Спектр-уф

Проведення спостережень в ультрафіолетовому діапазоні спектра астрономи НДІ «КрАО» успішно здійснюють більше 50 років. За цей період вчені підтвердили високу значимість досліджень в ультрафіолетовому діапазоні, що надають унікальні можливості для вивчення міжгалактичного середовища, для розвитку сучасної астрофізики. Спираючись на репрезентативні джерела, можемо стверджувати, що науковці НДІ «КрАО» довели необхідність діагностування спостережуваної речовини у Всесвіті методами ультрафіолетової спектроскопії.

Наприкінці ХХ ст. виникла потреба у створенні космічної обсерваторії, яка дозволяла проводити науково-дослідну роботу в недоступній для спостережень із земної поверхні ультрафіолетовій ділянці спектра. Дане питання вимагало рішення, оскільки програма наукових спостережень космічного телескопа ім. Хаббла (HST) була надзвичайно перевантажена заявками астрономів США, а для представників інших країн вихід на телескоп значною мірою утруднений. До того ж термін активного існування HST на орбіті визначений до 2015–2017 рр. [ 15, с. 65 ]. Астрономи зіткнулися з проблемою доступу до ультрафіолетового діапазону, так як найбільші космічні агентства не припускали проведення досліджень в даній ділянці спектра після завершення роботи на орбіті HST. Саме з перерахованих вище причин проект «Спектр-УФ» (міжнародна назва «Всесвітня космічна обсерваторія – Ультрафіолет») отримав підтримку з боку міжнародного співтовариства і послужив основою для розвитку міжнародної кооперації.

Проект «Спектр-УФ», який стартував у 1988 р, спрямований на створення універсальної довгострокової орбітальної астрофізичної обсерваторії на базі космічного апарата-модуля «Спектр», розробленого в науково-виробничому об'єднанні ім. С.О. Лавочкіна (НВО ім. С.О. Лавочкіна), для роботи в недоступній для спостережень із земної поверхні ультрафіолетовій ділянці спектра. Космічний модуль «Спектр» дозволив за допомогою ракети-носія вивести на орбіту до 300 тис. км телескоп діаметром 1,7 м із загальною вагою наукового обладнання до 2, 5 тонн [ 13, с. 103 ]. Даний проект універсальний і в високотехнологічне XXI ст. Апарат припускали максимально точно орієнтувати і стабілізувати, що відігравало значну роль у проведенні астрофізичних досліджень. Виведення телескопа на високоапогейну орбіту з періодом в 7 діб виключило шкідливий вплив радіаційних поясів Землі на роботу електронних систем і забезпечить тривалий термін проведення експерименту. Здійснення експерименту на значній відстані від Землі дасть можливість проводити спостереження з багатогодинними експозиціями, недоступними для найбільшого космічного телескопа HST. Серед розроблюваних світовими вченими на найближчі десять років космічних приладів для ультрафіолетової області довжин хвиль «Спектр-УФ» стоїть поза конкуренцією як за кількістю зібраного випромінювання телескопом, так і за широтою завдань, які будуть доступні для вирішення за допомогою цієї обсерваторії.

Науковцями НДІ «КрАО» у відділах фізики Сонця, фізики зірок і галактик висувалися і обґрунтовувалися наукові завдання, у відділі експериментальної астрофізики проектувалися прилади, а безпосередньо в оптичній і механічній майстернях створювалася унікальна космічна апаратура. В рамках міжнародного проекту науково-дослідна установа вирішує наступні завдання:

– розрахунок, участь у виготовленні, атестації і збірці оптики телескопа Т-170м;

– розробка камери поля, наукове та технологічне обґрунтування експерименту;

– експертна оцінка незалежних пропозицій з цих питань інших учасників експерименту;

– участь у збірці і випробуваннях наукового обладнання, наземних випробуваннях всього комплексу;

– участь у складанні і проведенні технологічних випробувань апарата на орбіті і в складанні наукової програми експерименту [ 13, с. 103 ].

Основний прилад – телескоп Т-170м діаметром 1,7 м – призначається для дослідження астрономічних об'єктів в ультрафіолетовому діапазоні спектра з довжиною хвилі 912–3500 Å з борту космічного апарату «Спектр-УФ». До оптичної техніки додається супутній комплекс наукової апаратури, що включає спектрограф високого, середнього та низького розділення, спектрограф з високою щілиною, спектрополяриметр і камеру поля. Спочатку планувалося створення і використання телескопа Т-170. Однак після виключення з попередньої версії проекту «Спектр-УФ» лаймановських спектрометрів і їх заміни на роуландовські спектрографи, що включають два додаткові канали з підвищеним спектральним розділенням, схема телескопа Т-170 була переглянута і замінена схемою приладу Т-170м.

Телескоп Т-170м створюється як універсальний прилад для реєстрації ультрафіолетового випромінювання різних небесних тіл. В основу його механічної конструкції закладені технічні рішення, апробовані в експерименті «Астрон». Як оптичну схему Т-170м вчені НДІ «КрАО» вибрали класичну дводзеркальну схему Річі-Кретьєна з діаметром головного дзеркала 1, 7 м і відстанню між вершинами головного і вторинного дзеркал 3, 5 м [ 16, с. 51 ]. При фокусній відстані оптичної системи 17 м масштаб зображення в його фокальній площині становить 82 кутових секунди на 1 міліметр [ 17, с. 19 ]. При виготовленні дзеркал доведення оптичних поверхонь проводилося реалізованим в НДІ «КрАО» методом іонної обробки у вакуумі. Застосування такої технології дозволило отримати високу точність форми оптичної поверхні із середнім квадратичним відхиленням від розрахункової поверхні не більше 100 А, що на порядок менше найкоротшої робочої довжини хвилі в експерименті. Головне увігнуте гіперболічне дзеркало має товщину 10 см і форму рівнотовшинного меніска. Такі характеристики дозволяють здійснювати корекцію форми дзеркала на орбіті, для чого в НДІ «КрАО» проводилася розробка спеціального технологічного оснащення телескопа і математичного забезпечення цього процесу. Центральна частина дзеркала має отвір близько 660 мм. Оптична система ретельно продумана вченими НДІ «КрАО». Обидва дзеркала Т-170м забезпечені блендами, які разом зі спеціальною косозрізаною блендою, яка встановлювалась в робочому положенні перед тубусом після виведення апарата на орбіту, значно послаблюють розсіяне сонячне, місячне і земне світло. Робочі поверхні оптики телескопа покриті алюмінієм і фтористим магнієм, що забезпечує ефективну роботу оптичної схеми аж до 900 Å.

Для коректної роботи всієї системи апаратури використовується система наведення і стабілізації. Стабілізація всього космічного апарату здійснюється з точністю до 2 хв. В рамках експерименту «Спектр-УФ» застосована на практиці автономна система гідірування, тобто точного позиціонування телескопу за опорними зірками. При зникненні зображення досліджуваного об'єкта з вхідної діафрагми реєструючої апаратури в невеликих межах – до 20 кутових секунд – ця система утримує його в заданому місці фокальної площини з точністю 0,2 кутових секунди за допомогою відповідного повороту вторинного дзеркала по двох осях навколо так званої нейтральної точки [16, с. 51]. Така система тонкого гідірування вперше в космічному експерименті була реалізована в експерименті «Астрон». Згідно з репрезентативними даними при роботі автономної системи гідірування в зазначеному діапазоні якість зображення практично не погіршується.

Оскільки телескоп Т-170м призначається для проведення орбітальних спостережень в ультрафіолетовому діапазоні спектра 912–3500 Å, то при його виведенні на орбіту і при подальшій його роботі зміни навколишніх умов неминучі, а саме величини прискорення і температури. Ці кореляції істотно впливають і на оптичну систему телескопа, викликаючи деформацію головного дзеркала. З цієї причини Р.Е. Гершберг, А.М. Звєрєвою, П.П. Петровим, В.І. Проник і Н.В. Стешенко розроблений блок контролю оптики і з його допомогою періодично проводилися відповідні вимірювання для усунення можливих порушень. Пристрій повинен відповідати вимогам компактності і надійності. Таким задовольняв блок контролю оптики у вигляді невеликої маски з отворами – діафрагми Гартмана, вміщеній у збіжному пучку світла поблизу фокусу телескопа. Детектор світла, розташований по іншу сторону від фокусу, реєстрував систему плям, по якій і відновлювалась інформація про викривлення хвильового фронту [ 18, с. 237 ]. Важливе достоїнство такого технічного рішення полягає у відсутності додаткової оптики. Науковими співробітниками НДІ «КрАО» виконані необхідні аналітичні розрахунки, з'ясовані характерні параметри блоку контролю оптики, проведено комп'ютерне моделювання системи, розроблено програмне забезпечення для швидкого аналізу даних. Використання блоку контролю оптики дозволить виміряти залишкові аберації, пов'язані з неповною юстировкою телескопа, і оцінити всі відхилення від норми.

За декілька останніх десятиліть вітчизняними вченими доведена універсальність проектованого ультрафіолетового телескопа Т-170м. Вона полягає у вирішенні за допомогою розробленої оптичної системи різноманітних астрофізичних завдань: вивчення точкових і протяжних об'єктів, отримання прямих зображень таких об'єктів та їх спектрів. Зафіксовані детальні спектри яскравих об'єктів дадуть можливість досліджувати хімічний склад і структуру зоряних атмосфер, тоді як спектри з низьким розділенням дозволять оцінити фізичні умови і характер руху в атмосферах більш слабких зірок і в далеких зоряних системах.

Для вирішення досить широкого кола завдань використовується цілий комплекс апаратури, яка аналізує і реєструє випромінювання, зібране оптичною системою Т-170м. Така апаратура складається з камери поля для отримання прямих зображень і двох комплексів спектральних приладів і розташована в інструментальному відсіку космічного апарату. Камера поля встановлена ​​на осі телескопа наземного комплексу експерименту «Спектр-УФ», де витягується найкраще зображення. У схемі, що розробляється в НДІ «КрАО» та Інституті астрономії РАН, передбачається два режими: в одному будується пряме зображення області неба діаметром близько 4 хв, що дається телескопом Т-170м з зазначеним вище масштабом, у другому – з 10-кратним збільшенням будується зображення окремих, найбільш цікавих об'єктів [ 16, с. 53 ]. Камера поля забезпечена набором світлофільтрів для реєстрації зображень в обраних спектральних смугах. Отримуючи прямі знімки на камері поля, дослідники отримають можливості вивчення космічних об'єктів з неперевершеним кутовим розділенням [ 17, с. 19 ].

У фокальній площині телескопа по обидві сторони від його осі на відстанях 5 см розташовані вхідні щілини спектральних приладів. Ультрафіолетовий спектр яскравих об'єктів можна реєструвати в одному з двох спектрографів високого розділення: один з них працює в діапазоні довжин хвиль від 1150 до 1800 Å, інший – від 1800 до 3500 Å [ 16, с. 53 ]. Розробка і розрахунки для спектрографів помірного та низького розділення для ультрафіолетового діапазону в рамках проекту «Спектр-УФ» проводилися в різні роки рядом вчених НДІ «КрАО»: В.Ю. Теребіж у 1992 р, Р.Е. Гершберг, Д.Н. Рачковський, А.В. Теребіж у 1996 р. [19, с. 130 ]. Також робота з цього питання велася в Інституті оптики і спектроскопії в м. Берлін. Після критичного розгляду запропонованих схем була обрана німецька модель, в якій враховано і пропозиції кримських розробників. Технічні та математичні обчислення співробітників обсерваторії носили розвідувальний характер. Дані репрезентативних джерел дозволяють стверджувати, що дослідники довели неприйнятність схеми Джонсона-Онако і перспективність використання дифракційних решіток з тороїдальним профілем поверхні в схемах Пашена-Рунге і Роуланда. Науково-дослідна робота на спектрографі високого розділення дасть можливість отримувати відомості про ультрафіолетові спектри яскравих зірок, в яких розташовуються основні спектральні лінії важких елементів. Вищевказані спостереження важливі для вивчення особливостей будови, хімічного складу і еволюції зоряної речовини у Всесвіті. Групи астрофізиків, які здійснюють діяльність на території Кримського півострова, а також у Києві, отримають першокласні дані для вивчення хімічного складу зірок різного віку, мас і світності. В результаті роботи на спектрографі низького розділення астрономи НДІ «КрАО» отримають сучасні дані про різні типи нестаціонарних зірок, їх фізику та еволюцію, про властивості речовини в активних ядрах галактик, де протікають маловивчені процеси потужного енерговиділення.

У комплексі апаратури для проведення досліджень в ультрафіолетовій області спектра використовується ультрафіолетовий спектрополяриметр низького розділення. Цей прилад призначений для установки в фокальній площині космічного телескопа Т-170м. Він дозволяє вимірювати лінійну і кругову поляризацію випромінювання космічних джерел з екстремальними фізичними умовами в діапазоні довжин хвиль від 115 до 365 нм [ 20, с. 35 ]. Механізми випромінювання, характерні для цього діапазону, вивчаються тільки за допомогою позаатмосферних приладів. Програма поляриметричних спостережень з космічного апарату включає дослідження таких об'єктів: галактики з активними ядрами, джерела гамма- та рентгенівського випромінювання, нові і найновіші зірки, магнітні білі карлики, взаємодіючі подвійні системи з сильними магнітними полями, зірки з навколозоряними пиловими оболонками. Спектрополяриметричні спостереження дадуть вченим НДІ «КрАО» відомості про нетеплові процеси в активних галактиках, в різного роду плазмових космічних тілах і про відбиваючі властивості тіл Сонячної системи: планет, астероїдів, комет. Проведення такого роду дослідної роботи дасть можливість вивчити просторову структуру ультрафіолетових джерел, фізичні процеси в зоряних атмосферах і міжзоряному середовищі галактик, оцінити напруженість і топологію магнітних полів, визначити геометричні та фізичні параметри пилових частинок у навколозоряних оболонках і міжзоряному середовищі. Використання розрахованого спектрополяриметра для 1,7-метрового телескопа в експерименті «Спектр-УФ» дозволить проводити моніторинг досліджуваних об'єктів з тривалістю на один-півтора порядки величини більшою, ніж на телескопі HST, що забезпечить значний прогрес у вивченні космічних тіл.

Астрофізична обсерваторія «Спектр-УФ» передбачає роботу з цілодобовим графіком як в режимі безпосереднього зв'язку з Землею, так і в автономному режимі. У НДІ «КрАО» створюється спеціалізований центр для отримання та обробки наукової інформації. Для оперативної передачі даних з Центру далекого космічного зв'язку (м. Євпаторія) в обсерваторію створюється спеціальна радіорелейна лінія. Забезпечувати зв'язок між всіма науковими приладами і службовими системами на борту космічного апарату, здійснювати попередню обробку інформації, записувати дані в пам'ять для їх тимчасового зберігання і подальшої передачі на Землю буде блок управління наукових даних. Станом на перше десятиліття XXI ст. співробітниками НДІ «КрАО» складена наукова програма досліджень за допомогою Т-170м: відібрано низку проблем фізики зоряних систем, міжзоряного середовища і тіл Сонячної системи, а в окремих випадках – конкретні об'єкти спостереження, які слід вивчити в першу чергу. Також виготовлений перший примірник 1,7 м ситалового дзеркала, яке відправлено до Москви для проведення вібровипробування дзеркала в оправі. Крім перерахованого вище проведені всі необхідні розрахунки, пов'язані з виготовленням оптики Т-170м: розрахунки оптики самого телескопа і всіх додаткових оптичних систем для технологічного та атестаційного контролю; розроблена методика обробки оптичних поверхонь іонними пучками і розпочато створення спеціальної вакуумної установки для виконання такої обробки оптики Т-170м.

В рамках підготовки міжнародного експерименту «Всесвітня космічна обсерваторія – Ультрафіолет» А.Є. Вольвачем проводиться робота по складанню каталогу зірок середніх і малих мас з різними проявами активності сонячного типу. Це один з типів космічних об'єктів, які планують вивчити астрономи НДІ «КрАО». Р.Є. Гершберг, М.М. Кацовою, М.Н. Ловкою, А.В. Теребіж і Н.І. Шаховською в 1999 р. складено каталог таких зірок у вигляді електронного додатка до журнальної публікації, що містила відомості про 462 об'єкта. У пошуковій системі SIMBAD цей каталог отримав позначення GKL99 [ 21, с. 61 ]. Станом на 2013 р. відомості про зірки з активністю сонячного типу істотно зросли. Тому виникла необхідність у створенні оновленого джерела астрономічних даних. Складений в результаті аналізу численних оригінальних і оглядових публікацій каталог зірок з проявами активності сонячного типу GTSh10 налічує 5535 об'єкта. Це число в 12 разів перевершує число об'єктів в GKL99.

Численні заплановані НДІ «КрАО» дослідження в ультрафіолетовій області спектра дозволять доповнити відомості про астрономічні об'єкти, уточнити їх фізичні та хімічні характеристики. За період багаторічної роботи науково-дослідної установи у галузі космічних досліджень, а саме в проекті «Спектр-УФ», сформований висококваліфікований науково-технічний колектив і організована технічна база для проведення подальших робіт у цьому напрямі. Саме теоретичні відомості та практичні навички, накопичені при розробці, виготовленні та експлуатації станції «Астрон», дозволили приступити вченим НДІ «КрАО» до більш великого експерименту – створення астрофізичної станції «Спектр-УФ» з орбітальним космічним телескопом Т-170м.