Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: МВН М-2
Направление НПИ: 2. Исследование Земли и космоса
Секция КНТС: 5. Внеатмосферная астрономия
Наименование эксперимента: Монитор всего неба М–2
Цель эксперимента:

Целью эксперимента МВН М-2 является изучение физических явлений во Вселенной и измерение параметров вещества, находящегося в экстремальных состояниях, которые невозможно воссоздать в земных лабораториях.


Описание эксперимента:

 В рамках подготовки КЭ создается инструмент для решения фундаментальных астрофизических задач. Разработка КНА МВН М-2 предваряет разработку крупных астрофизических проектов нового поколения. В процессе подготовки и проведения эксперимента будут также решаться прикладные и технологические задачи.

МВН М-2 позволит изучать физические явления во Вселенной и измерять параметры вещества, находящегося в экстремальных состояниях, которые невозможно воссоздать в земных лабораториях. Эти задачи являются фундаментальными физическими задачами в областях ядерной физики, теории гравитации и физики плазмы. В частности, в рамках КЭ будут исследованы:

-        искривление пространства-времени вблизи компактных объектов, предсказываемое ОТО Эйнштейна;

-        состояние материи при плотностях во много раз превышающих ядерные плотности;

-        поведение плазмы при температурах в десятки и сотни миллионов градусов и ее взаимодействие с магнитными полями в 108 – 1014 Гаусс;

-        изучение механизмов формирования рентгеновского излучения вблизи компактных объектов.

Экстремальные условия, которые позволяют исследовать физические процессы, в которых проявляются эффекты ОТО и КТП, реализуются в непосредственной близости от компактных релятивистских объектов – черных дыр и нейтронных звезд. Наилучшим диапазоном энергий, дающим возможность изучать поведение материи вблизи них, является рентгеновский диапазон электромагнитного спектра. Рентгеновские кванты, рождающиеся вблизи черных дыр и нейтронных звезд, уносят с собой информацию о свойствах материи и пространства-времени, находящихся в экстремальных условиях. Основной акцент в КЭ МВН М-2 будет сделан на временной составляющей – мощном средстве диагностики, играющим ключевую роль в изучении релятивистских компактных объектов. Анализ быстрой переменности рентгеновского излучения нейтронных звезд и черных дыр в тесных двойных системах, совмещенный с хорошим энергетическим разрешением прибора, даст возможность провести изучение природных явлений, которые, как было отмечено выше, невозможно воссоздать в земных лабораториях.

Основной прикладной задачей КЭ является отработка принципов построения системы автономной навигации космических аппаратов (КА), основанной на использовании сигналов рентгеновских пульсаров – быстровращающихся нейтронных звезд. Рентгеновские пульсары можно рассматривать как природные «трансляторы», аналогичные системам GPS/ГЛОНАСС, генерирующие квазистабильные импульсы и в силу своей удаленности, обеспечивающие стационарную пространственную привязку, позволяющую автономно определить местоположение и вектор скорости КА. При использовании такой системы навигации точность определения навигационных параметров КА не будет зависеть от расстояния до Земли и наличия работающих навигационных спутников и будет одинаковой в любой точке Солнечной системы. Оценки показывают, что даже на одном КА можно получить полное навигационное решение – определить вектор скорости, радиус вектор, ориентацию осей КА и иметь привязку шкалы времени без какой либо связи с Землей, т.е. создать «идеальный» вариант навигационной системы. К достоинствам такой системы можно отнести ее высокую надежность - рентгеновские пульсары невозможно «выключить» командой с Земли. Излучение, испущенное в этом диапазоне, отличается высокой проникающей способностью, его трудно (невозможно) блокировать, а рентгеновские детекторы невозможно ослепить воздействием в оптическом диапазоне (лазером). Т.е. автономная рентгеновская навигация КА может также рассматриваться как резервная при перерывах связи со спутниками GPS/ГЛОНАСС.

Высокое временное разрешение, малая масса и малое энергопотребление являются основными параметрами для рентгеновского детектора, применяемого для целей рентгеновской навигации. Предельное пространственное разрешение будет определяться временным разрешением детектора. Например, для временного разрешения детектора 1 мкс пространственное разрешение составит L = 10-6 с ? 3?1010 см = 300 м. Возможность установки такой навигационной аппаратуры в качестве вспомогательной системы на КА будет определяться массово-габаритными характеристиками и энергопотреблением аппаратуры.

Помимо массы и размера, одним из основных параметров является энергетический диапазон детектора, так как именно он определяет поток рентгеновских фотонов, который может быть зарегистрирован от источника, соотношение пульсирующей и постоянной компоненты в рентгеновском импульсе, а также форму и число пиков рентгеновского импульса. Диапазон от единиц кэВ до десятков кэВ обеспечивает максимальный поток рентгеновских фотонов (типично число фотонов падает с увеличением энергии). Еще один важный параметр – эффективная площадь детектора. Детектор должен обладать большой геометрической площадью (~1 м2) и высокой эффективностью регистрации (~100%) рентгеновских фотонов с энергиями в десятки кэВ. Такой детектор должен быть оборудован коллиматором с малым полем зрения (около 1°), чтобы уменьшить влияние диффузного рентгеновского фона.

КНА МВН М-2 обладает всеми перечисленными выше характеристиками. В рамках решения прикладной задачи КЭ планируется:

-        сформировать критерии отбора объектов для целей рентгеновской навигации и провести измерение их временных характеристик;

-        разработать алгоритмы и программы восстановления координат КА по измеренным сигналам рентгеновского излучения, провести такие измерения в режиме реального времени и сравнить полученные результаты с данными штатных навигационных приборов МКС;

-        сформировать технические требования для будущих инструментов навигационной системы.


Новизна эксперимента: До настоящего времени самая большая эффективная площадь инструмента рентгеновской обсерватории была реализована в приборе PCA обсерватории RXTE (NASA, годы работы 1996-2012 гг.). Его эффективная площадь составляла около 6400 кв.см. Для прорыва в области фундаментальных исследований свойств вещества при сверхядерных плотностях (нейтронных звезд/кварковых звезд), свойств пространства- времени у черных дыр, необходимо увеличить эффективную собирающую площадь будущих приборов, как минимум, в 7-10 раз. Несколько лет тому назад ИКИ РАН вынес на обсуждение на секцию внеатмосферной астрономии Совета РАН по космосу проект "Рентгеновский Микрофон” (название обсерватории показывает, что тайминг-наблюдения фактически ”подслушивают” переменность рентгеновского потока от нейтронных звезд и черных дыр, формирующуюся в областях сильных гравитационных полей, частотный диапазон которых совпадает с диапазоном привычных человеческому уху звуковых волн, т.е. от нескольких десятков до тысяч Гц) и получил поддержку, в результате чего, с 2010 года началась научно-исследовательская работа. В рамках этой НИР были определены научные задачи будущей обсерватории и ее основные характеристики. При постановке вопроса о готовности к переходу от этапа НИР на этап ОКР было поддержано предложение ИКИ РАН осуществить демонстрационный проект (предварительное название МВН-М2 – квадратный метр) на российском сегменте Международной Космической Станции, что позволило бы отработать ключевые технологии для дальнейшей реализации полномасштабной рентгеновской обсерватории и при этом решить ряд фундаментальных задач. В настоящее время проекты рентгеновской обсерватории со спектрометром большой собирающей площади выдвигются в Соединенных Штатах Америки (Massachusetts Institute of Technolog/MIT, Naval Research Laboratory/NRL – проект AXTAR [14]), в рамках Европейского космического агентства – проект LOFT [15]. Однако эти проекты выдвинуты на основе ряда новых технологий, находящихся в настоящее время в зачаточном состоянии и не прошедших апробацию в условиях реального космоса. Изготовление сразу огромного (10-15 кв.м) прибора для новой космической обсерватории представляется в высшей степени рискованым до тех пор, пока технологии не будут достаточным образом отработаны. В проекте МВН М-2 предлагается разработать тайминг-обсерваторию нового поколения, на которой можно было бы отработать всю технологическую цепочку изготовления легкого (с удельной эффективной массой не более 50 кг/кв.м) рентгеновского спектрометра с хорошим энергетическим разрешением, работающего без дополнительного активного охлаждения. Реализация промежуточного демонстрационного проекта послужит продолжением астрофизических экспериментов на российском сегменте МКС. В настоящее время в ИКИ РАН готовится к запуску в 2013 году на МКС астрофизический проект МВН – рентгеновский Монитор Всего Неба. МВН нацелен на высокоточное измерение космического рентгеновского фона, представляюшего собой излучение большого количества активных черных дыр в ядрах галактик, а также на получение высокоточных значений рентгеновских потоков небольшого набора реперных источников неба, которые используются для калибровки орбитальных рентгеновских инструментов всего мира. Основой прибора МВН являются небольшие полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения на основе CdTe. Запланированное время работы прибора МВН на борту МКС – 3 года [16]. В проекте МВН М-2 предлагается после завершения программы наблюдений прибором МВН продолжить астрофизические исследования на российском сегменте МКС, заменив его на инструмент нового поколения, который послужит развитию технологий космического приборостроения, а также решению ряда важнейших прикладных и фундаментальных физических задач.
Научная аппаратура:

Научная аппаратура «МВН М-2» включает в себя:

·     рентгеновский монитор - РМ МВН М-2;

·     блок управления - БУ МВН М-2.

 

Ожидаемые результаты:

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: Подготовка: 2013-2016, реализация: 2017-2019
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)
Организации участники: -
Научный руководитель: Павлинский М. Н., ИКИ РАН, зам. директора, д.ф.-м.н.
Публикации по эксперименту:
Sunyaev R., Revnivtsev M., 2000, A&A, 358, 617, "Fourier power spectra at high frequencies: a way to distinguish a neutron star from a black hole" 
  Revnivtsev M., 2008, AIPC, 1054, 143, "Short term aperiodic variability of X-ray binaries: its origin and implications" 
  Gilfanov M., Revnivtsev M., Molkov S., 2003, A&A, 410, 217, "Boundary layer, accretion disk and X-ray variability in the luminous LMXBs" 
  Semena A.N., Revnivtsev M.G., 2012, Astronomy Letters, 38, 321, "Estimation of plasma parameters in an accretion column near the surface of accreting white dwarfs from their flux variability" 
  Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., 1999,  A&A, 347, L23, "The frequency resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the Fe K? line" 
  Churazov E., Gilfanov M., Revnivtsev M., 2001, MNRAS, 321, 759, "Soft state of Cygnus X-1: stable disc and unstable corona" 
  Gilfanov M., Churazov E., Revnivtsev M., 1999, A&A, 352, 182, "Reflection and noise in Cygnus X-1" 
  Gilfanov M., Churazov E., Revnivtsev M., 2000, MNRAS, 316, 923, "Frequency-resolved spectroscopy of Cyg X-1: fast variability of the reflected emission in the soft state" 
  Revnivtsev M., Gilfanov M., Churazov E., 2000, A&A, 363, 1013, "High frequencies in the power spectrum of Cyg X-1 in the hard and soft spectral states" 
  Lutovinov A.A., Grebenev S.A., Syunyaev R.A., Pavlinskii M.N., 1994, Astronomy Letters, 20, 538, "Timing of x-ray pulsars from data obtained with the ART-P telescope of the GRANAT space observatory in 1990-1992" 
  Lutovinov A.A., Tsygankov S.S., 2009, Astronomy Letters, 35, 433, "Timing characteristics of the hard X-ray emission from bright X-ray pulsars based on INTEGRAL data" 
  Revnivtsev M., Churazov E., Gilfanov M., Sunyaev R., 2001, A&A, 372, 138, "New class of low frequency QPOs: Signature of nuclear burning or accretion disk instabilities?" 
  Revnivtsev M., Churazov E., Postnov K., Tsygankov S., 2009, A&A, 507, 1211, "Quenching of the strong aperiodic accretion disk variability at the magnetospheric boundary" 
  Арефьев В.А., Павлинский М.Н., Федотов С.Н., Лутовинов А.А., Семена Н.П., Левин В.В. «Рентгеновские пульсары – маяки автономной системы навигации космических аппаратов», Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов», стр.210-218, 2009
Последнее обновление: 15.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения