Рентгеновская обсерватория HEAO-1: Обзор неба 1977 года

Введение

Рентгеновский телескоп, запущенный в 1977 году

HEAO 1 был рентгеновским телескопом, запущенным в 1977 году. HEAO 1 провел обследование неба в рентгеновской части электромагнитного спектра (0,2 кэВ – 10 МэВ), осуществляя почти непрерывный мониторинг источников рентгеновского излучения вблизи полюсов эклиптики и более детальное изучение ряда объектов с помощью наблюдений, длившихся 3–6 часов. Он был первой из трех высокоэнергетических астрономических обсерваторий НАСА, HEAO 1, запущенной 12 августа 1977 года на ракете Atlas с верхней ступенью Centaur и проработавшей до 9 января 1979 года. За это время он почти трижды просканировал рентгеновское небо.

HEAO включал четыре инструмента для астрономических исследований в рентгеновском и гамма-диапазонах, известные как A1, A2, A3 и A4 соответственно (до запуска HEAO 1 назывался HEAO A). Наклон орбиты составлял около 22,7 градусов. HEAO 1 вошел в атмосферу Земли 15 марта 1979 года.

A1: инструмент обзорного обзора неба на большой площади

А1, или прибор обзора неба на большой площади (Large Area Sky Survey, LASS), охватывал энергетический диапазон 0,25–25 кэВ, используя семь больших пропорциональных счетчиков. Он был разработан, эксплуатировался и управлялся в Военно-морской исследовательской лаборатории (Naval Research Laboratory, NRL) под руководством ведущего исследователя доктора Герберта Д. Фридмана, а основным подрядчиком являлась компания TRW. Каталог источников рентгеновского излучения HEAO A 1 содержал 842 дискретных источника рентгеновского излучения.

A2: Космический рентгеновский эксперимент

A2, или Космический рентгеновский эксперимент (CXE), разработанный в Космическом центре Годдарда, охватывал энергетический диапазон от 2 до 60 кэВ с высоким пространственным и спектральным разрешением. Ведущими исследователями были д-р Элиху А. Болдт и д-р Гордон П. Гармайр.

A3: Модуляционный коллиматор

Прибор A3, или модулятор-коллиматор (MC), обеспечивал высокоточные определения координат источников рентгеновского излучения, достаточные для последующих наблюдений с целью идентификации оптических и радиоисточников-компаньонов. Он был предоставлен Центром астрофизики (Смитсоновская астрофизическая обсерватория и обсерватория Гарвардского колледжа, SAO/HCO). Ведущими исследователями были доктор Дэниел А. Шварц из SAO и доктор Хейл В. Брэдт из MIT.

A4: Эксперимент с жесткими рентгеновскими лучами / низкоэнергетическими гамма-лучами

Эксперимент A4, или эксперимент с жестким рентгеновским и низкоэнергетическим гамма-излучением, использовал сцинтилляционные счетчики йодида натрия (NaI) для охвата энергетического диапазона от примерно 20 кэВ до 10 МэВ. Он состоял из семи кластеризованных модулей трех различных конструкций, расположенных в приблизительно шестиугольной конфигурации. Каждый детектор был активно экранирован окружающими сцинтилляторами CsI в режиме активного антисовпадения, так что посторонние частицы или гамма-лучи, приходящие сбоку или сзади, электронно блокировались и отбрасывались. (Экспериментаторы в 1960-х годах обнаружили, что пассивные коллиматоры или экраны из материалов, таких как свинец, на самом деле увеличивают нежелательный уровень фонового излучения из-за интенсивных каскадов вторичных частиц и фотонов, создаваемых чрезвычайно высокоэнергетическими (ГэВ) частицами, характерными для космической радиационной среды.) Пластиковый антисовпаденческий сцинтилляционный экран, по сути прозрачный для гамма-фотонов, защищал детекторы от высокоэнергетических заряженных частиц, входящих спереди. Для всех семи модулей нежелательные фоновые эффекты частиц или фотонов, входящих сзади, подавлялись конструкцией "фосвич", в которой активный NaI-детектирующий элемент был оптически соединен со слоем CsI на своей задней поверхности, который, в свою очередь, был оптически соединен с одним фотоумножителем для каждого из семи блоков. Поскольку NaI имеет гораздо более быстрое время отклика (~0,25 мкс), чем CsI (~1 мкс), электронные дискриминаторы формы импульса могли различать хорошие события в NaI и смешанные события, сопровождаемые одновременным взаимодействием в CsI. Самый большой детектор, или детектор высокой энергии (HED), занимал центральное положение и охватывал верхний диапазон от ~120 кэВ до 10 МэВ, с полем зрения (FOV), коллимированным до 37° FWHM. Его NaI-детектор имел диаметр и толщину. Из-за чрезвычайной проникающей способности фотонов в этом энергетическом диапазоне было необходимо использовать HED в электронном антисовпадении с окружающим CsI, а также с шестью другими детекторами шестиугольника. Два детектора низкой энергии (LED) располагались на расстоянии 180° друг от друга на противоположных сторонах шестиугольника. Они имели тонкие NaI-детекторы толщиной ~3 мм, также диаметром, охватывающие энергетический диапазон от ~10–200 кэВ. Их FOV определялся в виде веерных пучков 1,7° x 20° FWHM с помощью пассивных, параллельных пластинчатых коллиматоров. Пластины двух LED были наклонены на ±30° к номинальному направлению сканирования HEAO, пересекаясь друг с другом под углом 60°. Таким образом, работая вместе, они охватывали широкое поле зрения, но могли локализовать небесные источники с точностью, определяемой их узкими полями в 1,7°. Четыре детектора средней энергии (MED) с номинальным энергетическим диапазоном 80 кэВ — 3 МэВ имели NaI-кристаллы детекторов диаметром и толщиной и занимали четыре оставшихся позиции в шестиугольнике модулей. У них были круговые FOV с FWHM 17°. Основные данные, полученные в A4, состояли из телеметрии "событие за событием", перечисляющей каждое хорошее (т.е. не заблокированное) событие в NaI-детекторах. Эксперимент имел возможность пометить каждое событие высотой импульса (пропорциональной его энергии) и временной меткой из одного или двух байт, что позволяло точно определять время объектов, таких как гамма-всплески и пульсары. Результаты эксперимента включали каталог позиций и интенсивностей источников жесткого рентгеновского излучения (10–200 кэВ), убедительные наблюдательные данные о существовании чрезвычайно сильных магнитных полей (порядка 1013 Г) на вращающихся нейтронных звездах, связанных с Her X 1 и 4U 0115+634, окончательный спектр диффузной составляющей между 13 и 200 кэВ, открытие степенного закона спектра плотности мощности Cygnus X 1 и открытие медленных циклов изменения интенсивности в рентгеновских источниках SMC X 1 и LMC X 4, что привело к написанию примерно 15 докторских диссертаций и ~100 научных публикаций. Инструмент A4 был предоставлен и управлялся Калифорнийским университетом в Сан-Диего под руководством профессора Лоуренса Э. Петерсона в сотрудничестве с рентгеновской группой в MIT, где первоначальная обработка данных A4 выполнялась под руководством профессора Уолтера Х. Г. Левина.

The A4, or Hard X ray / Low Energy Gamma ray Experiment, used sodium iodide (NaI) scintillation counters to cover the energy range from about 20 keV to 10 MeV. It consisted of seven clustered modules, of three distinct designs, in a roughly hexagonal array. Each detector was actively shielded by surrounding CsI scintillators, in active anti coincidence, so that an extraneous particle or gamma ray event from the side or rear would be vetoed electronically, and rejected. (It was discovered in early balloon flight by experimenters in the 1960s that passive collimators or shields, made of materials such as lead, actually increase the undesired background rate, due to the intense showers of secondary particles and photons produced by the extremely high energy (GeV) particles characteristic of the space radiation environment.) A plastic anti coincidence scintillation shield, essentially transparent to gamma ray photons, protected the detectors from high energy charged particles entering from the front. For all seven modules, the unwanted background effects of particles or photons entering from the rear was suppressed by a "phoswich" design, in which the active NaI detecting element was optically coupled to a layer of CsI on its rear surface, which was in turn optically coupled to a single photomultiplier tube for each of the seven units. Because the NaI has a much faster response time (~0.25 μs) than the CsI (~1 μs), electronic pulse shape discriminators could distinguish good events in the NaI from mixed events accompanied by a simultaneous interaction in the CsI. The largest, or High Energy Detector (HED), occupied the central position and covered the upper range from ~120 keV to 10 MeV, with a field of view (FOV) collimated to 37° FWHM. Its NaI detector was in diameter by thick. The extreme penetrating power of photons in this energy range made it necessary to operate the HED in electronic anti coincidence with the surrounding CsI and also the six other detectors of the hexagon. Two Low Energy Detectors (LEDs) were located in positions 180° apart on opposite side of the hexagon. They had thin ~3 mm thick NaI detectors, also in diameter, covering the energy range from ~10–200 keV. Their FOV was defined to fan shaped beams of 1.7° x 20° FWHM by passive, parallel slat plate collimators. The slats of the two LEDs were inclined to ±30° to the nominal HEAO scanning direction, crossing each other at 60°. Thus, working together, they covered a wide field of view, but could localize celestial sources with a precision determined by their 1.7° narrow fields. The four Medium Energy Detectors (MEDs), with a nominal energy range of 80 keV — 3 MeV, had dia by thick NaI detector crystals, and occupied the four remaining positions in the hexagon of modules. They had circular FOVs with a 17° FWHM. The primary data from A4 consisted of "event by event" telemetry, listing each good (i. e., un vetoed) event in the NaI detectors. The experiment had the flexibility to tag each event with its pulse height (proportional to its energy), and a one or two byte time tag, allowing precision timing of objects such as gamma ray bursts and pulsars. Results of the experiment included a catalog of the positions and intensities of hard X ray (10–200 keV) sources, a strong observational basis for extremely strong magnetic fields (of order 1013 G) on the rotating neutron stars associated with Her X 1 and 4U 0115+634, a definitive diffuse component spectrum between 13 and 200 keV, discovery of the power law shape of the Cygnus X 1 power density spectrum, and discovery of slow intensity cycles in the X Ray sources SMC X 1 and LMC X 4, resulting in approximately 15 Ph. D theses and ~100 scientific publications. The A4 instrument was provided and managed by the University of California at San Diego, under the direction of Prof. Laurence E. Peterson, in collaboration with the X ray group at MIT, where the initial A4 data reduction was performed under the direction of Prof. Walter H. G. Lewin.