Введение

Международный ультрафиолетовый исследователь (IUE или Explorer 57, ранее SAS D) - первая космическая обсерватория, предназначенная в первую очередь для получения ультрафиолетового (УФ) электромагнитного спектра. Спутник был совместным проектом между НАСА, Совета по научным и инженерным исследованиям Соединенного Королевства (SERC, ранее UKSRC) и Европейского космического агентства (ESA), ранее Европейской организации космических исследований (ESRO). Миссия была впервые предложена в начале 1964 года группой ученых в Великобритании, и была запущена 26 января 1978 года на борту ракеты-носителя NASA Thor Delta 2914. Срок службы миссии был первоначально установлен на 3 года, но в конце концов он продлился 18 лет, а спутник был закрыт в 1996 году. Выключение произошло по финансовым причинам, пока телескоп все еще функционировал почти с первоначальной эффективностью. Это была первая космическая обсерватория, управляемая в режиме реального времени астрономами, посетившими наземные станции в Соединенных Штатах и Испании. Астрономы сделали более 104 000 наблюдений с помощью IUE, объектов, начиная от тел Солнечной системы до далеких квазаров. Среди значительных научных результатов данных IUE были первые масштабные исследования звездных ветров, точные измерения способа поглощения света межзвездными пылями и измерения сверхновой SN 1987A, которые показали, что она бросает вызов теориям эволюции звезд, как они тогда стояли. Когда миссия закончилась, его считали самым успешным астрономическим спутником в истории.

Мотивация

Человеческий глаз может воспринимать свет с длиной волны примерно от 350 (фиолетовый) до 700 (красный) нанометров. Ультрафиолетовый свет имеет длину волны примерно от 10 до 350 нм. Ультрафиолетовый свет может быть опасен для человека, и он сильно поглощается озоновым слоем. Это делает невозможным наблюдение за УФ-излучением от астрономических объектов с земли. Многие типы объектов излучают большое количество ультрафиолетового излучения: самые горячие и массивные звезды во Вселенной могут иметь температуру поверхности достаточно высокую, чтобы подавляющее большинство их света излучалось в ультрафиолетовом диапазоне. Активные галактические ядра, аккреционные диски и сверхновые сильно излучают ультрафиолетовое излучение, и многие химические элементы имеют сильные линии поглощения в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому ультрафиолетовое поглощение межзвездной средой обеспечивает мощный инструмент для изучения ее состава. Ультрафиолетовая астрономия была невозможна до космической эры, и некоторые из первых космических телескопов были ультрафиолетовыми телескопами, предназначенными для наблюдения этой ранее недоступной области электромагнитного спектра. Одним из особых успехов стала вторая орбитальная астрономическая обсерватория (OAO 2), на борту которой было несколько ультрафиолетовых телескопов. Он был запущен в 1968 году и сделал первые УФ-наблюдения 1200 объектов, в основном звезд. Успех OAO 2 побудил астрономов рассмотреть более крупные миссии.

Концепция

Спутник, который в конечном итоге стал миссией IUE, был впервые предложен в 1964 году британским астрономом Робертом Уилсоном. Европейская организация космических исследований (ESRO) планировала создание Большого астрономического спутника (LAS) и запрашивала предложения от астрономического сообщества относительно его целей и конструкции. Уилсон возглавил британскую команду, которая предложила ультрафиолетовый спектрограф, и их конструкция была рекомендована для принятия в 1966 году. Однако проблемы с управлением и перерасход средств привели к отмене программы LAS в 1968 году.

Строительство и инженерное дело

Телескоп был построен как совместный проект между NASA, ESRO (который стал ESA в 1975 году) и SERC Соединенного Королевства. SERC предоставил камеры Vidicon для спектрографов, а также программное обеспечение для научных приборов. ESA предоставило солнечные батареи для питания космического аппарата, а также наземный наблюдательный центр в Виллафранка-дель-Кастильо, Испания. НАСА предоставило телескоп, спектрограф и космический аппарат, а также пусковые установки и вторую наземную обсерваторию в Гринбелде, штат Мэриленд, в Центре космических полетов Годдарда (GSFC). Согласно соглашению о создании проекта, время наблюдения будет разделено между агентствами, участвующими в проекте, причем 2/3 будут предоставлены NASA, 1/6 - ESA и 1/6 - SERC Великобритании.

Зеркало

Зеркало телескопа было отражателем типа телескопа Ричи-Кристиан, который имеет гиперболические первичные и вторичные зеркала. Первичная была через. Телескоп был разработан для получения высококачественных изображений в поле зрения 16 минут дуги (примерно половина видимого диаметра Солнца или Луны). Первичное зеркало было изготовлено из бериллия, а вторичное из расплавленного кремнезема - материала, выбранного из-за его легкого веса, умеренной стоимости и оптического качества.

Инструменты

Приборы на борту состояли из датчиков тонких ошибок (FES), которые использовались для наведения и направления телескопа, спектрографа высокого и низкого разрешения и четырех детекторов. Было два датчика тонкой погрешности (FES), и их первая цель состояла в том, чтобы изобразить поле зрения телескопа в видимом свете. Они могли обнаружить звезды до 14-й величины, примерно в 1500 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным глазом с Земли. Изображение передавалось на наземную станцию, где наблюдатель проверял, что телескоп указывает на правильное поле, а затем получал точный объект, который нужно наблюдать. Если объект, который должен быть наблюден, был слабее 14-й величины, наблюдатель направлял бы телескоп на звезду, которую можно было бы увидеть, а затем применял "слепые" смещения, определяемые из координат объектов. Точность ориентации была, как правило, лучше, чем 2 дуговых секунд для слепых смещений. Изображения FES были единственной возможностью телескопа для получения изображений; для УФ-наблюдений он записывал только спектр. Для этого он был оснащен двумя спектрографами. Они назывались спектраграфом короткой длины волны (SWS) и спектраграфом длинной длины волны (LWS), и охватывали диапазоны длин волн от 115 до 200 нанометров и от 185 до 330 нм соответственно. Каждый спектрограф имел как режимы высокого, так и низкого разрешения, с спектральными разрешениями 0,02 и 0,60 нм соответственно. Спектрографы могут использоваться с любой из двух диафрагм. Более крупная апертура была слотом с полем зрения примерно 10 × 20 дуговых секунд; меньшая апертура была кругом диаметром около 3 дуговых секунд. Качество оптики телескопа было таким, что точечные источники появлялись в диапазоне около 3 дуговых секунд, поэтому использование меньшей диафрагмы требовало очень точной наведения, и это не обязательно захватывало весь свет от объекта. Поэтому чаще всего использовался больший диафрагма, а меньший диафрагма использовался только тогда, когда большое поле зрения содержало бы нежелательные излучения от других объектов. Он был запущен на переносную орбиту, с которой его бортовой ракеты-носителя выпустил его на запланированную геосинхронную орбиту. Орбита была наклонена на 28,6° к экватору Земли и имела орбитальную эксцентричность 0,24, что означало, что расстояние спутника от Земли варьировалось между 2000 и 2001 годами. Затем системы космических аппаратов были протестированы и оптимизированы. Телескоп был сфокусирован, и основные и избыточные камеры в обоих каналах были протестированы. Было обнаружено, что SWR камера не работала должным образом, и поэтому SWP камера использовалась на протяжении всей миссии. Первоначально эта камера страдала от значительного электронного шума, но это было прослежено до датчика, используемого для выравнивания телескопа после запуска. Как только этот датчик был выключен, камера работала как ожидалось. Наконец, было изучено и охарактеризовано качество изображения и спектральное разрешение, а производительность телескопа, спектрографов и камер была калибрована с использованием наблюдений за хорошо известными звездами. Астрономы любой национальности могли подать заявку на получение телескопа, выбирая, к какому агентству они хотели обратиться. Если астроному было предоставлено время, то когда его наблюдения были запланированы, он должен был отправиться на наземные станции, которые управляли спутником, чтобы они могли видеть и оценивать данные, как они были получены. Этот режим работы сильно отличался от большинства космических объектов, для которых данные собираются без ввода данных в реальном времени от соответствующего астронома, и вместо этого напоминал использование наземных телескопов.

Наземная поддержка

Большую часть своего существования телескоп работал по три восьмичасовые смены каждый день, две из наземной станции США в Центре космических полетов Годдарда в Мэриленде, а одна из наземной станции ESA в Вильянуэва-де-ла-Канада недалеко от Мадрида. Из-за своей эллиптической орбиты космический аппарат проводил часть каждого дня в радиационных поясах Ван Аллена, в течение которого научные наблюдения страдали от более высокого фонового шума. Это время приходилось на вторую смену в США каждый день, и обычно использовалось для калибровочных наблюдений и космических аппаратов "уборки", а также для научных наблюдений, которые можно было сделать с коротким временем воздействия. Двукратные трансатлантические передачи требовали телефонного контакта между Испанией и США для координации перехода. Наблюдения не были скоординированы между станциями, так что астрономы, которые взяли на себя управление после передачи, не знали, куда будет направлен телескоп, когда начнется их смена. Это иногда означало, что наблюдение за сменой начиналось с длительного маневра указания, но позволяло максимальную гибкость в планировании блоков наблюдения.

Передача данных

Данные передавались на Землю в реальном времени в конце каждого научного наблюдения. Камера считывала изображение размером 768 × 768 пикселей, а преобразователь аналогового в цифровой давал динамический диапазон 8 бит.

Научные результаты

IUE позволил астрономам впервые увидеть ультрафиолетовый свет от многих небесных объектов, и был использован для изучения объектов, начиная от планет Солнечной системы до далеких квазаров. За время существования IUE сотни астрономов наблюдали за ней, а в течение первых десяти лет работы было опубликовано более 1500 научных статей с рецензией на основе данных IUE. Девять симпозиумов Международного астрономического союза (МАС) были посвящены обсуждению результатов МАС.

Солнечная система

Все планеты Солнечной системы, кроме Меркурия, были замечены; телескоп не мог указать на какую-либо часть неба в пределах 45° от Солнца, а наибольшее угловое расстояние Меркурия от Солнца составляет всего около 28°. Наблюдения IUE на Венере показали, что количество монооксида серы и диоксида серы в ее атмосфере значительно сократилось в 1980-х годах. Причина этого снижения еще не полностью понята, но одна из гипотез заключается в том, что крупное извержение вулкана вложило в атмосферу соединения серы, и что они снижались после окончания извержения. Комета Галлея достигла перигелия в 1986 году и была интенсивно наблюдаема с помощью IUE, а также с помощью большого количества других наземных и спутниковых миссий. Ультрафиолетовые спектры использовались для оценки скорости, с которой комета теряла пыль и газ, а наблюдения IUE позволили астрономам оценить, что в общей сложности 3 × 108 тонн воды испарились от кометы во время ее прохождения через внутреннюю Солнечную систему.

Звезды

Некоторые из наиболее значительных результатов IUE были получены в исследованиях горячих звезд. Звезда, которая горячее, чем около 10 000 К, излучает большую часть своего излучения в УФ-лучах, и, таким образом, если ее можно изучать только в видимом свете, большое количество информации теряется. Подавляющее большинство всех звезд холоднее Солнца, но часть, которая горячее, включает массивные, очень яркие звезды, которые извергают огромное количество материи в межзвездное пространство, а также белые карлики, которые являются конечной стадией звездной эволюции для подавляющего большинства всех звезд и которые имеют температуры до 100 000 К, когда они впервые формируются. IUE обнаружил много примеров белых карликов-компаньонов звезд главной последовательности. Примером такого типа системы является Сириус, и на видимых длинах волн звезда основной последовательности намного ярче, чем белый карлик. Однако в ультрафиолетовом диапазоне белый карлик может быть ярким или ярче, поскольку его более высокая температура означает, что он излучает большую часть своего излучения на этих более коротких длинах волн. В этих системах белый карлик изначально был более тяжелой звездой, но потерял большую часть своей массы на более поздних стадиях своей эволюции. Двойные звезды обеспечивают единственный прямой способ измерения массы звезд, исходя из наблюдений за их орбитальными движениями. Таким образом, наблюдения двойных звезд, где два компонента находятся на столь разных стадиях звездной эволюции, могут быть использованы для определения связи между массой звезд и тем, как они эволюционируют. Звезды с массой в десять раз больше Солнца имеют мощные звездные ветры. Солнце теряет около 10−14 солнечных масс в год в своем солнечном ветре, который движется со скоростью около , но массивные звезды могут терять в миллиард раз больше материала каждый год в ветрах, движущихся со скоростью нескольких тысяч километров в секунду. Эти звезды существуют несколько миллионов лет, и в течение этого времени звездный ветер уносит значительную часть их массы и играет решающую роль в определении того, взорвутся они в виде сверхновой или нет. Эта потеря звездной массы была впервые обнаружена с помощью телескопов, установленных на ракетах в 1960-х годах, но IUE позволила астрономам наблюдать очень большое количество звезд, что позволило провести первые надлежащие исследования того, как потеря звездной массы связана с массой и светимостью.

СН 1987А

В 1987 году звезда в Большом Магеллановом Облаке взорвалась как сверхновая. Это событие, названное SN 1987A, имело огромное значение для астрономии, поскольку это была самая близкая известная сверхновая к Земле и первая, видимая невооруженным глазом, с тех пор, как звезда Кеплера в 1604 году до изобретения телескопа. Возможность изучить сверхновую гораздо более внимательно, чем это было возможно раньше, вызвала интенсивные кампании наблюдений во всех крупных астрономических объектах, и первые наблюдения IUE были сделаны примерно через 14 часов после открытия сверхновой. Данные IUE были использованы для определения того, что звезда-предшественник была голубым сверхгигантом, тогда как теория ожидала красного сверхгиганта. Изображения космического телескопа Хаббл показали туманность, окружающую звезду-предшественника, которая состояла из массы, потерянной звездой задолго до ее взрыва; исследования IUE этого материала показали, что он богат азотом, который образуется в цикле CNO - цепочке ядерных реакций, которая производит большую часть энергии, испускаемой звездами, намного более массивными, чем Солнце. Астрономы предположили, что звезда была красным сверхгигантом и выбросила большое количество материи в космос, прежде чем превратиться в синего сверхгиганта и взорваться.

Межзвездная среда

IUE широко использовался для исследования межзвездной среды (ISM). МКС обычно наблюдается, рассматривая фоновые источники, такие как горячие звезды или квазары; межзвездочный материал поглощает часть света из фонового источника, и поэтому его состав и скорость могут быть изучены. Одним из первых открытий IUE было то, что Млечный Путь окружен огромным ореолом горячего газа, известным как галактическая корона. Горячий газ, нагретый космическими лучами и сверхновыми, простирается на несколько тысяч световых лет над и под плоскостью Млечного Пути. Данные IUE также имели решающее значение для определения того, как на свет от отдаленных источников влияет пыль вдоль линии видимости. На это межзвездное вымирание влияет почти все астрономические наблюдения, и исправление этого является первым шагом в большинстве анализов астрономических спектров и изображений. Данные IUE были использованы, чтобы показать, что внутри галактики межзвездные вымирания могут быть хорошо описаны несколькими простыми уравнениями. Относительная изменчивость вымирания с длиной волны показывает небольшое изменение с направлением; меняется только абсолютное количество поглощения. Межзвездный поглощение в других галактиках может быть аналогично описано довольно простыми "законами".

Активные галактические ядра

IUE значительно расширил понимание астрономами активных галактических ядер (AGN). До запуска 3С 273, первого известного квазара, был единственным AGN, который когда-либо наблюдался на УФ-волнных длинах. С IUE ультрафиолетовые спектры AGN стали широко доступны. Одной из целей была NGC 4151, самая яркая галактика Сейферта. Вскоре после запуска IUE группа европейских астрономов объединила свое время наблюдения, чтобы неоднократно наблюдать галактику, чтобы измерить изменения во времени ее ультрафиолетового излучения. Они обнаружили, что изменение УФ-лучей намного больше, чем в оптических и инфракрасных волнах. Наблюдения IUE использовались для изучения черной дыры в центре галактики, масса которой оценивается в 50-100 миллионов раз больше массы Солнца. Ультрафиолетовое излучение колебалось в течение нескольких дней, что означает, что область излучения была всего лишь нескольких световых дней в диаметре.

Ультрафиолетовый спектрограф

Этот эксперимент включал в себя ультрафиолетовый спектрограф, который был установлен на IUE, состоящий из двух физически различных ешальных спектрографов/камер, способных к астрономическим наблюдениям. Каждый спектрограф представлял собой трехэлементную систему эшаль, состоящую из параболоидального коллиматора с отрывом от оси, эшальной решетки и сферической решетки первого порядка, которая использовалась для разделения эшальных порядков и фокусировки спектрального дисплея на преобразователе изображения плюс камерой SEC Vidicon. В каждом блоке была запасная камера. Камеры смогли интегрировать сигнал. Цикл считывания/подготовки для камер занимал примерно 20 минут. Калибровка длины волны обеспечивалась с помощью пологой катодной лампы сравнения. Фотометрическая калибровка была выполнена путем наблюдения за стандартными звездами, спектральные потоки которых ранее были калиброваны другими средствами. Оба эшелевых спектраграфа/камеры были способны работать с высоким разрешением (0,1 ангстром (А)) или низким разрешением (6 А). Двойная возможность высокого/низкого разрешения была реализована путем вставки плоского зеркала перед решеткой эшель, так что единственная дисперсия обеспечивалась сферической решеткой. Поскольку SEC Vidicons мог интегрировать сигнал в течение многих часов, данные с соотношением сигнал/шум 50 могли быть получены для звезд B0 9-й и 14-й величин в режимах высокого и низкого разрешения соответственно. Отличительной особенностью этих устройств было их охват длиной волны. Один блок охватывал диапазон длин волн от 1192 до 1924 А в режиме высокого разрешения и от 1135 до 2085 А в режиме низкого разрешения. Для другого устройства диапазоны были от 1893 до 3031 А и от 1800 до 3255 А для режимов высокого и низкого разрешения соответственно. Каждый блок также имел свой собственный выбор входных отверстий: либо отверстие с длиной 3 дуги, либо слот с длиной 10 на 20 дуги. Слот 10 на 20 дуговых секунд можно было заблокировать обычным затворами, но 3 дуговые секунды были всегда открыты. В результате были возможны две конфигурации диафрагмы: (1) обе 3-х дуговых секунды открыты и обе 10 на 20 дуговых секунд слоты закрыты, или (2) все четыре диафрагмы открыты. С помощью этого прибора наблюдатель мог наблюдать только с помощью спектратора длинных и/или коротких волн, с высоким или низким разрешением и с большими или малыми диафрагмами. Экспозиции можно было сделать с помощью двух спектрографов одновременно, но входные отверстия для каждого были различными и разделены в небе примерно на 1 минуту дуги. Дополнительным ограничением было то, что данные могли быть прочитаны только с одной камеры за раз. Однако одна камера могла быть подвергнута воздействию, в то время как другая камера была прочитана. Выбор высокого или низкого разрешения может быть сделан независимо для двух спектрографов.

Монитор потока частиц (космический аппарат)

Эксперимент с контролем потока частиц был помещен в ИУЭ для мониторинга задержанных потоков электронов, которые влияли на чувствительность ультрафиолетового датчика в эксперименте с пакетом спектрографа ИУЭ, NSSDC ID 1978 012A 01. Монитор потока частиц был литийным дрейфовым кремниевым детектором с полуугольным коническим полем обзора 16°. Он имел алюминиевый абсорбер 0,357 г/см2 перед коллиматором и медный щит с минимальной толщиной 2,31 г/см2. Эффективный энергетический порог для измерений электронов составлял 1,3 MeV. Эксперимент также был чувствителен к протонам с энергией более 15 МеВ. Прибор использовался в качестве оперативного инструмента для определения фонового излучения и допустимого времени воздействия камеры. Данные также были полезны в качестве мониторинга задержанных потоков излучения. Инструмент был предоставлен доктором С. Бостромом из лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса. Прибор был отключен 4 октября 1991 года, поскольку он давал ошибочную информацию.

Окончание миссии

IUE был разработан с минимальным сроком службы в три года и имел достаточно расходного материала для пятилетней миссии. Однако он просуществовал гораздо дольше, чем предполагалось. Время от времени возникали проблемы с оборудованием, но для их устранения были разработаны инновационные методы. Например, космический аппарат был оснащен шестью гироскопами для стабилизации космического аппарата. Последующие сбои в 1979, 1982, 1983, 1985 и 1996 годах в конечном итоге оставили космический аппарат с одним функциональным гироскопом. Контроль телескопа поддерживался двумя гироскопами с помощью датчика Солнца телескопа для определения положения космического аппарата, а стабилизация в трех осях оказалась возможной даже после пятой поломки, с помощью датчика Солнца, датчиков мелких ошибок и единственного оставшегося гироскопа. Большинство других частей телескопа оставались полностью функциональными на протяжении всей миссии. В 1995 году бюджетные проблемы в НАСА почти привели к прекращению миссии, но вместо этого операционные обязанности были переделены, при этом ЕКА контролировала 16 часов в день, а GSFC - только оставшиеся 8. 16 часов ESA использовались для научных операций, а 8 часов GSFC использовались только для технического обслуживания.

Влияние на астрономию

Миссия IUE, в силу ее очень длительной продолжительности и того факта, что в течение большей части ее жизни она обеспечивала астрономам единственный доступ к ультрафиолетовому свету, оказала большое влияние на астрономию. К концу своей миссии он был признан самой успешной и продуктивной космической обсерваторией. В 2009 году на НАСТ был установлен спектрограф "Космического происхождения" (Cosmic Origins Spectrograph), запущенный с помощью космического шаттла, и это устройство регистрирует ультрафиолетовый спектр, что доказывает некоторую способность к ультрафиолетовым наблюдениям в этот период. Другим ультрафиолетовым космическим телескопом, совершенно отличающимся по фокусу, был широкоугольный космический телескоп GALEX, работавший в период с 2003 по 2013 год. Некоторые телескопы, такие как Habex или Advanced Technology Large Aperture Space Telescope (ATLAST), включают в себя ультрафиолетовые возможности, хотя неясно, есть ли у них реальные перспективы. В 2010-х годах многие проекты телескопов испытывали трудности, и даже некоторые наземные обсерватории увидели свой потенциал для закрытия якобы для экономии бюджета.