Введение
Рентгеновская космическая обсерватория. Первоначально финансировалась на два года с расчётным сроком службы в десять лет, но космический аппарат остается в хорошем состоянии и неоднократно получал продления миссии, в последний раз в марте 2023 года, и планируется, что он будет работать до конца 2026 года. ESA планирует сменить XMM Newton на Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) – вторую крупную миссию в рамках программы Cosmic Vision 2015–2025, запуск которой запланирован на 2035 год. XMM Newton аналогичен рентгеновской обсерватории NASA Chandra, также запущенной в 1999 году. По состоянию на май 2018 года было опубликовано около 5600 научных статей, посвященных либо XMM Newton, либо полученным с его помощью научным результатам.
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.
Концепция и история миссии
Обзорная область XMM Newton включает в себя обнаружение рентгеновского излучения от астрономических объектов, детальное изучение областей звездообразования, исследование формирования и эволюции скоплений галактик, окружения сверхмассивных черных дыр и картирование таинственной темной материи. В 1982 году, еще до запуска предшественника XMM Newton – EXOSAT в 1983 году, было предложено создать «многозеркальный» рентгеновский телескоп. Миссия XMM была официально предложена Комитету по научной программе ЕКА в 1984 году и получила одобрение Совета министров Агентства в январе 1985 года. В том же году были сформированы несколько рабочих групп для определения осуществимости такой миссии. На этом семинаре было предложено, чтобы космический аппарат содержал 12 рентгеновских телескопов низкой энергии и 7 высокой энергии. Общая конфигурация космического аппарата была разработана к февралю 1987 года и во многом основывалась на опыте, полученном в ходе миссии EXOSAT. Три модуля летных зеркал для рентгеновских телескопов были поставлены итальянским субподрядчиком Media Lario в декабре 1998 года. Запуск XMM состоялся 10 декабря 1999 года в 14:32 UTC с Космического центра Гвианы. XMM был выведен в космос ракетой-носителем Ariane 5 и помещен на высокоэллиптическую орбиту с наклонением 40 градусов, имеющую перигей и апогей. Сразу после запуска XMM начал фазу вывода на орбиту и ранней эксплуатации. 17 и 18 декабря 1999 года были открыты двери рентгеновских модулей и оптического монитора соответственно. Активация приборов началась 4 января 2000 года. Оптический монитор (OM) получил первое изображение 5 января, две европейские фотонные камеры (EPIC) MOS CCD – 16 января, EPIC pn CCD – 22 января, а рефлекторно-решетчатые спектрометры (RGS) – 2 февраля. Включая все строительство, запуск космического аппарата и два года эксплуатации, проект был завершен в рамках бюджета (в ценах 1999 года). 18 октября 2008 года XMM Newton столкнулся с неожиданным сбоем связи, в течение которого контакт с космическим аппаратом был потерян. Хотя высказывались опасения, что аппарат мог получить катастрофические повреждения, фотографии, сделанные астрономами-любителями в обсерватории Старкенбург в Германии и в других местах по всему миру, показали, что аппарат остался неповрежденным и следовал по расчетной траектории. Слабый сигнал был наконец обнаружен с помощью антенны в Нью-Норсии, Западная Австралия, и связь с XMM Newton показала, что вышел из строя радиочастотный переключатель космического аппарата. После устранения неполадок наземные операторы использовали антенну NASA в комплексе дальней космической связи Голдстоун для отправки команды, которая перевела переключатель в его последнее рабочее положение. В пресс-релизе ESA сообщалось, что 22 октября наземная станция Европейского космического астрономического центра (ESAC) установила связь со спутником, подтвердив успешность процедуры и восстановление управления аппаратом.
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.
Продление миссии
Из-за хорошего состояния космического аппарата и значительных объемов полученных данных, XMM Newton получил несколько продлений миссии от Комитета по научной программе ЕКА. Первое продление было утверждено в ноябре 2003 года и позволило продолжить работу до марта 2008 года. Второе продление было одобрено в декабре 2005 года, продлив работу до марта 2010 года. Третье продление было принято в ноябре 2007 года, обеспечив проведение операций до 2012 года. В рамках утверждения отмечалось, что спутник располагает достаточным запасом ресурсов (топлива, энергии и механической исправности), чтобы теоретически продолжать работу после 2017 года. Четвертое продление, утвержденное в ноябре 2010 года, разрешило проведение операций до 2014 года. Пятое продление было одобрено в ноябре 2014 года и подтверждено в ноябре 2016 года, продлив работу до 2018 года. Шестое продление было утверждено в декабре 2017 года, обеспечив продолжение работы до конца 2020 года. Седьмое продление было одобрено в ноябре 2018 года, продлив работу до конца 2022 года. Восьмое продление было одобрено в марте 2023 года, обеспечив продолжение работы до конца 2026 года, с возможностью дальнейшего продления до 2029 года.
Европейские фотонные камеры
Три европейские фотонные камеры (EPIC) являются основными приборами на борту XMM Newton. Система состоит из двух CCD-камер MOS и одной CCD-камеры pn, с общим полем зрения 30 угловых минут и диапазоном энергетической чувствительности от 0,15 до 15 [[электронвольт (82,7 до 0,83 ангстрем). Каждая камера содержит шестипозиционное фильтровое колесо с тремя типами рентгенопрозрачных фильтров, полностью открытым и полностью закрытым положением; каждая также содержит радиоактивный источник, используемый для внутренней калибровки. Камеры могут работать независимо в различных режимах, в зависимости от требуемой чувствительности и скорости съемки, а также от интенсивности объекта наблюдения. Две CCD-камеры MOS используются для регистрации рентгеновских лучей низкой энергии. Каждая камера состоит из семи кремниевых чипов (один в центре и шесть вокруг него), каждый из которых содержит матрицу 600 × 600 пикселей, обеспечивая общее разрешение камеры около 2,5 мегапикселей. Как упоминалось выше, каждая камера имеет большой прилегающий радиатор, который охлаждает прибор до рабочей температуры -120 °C (184 °F). Они были разработаны и построены Центром космических исследований Университета Лестера и EEV Ltd. Система EPIC регистрирует три типа данных о каждом рентгеновском луче, зарегистрированном ее CCD-камерами. Время прибытия рентгеновского луча позволяет ученым строить кривые блеска, которые отображают количество прибывающих рентгеновских лучей во времени и показывают изменения яркости объекта. Место попадания рентгеновского луча в камеру позволяет получить видимое изображение объекта. Количество энергии, переносимой рентгеновским лучом, также может быть определено и помогает ученым установить физические процессы, происходящие в объекте, такие как его температура, химический состав и характеристики среды между объектом и телескопом.
Спектрометры с решеткой отражания
Спектрометры решетки отражения (RGS) состоят из двух фокальных камер и соответствующих им решетчатых массивов отражения. Эта система используется для получения спектральных данных в рентгеновском диапазоне и позволяет определять элементы, присутствующие в объекте наблюдения, а также их температуру, количество и другие характеристики. Система RGS работает в диапазоне от 2,5 до 0,35 кэВ (5 до 35 ангстрем), что обеспечивает обнаружение углерода, азота, кислорода, неона, магния, кремния и железа. Каждая фокальная камера состоит из девяти МОП-приборов CCD, установленных в ряд и следующих по кривой, называемой окружностью Роуленда. Каждый CCD содержит 384 × 1024 пикселей, обеспечивая общее разрешение более 3,5 мегапикселей. Общая ширина и длина массива CCD определялись размером спектра RGS и диапазоном длин волн соответственно. Каждый массив CCD окружен относительно массивной стенкой, обеспечивающей теплоотвод и радиационную защиту. Двухступенчатые радиаторы охлаждают камеры до рабочей температуры 110 °C (166 °F). Системы камер были разработаны совместно SRON, Институтом Пола Шеррера и MSSL, при этом EEV Ltd и Contraves Space предоставили аппаратное обеспечение. Решетчатые массивы отражения прикреплены к двум основным телескопам. Они пропускают примерно 50% входящего рентгеновского излучения в систему EPIC, а остальные 50% перенаправляют на фокальные камеры. Каждая RGA была спроектирована для размещения 182 идентичных решеток, однако из-за ошибки при изготовлении одна из них содержит только 181 решетку. Поскольку зеркала телескопов уже сфокусировали рентгеновские лучи, чтобы они сходились в фокальной точке, каждая решетка имеет одинаковый угол падения, и, как и в случае с фокальными камерами, каждый массив решеток соответствует окружности Роуленда. Эта конфигурация минимизирует фокальные аберрации. Каждая решетка состоит из толстой подложки из карбида кремния, покрытой золотой пленкой, и поддерживается пятью бериллиевыми усилителями. Решетки содержат большое количество желобков, которые фактически выполняют отклонение рентгеновского излучения; каждая решетка содержит в среднем 646 желобков на миллиметр. RGA были изготовлены Колумбийским университетом. Прибор состоит из модуля телескопа, содержащего оптику, детекторы, оборудование для обработки данных и источник питания; и модуля цифровой электроники, содержащего блок управления прибором и блоки обработки данных. Входящее излучение направляется в одну из двух полностью резервированных систем детекторов. Излучение проходит через 11-позиционное фильтровое колесо (один непрозрачный фильтр для блокировки света, шесть широкополосных фильтров, один фильтр белого света, один увеличитель и два призматических элемента), затем через усилитель, который усиливает свет в миллион раз, и далее на CCD-сенсор. Размер CCD составляет 384 × 288 пикселей, из которых 256 × 256 пикселей используются для наблюдений; каждый пиксель дополнительно разбивается на 8 × 8 подпикселей, что приводит к конечному изображению размером 2048 × 2048. Оптический монитор был построен Лабораторией космических наук Мулларда при участии организаций из Соединенных Штатов и Бельгии. Каждый телескоп состоит из 58 цилиндрических, вложенных зеркал типа Вольтера 1-го типа, разработанных компанией Media Lario из Италии, каждое длиной и диаметром от до , обеспечивающих общую собирающую способность в размере при 1,5 кэВ и при 8 кэВ.
Система контроля положения и орбиты
Контроль положения космического аппарата по трем осям осуществляется системой управления положением и орбитой (AOCS), состоящей из четырех реактивных колёс, четырех инерциальных измерительных блоков, двух звездных трекеров, трех прецизионных датчиков Солнца и трех датчиков поиска Солнца. AOCS была разработана компанией Matra Marconi Space (Великобритания). Грубая ориентация космического аппарата и поддержание орбиты обеспечиваются двумя комплектами по четырем гидразиновым двигателям (основным и резервным). В 2013 году AOCS была модернизирована с помощью программного обновления ("4WD"), позволяющего управлять ориентацией, используя три основных реактивных колеса и четвертое, запасное колесо, которое не использовалось с момента запуска, с целью экономии топлива и увеличения срока службы космического аппарата. По прогнозам на 2019 год, запаса топлива должно хватить до 2030 года.
Силовые системы
Основная мощность для XMM Newton обеспечивается двумя фиксированными солнечными батареями. Батареи состоят из шести панелей размером [размер панелей] и общей площадью [общая площадь] и массой [масса]. На момент запуска батареи обеспечивали мощность 2200 Вт, и ожидалось, что они обеспечат 1600 Вт после десяти лет эксплуатации. Развертывание каждой батареи заняло четыре минуты. Батареи были предоставлены голландской компанией Fokker Space. Когда прямой солнечный свет недоступен, питание обеспечивается двумя никель-кадмиевыми аккумуляторами емкостью 24 А·ч и весом [вес аккумулятора] каждый. Аккумуляторы были предоставлены SAFT из Франции.
Наземные системы
Контрольный центр миссии XMM Newton находится в Европейском центре космических операций (ESOC) в Дармштадте, Германия. Для поддержания непрерывной связи с космическим аппаратом на большей части его орбиты используются две наземные станции, расположенные в Перте и Куру. Резервные наземные станции находятся в Виллафранка-дель-Кастильо, Сантьяго и Донгара. Поскольку на борту XMM Newton отсутствует система хранения данных, научные данные передаются на эти наземные станции в режиме реального времени и распространяются в зеркальных архивах в Центре космических полетов Годдарда и в Научный центр обследования миссии XMM Newton (SSC) при Институте исследований астрофизики и планетологии. До июня 2013 года SSC находился в ведении Университета Лестера, но управление было передано в связи с прекращением финансирования со стороны Соединенного Королевства.
Наблюдения и открытия
Космическая обсерватория была использована для обнаружения скопления галактик XMMXCS 2215 1738, находящегося в 10 миллиардах световых лет от Земли. Объект SCP 06F6, обнаруженный космическим телескопом Хаббл (HST) в феврале 2006 года, был исследован XMM Newton в начале августа 2006 года и, по-видимому, демонстрировал рентгеновское свечение вокруг себя, на два порядка превышающее яркость сверхновых. В июне 2011 года группа ученых из Женевского университета (Швейцария) сообщила, что XMM Newton зафиксировал вспышку, длившуюся четыре часа и достигшую пиковой интенсивности, в 10 000 раз превышающей нормальный уровень, при наблюдении за сверхгигантским быстрым рентгеновским транзиентом IGR J18410 0535, где голубой сверхгигант выбрасывал облако вещества, частично поглощенное меньшей нейтронной звездой-компаньоном, сопровождаемое рентгеновским излучением. В феврале 2013 года было объявлено, что XMM Newton совместно с NuSTAR впервые измерили скорость вращения сверхмассивной черной дыры, наблюдая черную дыру в ядре галактики NGC 1365. Одновременно была подтверждена модель, объясняющая искажение рентгеновского излучения, испускаемого черной дырой. В феврале 2014 года отдельные анализы, выполненные на основе спектра рентгеновского излучения, зарегистрированного XMM Newton, выявили монохромный сигнал около 3,5 кэВ. Этот сигнал исходит из различных скоплений галактик, и несколько сценариев, связанных с темной материей, могут объяснить наличие такой линии. Например, кандидат в темной материи с энергией 3,5 кэВ, аннигилирующий на два фотона, или частица темной материи с энергией 7 кэВ, распадающаяся на фотон и нейтрино. В июне 2021 года одно из крупнейших обзоров в рентгеновском диапазоне, выполненное с использованием космической обсерватории XMM Newton Европейского космического агентства, опубликовало предварительные результаты, демонстрирующие рост 12 000 сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и скоплений галактик.