Гранат (обсерватория)

Международная астрофизическая обсерватория «Гранат»
схематическое изображение обсерватории «Гранат»
Организация:	Советская космическая программа
Главные подрядчики:	НПО им. Лавочкина
Волновой диапазон:	Рентгеновские и гамма-лучи
NSSDC ID:	1989-096A
Местонахождение:	Геоцентрическая орбита
Тип орбиты:	Высокоапогейная орбита
Высота орбиты:	апогей 200 000 км перигей 2000 км (начальные значения)
Период обращения:	4 дня
Запущен:	1 декабря 1989[1]
Запущен из:	Байконур
Выведен на орбиту:	Протон
Продолжительность:	9 лет
Снят с орбиты:	25 мая 1999[1]
Масса:	4 тонны (вес научной аппаратуры 2,3 тонны)
Тип телескопа:	кодирующая маска (СИГМА)[2] кодирующая маска (АРТ-П)[3]
СИГМА:	рентгеновский/гамма телескоп
АРТ-П:	рентгеновский телескоп
АРТ-С:	рентгеновский спектрометр
Фебус:	детектор гамма-всплесков
ВОТЧ:	монитор всего неба
КОНУС-Б Подсолнух:	Гамма-всплесковые приборы
Сайт:	hea.iki.rssi.ru/GRANAT/index.html  (рус.) hea.iki.rssi.ru/GRANAT/granat.html  (англ.)

У этого термина существуют и другие значения, см. Гранат.

Международная астрофизическая обсерватория «Гранат» — советская (а затем российская) орбитальная обсерватория, разработанная совместно с Францией, Данией и Болгарией. Запущена на орбиту 1 декабря 1989 года ракетой-носителем «Протон» на высокоапогейную орбиту с периодом обращения вокруг Земли 4 дня, из которых научные наблюдения проводились в течение 3 дней. Обсерватория работала на орбите более 9 лет (вход в атмосферу 29 мая 1999 года).^[1]

В сентябре 1994 года, после практически 5 лет работы на орбите в режиме направленных наблюдений рабочее тело для двигателей разворота подошло к концу и обсерватория была переведена в режим сканирования. Передача данных с обсерватории была закончена 27 ноября 1998 года, обсерватория разрушилась при входе в атмосферу 25 мая 1999 г^[1]).

Семь инструментов обсерватории покрывали диапазон энергий от оптического (прибор «Подсолнух») до гамма (приборы «Фебус» и «Конус-Б»). Один из основных инструментов обсерватории — телескоп SIGMA — впервые позволил построить изображение области центра галактики с беспрецедентным для таких больших энергий (40 кэВ — 1 МэВ) угловым разрешением 15 угловых минут. Телескоп с кодирующей маской АРТ-П впервые провел глубокий обзор обширной области Балджа галактики, открыв более десятка неизвестных ранее аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звезд. Приборы WATCH и PHEBUS составили подробные каталоги гамма-всплесков.

Космический аппарат

«Гранат» представлял собой трёхосностабилизированный космический аппарат, последний из серии аппаратов класса «Венера», произведённых в НПО им. Лавочкина. Аппарат был аналогичен орбитальной обсерватории «Астрон», работавшей в 1983—1989 годах. Вес космического аппарата 4,4 тонны, из них 2,3 тонны составлял вес научной аппаратуры. Длина космического аппарата 6,5 м, размах лопастей солнечных батарей 8,5 м. Энергопотребление научной аппаратуры составляло приблизительно 400 ватт.

Запуск и орбита

Ракета-носитель «Протон» с орбитальной обсерваторией «Гранат» на стартовом столе.

Орбитальная обсерватория была запущена 1 декабря 1989 года ракетой-носителем «Протон» с космодрома Байконур. Спутник был выведен на высокоапогейную (апогей 200 000 км, перигей 2000 км) орбиту с периодом обращения 98 часов и углом наклонения орбиты 51,5 градусов. При такой орбите возмущения, создаваемые Луной и Солнцем, со временем должны были существенно увеличить наклонение орбиты и уменьшить её эксцентриситет (к моменту входа в атмосферу орбита космического аппарата была практически круговой)

Три из четырёх дней каждой орбиты были посвящены научным наблюдениям, в течение четвёртого дня каждого витка аппарат находился в радиационных поясах Земли и научная аппаратура отключалась.

Изменения орбиты обсерватории «Гранат» (предсказания 1994 года)

Date	Перигей(км)	Апогей, (км)	Арг.перицентра (градус)	Накл.(градус)	Долг.восх.узла(градус)
1 декабря 1989	2.000	200.000	285	51,5	20,0
1 декабря 1991	23.893	179.376	311,9	82,6	320,3
1 декабря 1994	58.959	144.214	343,0	86,5	306,9
1 декабря 1996	42.088,8	160.888	9,6	93,4	302,2
1 декабря 1997	24.004,5	179.066	14,6	93,4	302,2
1 декабря 1998	6.302,5	196.854	17,0	65,6	292,9
июнь 1999	182,8	202.891	21,6	49	283,3

Предсказание даты схода с орбиты подтвердилось с большой точностью.

Научные инструменты обсерватории

SIGMA

Телескоп SIGMA

Телескоп жесткого рентгеновского диапазона SIGMA был произведен совместно Центром изучения космических излучений (CESR, Тулуза, Франция) и Центром ядерных исследований (CeA, Сакле, Франция). Телескоп SIGMA был первым прибором на орбитальных обсерваториях, способным строить изображения в жёстком рентгеновском диапазоне (40-1300 кэВ).

Для построения изображений использовался принцип кодирующей апертуры.

Эффективная площадь его детектора составляла около 800 см, эффективное поле зрения ~9°×9° (поле зрения на максимуме чувствительности ~5°×5°) . Угловое разрешение 15 угловых минут, энергетическое разрешение 8 % на энергии 511 кэВ^[2]

АРТ-П

Телескоп АРТ-П

Телескоп АРТ-П (Рентгеновский Телескоп — Позиционно-чувствительный) был создан в Отделе астрофизики высоких энергий Института космических исследований АН СССР (Москва). Рабочий диапазон энергий телескопа 4-60 кэВ. Телескоп состоял из 4 идентичных модулей («голов»), каждая из которых содержала позиционно чувствительный газовый счётчик и кодирующую маску.

Каждый модуль имел эффективную площадь около 600 см² и поле зрения 1,8°×1,8°. Угловое разрешение телескопа АРТ-П — 5 угловых минут, временное разрешение 3,9 мс, энергетическое разрешение 22 % на энергии 6 кэВ. Чувствительность телескопа за типичное время экспозиции 8 часов составляла примено 1 мКраб (0,001 доли от потока Крабовидной туманности — известного стандарта рентгеновской астрономии)^[3].

АРТ-С

Инструмент АРТ-С, также произведённый в ИКИ (Институте космических исследований), представлял собой коллимированный спектрометр с полем зрения 2°×2°. Инструмент состоял из 4 отдельных модулей с многопроволочными пропорциональными газовыми счётчиками общей площадью 2400 см² на 10 кэВ и 800 см² на 100 кэВ. Временное разрешение 200 мкс. В результате технических проблем прибор фактически не работал.^[3]

PHEBUS

Эксперимент PHEBUS был предоставлен Центром по изучению космических излучений (Сакле, Франция) для регистрации всплесковых событий на высоких энергиях (100 кэВ-100 МэВ). Он состоял из шести независимых сцинтилляционных детекторов — кристаллов германата висмута BGO диаметром 78 мм и толщиной 120 мм в окружении пластиковой антисовпадательной защиты. Кристалла были расположены в разных местах спутника таким образом, чтобы осматривать все небо (4π стерадиан). Всплесковый режим записи детекторов включался, если скорость счёта детектора превышала 8 стандартных отклонений на шкалах времен 0,25 или 1,0 с. События записывались в 116 энергетических каналах.

WATCH

Инструмент WATCH, созданный Датским институтом космических исследований, являлся монитором всего неба в диапазоне энергий 6-180 кэВ. Работа прибора была основана на принципе вращающейся модуляции. Одновременно прибор покрывал примерно 75 % всего неба. Энергетическое разрешение прибора 30 % на 60 кэВ. В периоды между всплесками запись скорости счёта детектора велась с разрешением 4, 8 и 16 с (в зависимости от доступной телеметрии). Во время всплесков скорость счёта детекторов записывалась с временны́м разрешением 1 с в 36 энергетических каналах.^[4]

КОНУС-Б

Инструмент КОНУС-Б был создан в Физико-техническом институте им. Иоффе (Санкт-Петербург) и состоял из семи сцинтилляционных детекторов, расположенных в разных местах космического аппарата. Рабочий диапазон энергий прибора 10 кэВ-8 МэВ. Каждый детектор прибора состоял из кристалла NaI(Tl) диаметром 200 мм и толщиной 50 мм, закрытого бериллиевым входным окном. Боковые грани кристаллов были закрыты 5 мм слоем свинца. Порог детектирования всплесков от 5·10⁻⁷ до 5·10⁻⁸ эрг/см²/с, в зависимости от времени нарастания потока всплеска. Спектры всплесков записывались двумя анализаторами пульсов в 31 энергетическом канале, первые 8 каналов записывались с временны́м разрешением 1/16 с, а для остальных каналов временное разрешение определялось доступной телеметрией.

Инструмент КОНУС-Б работал с 11 декабря 1989 до 20 февраля 1990. За этот период инструмент зарегистрировал около 60 солнечных вспышек и 19 гамма-всплесков^[5]

Подсолнух

Российско-Болгарский прибор «Подсолнух» (TOURNESOL) состоял из четырёх пропорциональных счётчиков и двух оптических детекторов. Пропорциональные счётчики регистрировали фотоны в диапазоне энергий 2 кэВ-20 МэВ в поле зрения 6°×6°. Оптические детекторы имели поле зрения 5°×5°. Основной задачей инструмента был поиск послесвечений гамма-всплесков, а также спектральный анализ самих всплесков. Поворотная платформа прибора позволяла за достаточно короткое время перенаводить его основные инструменты в направлении на гамма-всплеск, обнаруженный, например, прибором КОНУС-Б. Прибор фактически являлся предшественником современной обсерватории SWIFT^[6], основные инструменты которой перенаводятся на гамма-всплески, обнаруженные широкоугольным телескопом — монитором гамма-всплесков.

В результате технических проблем прибор «Подсолнух» практически не работал в штатном режиме.

Научные результаты

Широкополосные спектры излучения аккрецирующей нейтронной звезды (GX5-1) и чёрной дыры (GRS 1758—258). Эти источники находятся на достаточно малом расстоянии друг о друга, так что их излучение впервые удалось разрешить только при помощи наблюдений обсерватории «Гранат». Из работы^[7]

За первые четыре года направленных наблюдений «Гранат» провёл наблюдения большого количества галактических и внегалактических источников, акцентируя особое внимание на получение глубоких (высокочувствительных) изображений области Центра Галактики и получение высококачественных широкополосных спектров различных рентгеновских новых. После 1994 года обсерватория была переведена в режим сканирования. После этого, в период 1997—1998 гг. обсерватория провела последнюю серию наблюдений области Центра Галактики (в этой серии наблюдений был, например, открыт кандидат в чёрные дыры GRS 1737-31).

Изображение области Центра Галактики в диапазоне 12-17 кэВ, полученное телескопом АРТ-П обсерватории ГРАНАТ. Белые контуры показывают распределение молекулярного газа. Показано, что рентгеновское излучение от молекулярного облака Sgr B2 рождается в результате переизлучения прошлой активности сверхмассивной чёрной дыры в центре Галактики. Из работы^[8]

Среди наиболее значимых результатов обсерватории необходимо отметить:

• Глубокие изображения области Центра Галактики в жёстком (40-150 кэВ)^[9] и мягком (4-20 кэВ)^[10] рентгеновских диапазонах, при помощи которых был открыт большой ряд неизвестных ранее чёрных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике
• Открытие ряда кандидатов в чёрные дыры и нейтронных звезд. Среди них — один из наиболее загадочных источников на рентгеновском небе — первый обнаруженный микроквазар GRS 1915+105^[11]
• Открытие квазипериодических осцилляций рентгеновской яркости ряда аккрецирующих чёрных дыр в нашей Галактике, например, Лебедя X-1^[12] и GX 339-4^[13]
• Открытие эмиссионных линий аннигиляции электронов и позитронов в спектрах излучения источников 1E1740-294 и GRS 1124—683^[14]

^[15]

• Получение высококачественных широкополосных спектров ряда кандидатов в чёрные дыры и нейтронных звезд.
• Открытие протяжённого жёсткого (8-22 кэВ) диффузного излучения вокруг Центра Галактики — эхо прошлой активности центральной сверхмассивной чёрной дыры Стрелец А*^[16].

В целом по результатам наблюдений обсерватории «Гранат» опубликовано более 400 статей в различных советских (российских) и зарубежных научных журналах. В научной литературе существует около 5000 работ со ссылками на результаты наблюдений обсерватории «Гранат».

Влияние распада Советского Союза

После распада Советского Союза работы с обсерваторией «Гранат» столкнулись с двумя основными трудностями. Основная станция управления обсерваторией, находившаяся в Евпатории (Крым), после распада Советского Союза перешла под юрисдикцию Украины, правительство которой значительно урезало финансирование работ станции.

Другой, не менее важной, проблемой стало общее недофинансирование работ по обсерватории, в результате которого даже при наличии рабочего тела для двигателей ориентации космического аппарата проводить направленные наблюдения не представлялось возможным. В течение последних лет работы обсерватории на орбите французская сторона некоторое время напрямую финансировала работы по управлению обсерваторией.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3 4} The Aerospace Corporation, Center for Orbital and Reentry Debris Studies [1]
2. ↑ ^{1 2} Sigma — The hard X-ray and soft gamma-ray telescope on board the GRANAT space observatory [2]
3. ↑ ^{1 2 3} X-ray telescopes ART-P and ART-S for the GRANAT project [3].
4. ↑ First results from Watch on GRANAT
5. ↑ Gamma-ray burst observations with Konus-B on Granat spacecraft
6. ↑ Official NASA Swift Homepage
7. ↑ Review of GRANAT/SIGMA observations of the Galactic center region
8. ↑ http://adsabs.harvard.edu/abs/1993ApJ...407..606S The center of the Galaxy in the recent past — A view from GRANAT]
9. ↑ M.G. Revnivtsev, R.A. Sunyaev, M.R. Gilfanov, E.M. Churazov, A. Goldwurm, J. Paul, P. Mandrou and J. P. Roques «A hard X-ray sky survey with the SIGMA telescope of the GRANAT observatory», (2004) Astronomy Letters, vol. 30, p.527-533
10. ↑ X-ray map of the Galactic center region obtained with the ART-P telescope on board the GRANAT observatory [4]
11. ↑ Discovery and observations by watch of the X-ray transient GRS 1915+105 [5]
12. ↑ Discovery of a low-frequency broad quasi-periodic oscillation peak in the power density spectrum of Cygnus X-1 with Granat/SIGMA [6]
13. ↑ Detection of Quasiperiodic Oscillations of X-Rays from the Black-Hole Candidate GX:339-4 [7]
14. ↑ Three spectral states of 1E 1740.7 — 2942 — From standard Cygnus X-1 type spectrum to the evidence of electron-positron annihilation feature [8]
15. ↑ Sigma discovery of variable e(+)-e(-) annihilation radiation from the near Galactic center variable compact source 1E 1740.7 — 2942 [9]
16. ↑ The center of the Galaxy in the recent past — A view from GRANAT

См. также

• RXTE
• ИНТЕГРАЛ
• Мир/Квант
• Список космических аппаратов с рентгеновскими и гамма-детекторами на борту

Ссылки

• Официальный сайт обсерватории ГРАНАТ в Институте космических исследований
• Архив данных изображений телескопа СИГМА (на базе службы виртуальной обсерватории Skyview)
• Архив гамма всплесков, зарегистрированных прибором Фебус
• Архив гамма всплесков, зарегистрированных прибором Вотч