенных последовательно на расстоянии друг от друга) решеток из вольфрама или молибдена шириной, установленных параллельно оси вращения трубки, направленной на Солнце. Трубка вращалась вокруг своей оси вместе с вращением космического аппарата со скоростью 15 оборотов в минуту. Во время вращения фотон из любой точки на Солнце мог либо пройти через пару решеток, либо быть заблокированным одной из них. Это приводило к модуляции интенсивности фотонов, испускаемых из этой точки. Глубина модуляции была равна нулю для фотонов, приходящих точно вдоль оси вращения, и постепенно увеличивалась для фотонов, отклоненных от оси. За каждой парой решеток располагался криогенный (75 К) германиевый детектор диаметром 7,1 см и толщиной. Выходной сигнал каждого из девяти детекторов при заданной энергии мог быть подвергнут преобразованию Фурье для получения полного двумерного пространственного спектра протяженного источника на Солнце. Получение полного пространственного спектра было возможно благодаря тому, что каждая пара проволочных решеток имела различную ширину щели, расстояние между проволоками и толщину проволоки. Накопление данных составляло около 16 Гб за 10 минут вращения. Данные телеметрии собирались в Беркли (Калифорния), на Wallops Flight Facility (WFF) в Вирджинии, в Сантьяго (Чили) и в Вайльхайме (Германия). Научный анализ данных предполагал тесное сотрудничество со многими специализированными наземными и космическими солнечными обсерваториями. Вторичной целью RHESSI было наблюдение астрономических объектов, таких как туманность Крабовидная.

Результаты

Наблюдения RHESSI изменили наше представление о солнечных вспышках, особенно о высокоэнергетических процессах, происходящих в них. Его наблюдения привели к многочисленным публикациям в научных журналах и докладам на конференциях. По состоянию на 2017 год на спутник ссылались в 2474 публикациях, книгах и презентациях. Сборник "Высокоэнергетические аспекты солнечных вспышек: монография, вдохновленная RHESSI" содержит обзоры исследований солнечных вспышек, проведенных с помощью RHESSI, до 2011 года. RHESSI стал первым спутником, получившим изображение гамма-лучей от солнечной вспышки. Он также был первым спутником, точно измерившим земные гамма-всплески, возникающие при грозах, и установил, что такие всплески происходят чаще, чем считалось ранее, а гамма-лучи имеют в среднем более высокую частоту, чем у космических источников. Вследствие проблем со связью RHESSI прекратил научную работу 11 апреля 2018 года в 01:50 UTC. Спутник был выведен из эксплуатации 16 августа 2018 года и оставался на стабильной низкой околоземной орбите, которая постепенно снижалась из-за атмосферного торможения.