Введение
Космический телескоп для гамма-лучевой астрономии, запущенный в 2008 году.
Космический телескоп гамма-лучей Ферми (FGST, также FGRST), ранее известный как космический телескоп гамма-лучей большой площади (GLAST), – это космическая обсерватория, предназначенная для проведения наблюдений в гамма-лучевом диапазоне с низкой околоземной орбиты. Его основной инструмент – Большой телескоп (Large Area Telescope, LAT), с помощью которого астрономы планируют в первую очередь выполнить обзор всего неба, изучая астрофизические и космологические явления, такие как активные галактические ядра, пульсары, другие источники высокой энергии и темная материя. Другой прибор на борту Fermi – монитор гамма-всплесков (GBM; ранее GLAST Burst Monitor) – используется для изучения гамма-всплесков и солнечных вспышек. Fermi, названный в честь пионера физики высоких энергий Энрико Ферми, был запущен 11 июня 2008 года в 16:05 UTC ракетой-носителем Delta II 7920 H. Миссия является совместным проектом NASA, Министерства энергетики США и государственных учреждений Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции, став самым чувствительным гамма-телескопом на орбите, сменив INTEGRAL. Проект признан экспериментом CERN (RE7).
Обзор
Ферми включает в себя два научных прибора: Большой телескоп (LAT) и Монитор гамма-всплесков (GBM). LAT — это визуализирующий детектор гамма-лучей (инструмент преобразования пар), который обнаруживает фотоны с энергией от примерно 20 миллионов до примерно 300 миллиардов электронвольт (20 МэВ до 300 ГэВ) с полем зрения, охватывающим около 20% неба. Его можно рассматривать как продолжение работы инструмента EGRET на борту обсерватории гамма-лучей Комптона. GBM состоит из 14 сцинтилляционных детекторов (двенадцать кристаллов йодида натрия для диапазона энергий от 8 кэВ до 1 МэВ и два кристалла германата висмута с чувствительностью от 150 кэВ до 30 МэВ) и способен обнаруживать гамма-всплески в этом энергетическом диапазоне на всей небесной сфере, не закрытой Землей. Компания General Dynamics Advanced Information Systems (ранее Spectrum Astro, а ныне Orbital Sciences) в Гилберте, штат Аризона, спроектировала и построила космический аппарат, несущий эти приборы. Он движется по низкой круговой орбите с периодом около 95 минут. В нормальном режиме работы ориентация аппарата поддерживается таким образом, чтобы приборы были направлены от Земли, с совершением "качательных" движений для равномерного охвата неба. Приборы просматривают большую часть неба примерно 16 раз в сутки. Космический аппарат также может быть ориентирован на выбранный объект. Оба научных прибора прошли комплексные испытания в условиях, имитирующих космическую среду, включая вибрацию, вакуум, высокие и низкие температуры, чтобы гарантировать их устойчивость к нагрузкам при запуске и надежную работу в космосе. Интеграция приборов с космическим аппаратом была выполнена на объекте General Dynamics ASCENT в Гилберте, штат Аризона. Данные, полученные с приборов, находятся в открытом доступе на веб-сайте Центра поддержки научных исследований Ферми. Также доступно программное обеспечение для анализа этих данных.
GLAST переименован в космический гамма-телескоп Ферми
Алан Стерн из NASA, помощник администратора по науке в штаб-квартире NASA, 7 февраля 2008 года объявил о проведении открытого конкурса, завершившегося 31 марта 2008 года, на переименование GLAST таким образом, чтобы новое название "отражало захватывающий характер миссии GLAST и привлекало внимание к гамма-астрономии и астрономии высоких энергий – что-то запоминающееся, чтобы увековечить эту выдающуюся новую астрономическую миссию, – название, которое легко запоминается, произносится и способно сделать спутник и его миссию предметом обсуждения за обеденным столом и в классе". В 2008 году аппарат получил новое имя: 26 августа 2008 года GLAST был переименован в "Космический гамма-телескоп имени Ферми" в честь Энрико Ферми, пионера в области физики высоких энергий.
Предварительный запуск
4 марта 2008 года космический аппарат прибыл на предприятие по подготовке полезной нагрузки Astrotech в Титусвилле, штат Флорида. 4 июня 2008 года, после ряда предыдущих переносов, дата запуска была перенесена как минимум на 11 июня, что было связано с необходимостью замены батарей системы прекращения полёта. Окно запуска составляло с 15:45 до 17:40 UTC ежедневно и действовало до 7 августа 2008 года.
Изменения программного обеспечения
23 июня 2008 года в компьютерное программное обеспечение GLAST были внесены незначительные изменения.
Компьютеры LAT/GBM в рабочем состоянии
Компьютеры, управляющие как LAT, так и GBM, и большинство компонентов LAT были включены 24 июня 2008 года. Высокое напряжение LAT было включено 25 июня, и он начал регистрировать высокоэнергетические частицы из космоса, однако для калибровки прибора все еще требовались незначительные корректировки. Высокое напряжение GBM также было включено 25 июня, но GBM требовалась еще одна неделя тестов и калибровок перед началом поиска гамма-всплесков.
Режим наблюдения за небом
После представления обзора аппаратуры и целей миссии Fermi, Дженнифер Карсон из Национальной ускорительной лаборатории SLAC заключила, что основные цели "вполне достижимы в режиме сканирования всего неба". Fermi перешел в "режим обзора неба" 26 июня 2008 года, чтобы начать последовательное сканирование поля зрения по всему небу каждые три часа (каждые две орбиты).
Столкновение предотвращено
30 апреля 2013 года НАСА сообщило, что телескоп лишь чудом избежал столкновения, произошедшего годом ранее в апреле 2012 года, с недействующим советским спутником-шпионом эпохи холодной войны «Космос-1805». Орбитальные прогнозы, сделанные за несколько дней до этого, показывали, что два спутника должны были оказаться в одной и той же точке пространства с разницей всего в 30 миллисекунд. 3 апреля операторы телескопа приняли решение убрать высокочувствительную параболическую антенну, развернуть солнечные панели и включить ракетные двигатели телескопа «Ферми» на одну секунду, чтобы изменить его траекторию. Несмотря на то, что эти двигатели не использовались почти пять лет с момента вывода телескопа на орбиту, они сработали исправно, и потенциальной катастрофы удалось избежать.
Расширенная миссия 20132018
В августе 2013 года Fermi приступил к продлению своей пятилетней миссии.
Обновление программного обеспечения Pass 8
В июне 2015 года коллаборация Fermi LAT опубликовала данные "Pass 8 LAT data". Итерации аналитического фреймворка, используемого LAT, называются "проходами" (passes), и при запуске данные Fermi LAT анализировались с использованием Pass 6. Значительные улучшения по сравнению с Pass 6 были включены в Pass 7, который был представлен в августе 2011 года. Каждое зарегистрированное событие Fermi LAT с момента запуска было перепроверено с использованием новейших инструментов, чтобы понять, как детектор LAT реагировал как на каждое отдельное событие, так и на фоновый шум. Это углубленное понимание привело к двум ключевым улучшениям: были обнаружены гамма-лучи, которые не были зафиксированы предыдущими анализами, и направление, откуда они пришли, было определено с большей точностью. Это улучшение позволило повысить четкость изображения, получаемого Fermi LAT, как показано на рисунке справа. Pass 8 также обеспечивает более точные измерения энергии и значительно увеличивает эффективную площадь. Весь архив данных миссии был переобработан. Эти улучшения оказывают наибольшее влияние на нижнюю и верхнюю границы диапазона энергий, регистрируемых Fermi LAT, фактически расширяя энергетический диапазон, в котором LAT может проводить полезные наблюдения. Улучшение производительности Fermi LAT благодаря Pass 8 настолько значительно, что это обновление программного обеспечения иногда называют самым дешевым обновлением спутника в истории. Среди множества достижений, оно позволило более эффективно искать галактические спектральные линии, возникающие при взаимодействии темной материи, анализировать расширенные остатки сверхновых и проводить поиск протяженных источников в плоскости Галактики. Для почти всех классов событий версия P8R2 демонстрировала остаточный фон, который не был полностью изотропным. Эта анизотропия была связана с утечкой электронов космических лучей через полосы антикоинциденсного детектора, и набор отсечений (cuts) позволил отбрасывать эти события, минимально влияя на эффективность регистрации. Этот отбор был использован для создания версии P8R3 данных LAT.
Неисправность привода солнечной батареи
16 марта 2018 года одна из солнечных батарей Fermi перестала вращаться, что привело к переходу в режим "безопасной остановки" и отключению питания приборов. Это была первая механическая неисправность почти за 10 лет. Солнечные батареи Fermi вращаются для максимального воздействия солнечного света. Двигатель, приводящий это вращение в действие, перестал двигаться в одном направлении по команде. 27 марта спутник был зафиксирован под определенным углом к орбите для максимизации выработки солнечной энергии. На следующий день прибор GBM был снова включен. 2 апреля операторы включили LAT, и он возобновил работу 8 апреля. В связи с ограничениями по энергопотреблению и тепловому режиму разрабатываются альтернативные стратегии наблюдений.
Дальнейшее продление до 2022 года
В 2019 году экспертная комиссия NASA пришла к выводу, что работу Fermi следует продолжить до 2022 года, решение, которое впоследствии было утверждено NASA. Дальнейшее продление срока эксплуатации возможно.
Открытие пульсара
Первое крупное открытие произошло, когда космический телескоп обнаружил пульсар в остатке сверхновой CTA 1, который, судя по всему, излучает только в гамма-диапазоне – это было первое подобное обнаружение. Этот новый пульсар направляет пучок излучения на Землю каждые 316,86 миллисекунд и находится на расстоянии около 4600 световых лет.
Наибольший выброс энергии гамма-всплеска
В сентябре 2008 года гамма-всплеск GRB 080916C в созвездии Карина был зарегистрирован телескопом Ферми. Этот всплеск примечателен тем, что обладает "наибольшей кажущейся энергией, когда-либо измеренной". Взрыв был эквивалентен примерно 9000 обычных сверхновых, а релятивистский поток вещества, выброшенный при взрыве, должен был двигаться со скоростью не менее 99,9999% скорости света. В целом, GRB 080916C продемонстрировал "наибольшую общую энергию, самые высокие скорости и наибольшие начальные энергетические выбросы" из всех когда-либо наблюдаемых.
Гамма-излучение галактического центра
В 2009 году в данных телескопа Ферми был обнаружен избыток гамма-лучей из сферической области вокруг Галактического центра Млечного Пути. Это явление сейчас известно как избыток в области Галактического центра в диапазоне энергий ГеВ. Природа этого избытка остаётся неизвестной. Среди возможных объяснений – самоаннигиляция тёмной материи или наличие популяции пульсаров.
Космические лучи и остатки сверхновых
В феврале 2010 года было объявлено, что Fermi LAT установил, что остатки сверхновых выступают в роли мощнейших ускорителей космических частиц. Это открытие соответствует одной из заявленных целей проекта.
Источники гамма-лучей
В марте 2010 года было объявлено, что активные галактические ядра не являются причиной большей части гамма-лучевого фонового излучения. Хотя активные галактические ядра и производят некоторую часть гамма-излучения, регистрируемого на Земле, менее 30% этого излучения имеет происхождение из этих источников. В настоящее время ведутся поиски источников оставшихся примерно 70% всех детектируемых гамма-лучей. Среди возможных источников – галактики, активно формирующие звезды, слияния галактик и, пока не объясненные, взаимодействия темной материи.
GRB 130427A
27 апреля 2013 года Fermi зафиксировал GRB 130427A, гамма-всплеск с одной из самых высоких зарегистрированных энергетических мощностей. В частности, был зарегистрирован гамма-луч с энергией более 94 миллиардов электронвольт (GeV).
ГРБ совпадает с событием гравитационной волны GW150914
Ферми сообщил, что его прибор GBM зафиксировал слабый гамма-всплеск с энергией выше 50 кэВ, начавшийся через 0,4 секунды после события LIGO, с областью позиционной неопределенности, перекрывающейся с областью наблюдения LIGO. Команда Ферми оценила вероятность такого события как случайного совпадения или шума в 0,22%. Однако наблюдения с помощью инструмента SPI ACS телескопа INTEGRAL показали, что любая энергия, излученная в гамма-лучах и жестких рентгеновских лучах от этого события, была менее одной миллионной от энергии, излученной в виде гравитационных волн. В результате был сделан вывод, что "этот предел исключает возможность связи события со значительным гамма-излучением, направленным на наблюдателя". Если бы сигнал, зарегистрированный Fermi GBM, был связан с GW150914, SPI ACS обнаружил бы его с достоверностью 15 сигма над фоном. Космический телескоп AGILE также не зафиксировал гамма-всплеска, соответствующего этому событию. Последующий анализ отчета Ферми, проведенный независимой группой и опубликованный в июне 2016 года, выявил, предположительно, статистические недостатки в первоначальном анализе, заключив, что наблюдение соответствует статистической флуктуации или кратковременному альбедо Земли в масштабе времени 1 секунда. Однако в опровержении этого последующего анализа было указано, что независимая группа исказила анализ оригинальной статьи Fermi GBM Team и, следовательно, неверно интерпретировала результаты первоначального анализа. В опровержении подтверждалось, что вероятность ложного совпадения рассчитывается эмпирически и не опровергается независимым анализом. В октябре 2018 года астрономы сообщили, что GRB 150101B, находящийся на расстоянии 1,7 миллиарда световых лет от Земли, может быть аналогичен историческому GW170817. Он был обнаружен 1 января 2015 года в 15:23:35 UT гамма-всплесковым монитором на борту космического телескопа Ферми, а также зарегистрирован телескопом предупреждения о вспышках (BAT) на борту спутника Swift Observatory. Слияния черных дыр, подобные тем, которые, как считается, вызвали событие гравитационной волны, не должны сопровождаться гамма-всплесками, поскольку двойные системы черных дыр звездной массы не ожидают наличия значительного количества вращающегося вещества. Ави Лоуб предположил, что если массивная звезда быстро вращается, то центробежная сила, возникающая при ее коллапсе, приведет к образованию вращающегося стержня, который распадется на два плотных сгустка вещества, образующих гантелевидную конфигурацию, которая станет двойной черной дырой. В конце коллапса звезды это вызовет гамма-всплеск. Лоуб предполагает, что задержка в 0,4 секунды соответствует времени, необходимому гамма-всплеску для прохождения через звезду относительно гравитационных волн.
GRB 170817A сигнализирует о многомерном транзиенте
17 августа 2017 года программное обеспечение Fermi Gamma Ray Burst Monitor обнаружило, классифицировало и определило местоположение вспышки гамма-лучей, которая впоследствии получила обозначение GRB 170817A. Через шесть минут один детектор в Ханфорде LIGO зарегистрировал кандидата в гравитационные волны, согласующегося со слиянием двойной нейтронной звезды, произошедшим за 2 секунды до события GRB 170817A. Это наблюдение стало "первым совместным обнаружением гравитационного и электромагнитного излучения от единого источника".
Монитор гамма-всплесков
Гамма-пролеточный монитор (GBM) (ранее GLAST Burst Monitor) обнаруживает внезапные вспышки гамма-лучей, производимые гамма-всплесками и солнечными вспышками. Его сцинтилляторы расположены по бокам космического аппарата, чтобы охватывать всё небо, не заблокированное Землей. Конструкция оптимизирована для хорошего временного и энергетического разрешения и чувствительна в диапазоне от 8 (средний рентгеновский диапазон) до 40 (средний энергетический гамма-диапазон). "Гамма-всплески настолько яркие, что мы можем видеть их с расстояния в миллиарды световых лет, что означает, что они произошли миллиарды лет назад, и мы видим их такими, какими они были в тот момент", – заявил Чарльз Миган из Центра космических полётов Маршалла НАСА. Гамма-пролеточный монитор обнаружил гамма-лучи, генерируемые позитронами в мощных грозах. В 2013 году премия была присуждена Роджеру В. Романи из Стэнфордского университета и Элис Хардинг из Центра космических полётов Годдарда за их работу по разработке теоретической основы, лежащей в основе множества интересных результатов, полученных с космического гамма-телескопа Ферми в отношении пульсаров. В 2014 году премию получили Трейси Слэйтер, Дуглас Финкейнер и Мэн Су "за открытие в гамма-лучах крупной, неожиданной галактической структуры, известной как пузыри Ферми". В 2018 году премия была присуждена Коллин Уилсон Ходж и команде Fermi GBM за обнаружение GRB 170817A – первого однозначного и полностью независимого обнаружения электромагнитного аналога гравитационного волнового сигнала (GW170817), который "подтвердил, что короткие гамма-всплески возникают в результате слияния двойных нейтронных звезд и позволил провести глобальную многоволновую кампанию наблюдений".