RXTE (kompendium)

[Scorus]

WPROWADZENIE
Satelita RXTE (Rossi X-Ray Timing Explorer, X-Ray Timing Explorer – XTE, Explorer 69) jest amerykańskim (NASA) satelitą astronomicznym przeznaczonym do wykonywania obserwacji w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Podstawowym zadaniem satelity jest wykonanie czasowych obserwacji zjawisk związanych z galaktycznymi i gwiazdowymi układami zawierającymi zwarte obiekty w szerokim paśmie widmowym. Satelita wykonuje obserwacje w zakresie energii 2 - 200 KeV w skalach czasowych od mikrosekund do lat. Do głównych celów naukowych misji zaliczają się: wykonanie badań zjawisk okresowych, przejściowych, oraz wybuchów rentgenowskich znanych źródeł; scharakteryzowanie cech układów podwójnych ze zwartymi obiektami, w tym masy składników, parametrów orbit i wymiany masy między składnikami; wykonanie badań wewnętrznej struktury gwiazd neutronowych i właściwości ich pól magnetycznych; scharakteryzowanie zachowania się materii tuż przed spadkiem do czarnej dziury; zaobserwowanie efektów ogólnej teorii względności widocznych tylko w pobliżu czarnych dziur; określenie właściwości supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk i ich wpływu na otoczenie; oraz określenie mechanizmów odpowiedzialnych za emisję rentgenowską wszystkich wymienionych obiektów.

[Scorus]

KONSTRUKCJA
Satelita RXTE ma kształt prostopadłościanu. Jego masa własna wynosi 3 200 kilogramów. Pojazd został zaprojektowany w sposób, który umożliwia elastyczne obserwacje dzięki bardzo szybkie zmiany jego orientacji.

U dołu satelity znajduje się pierścieniowy łącznik górnym stopniem rakiety nośnej. Energii elektrycznej dostarczają dwa prostokątne skrzydła paneli słonecznych ustawione symetrycznie po obu stronach modułu serwisowego. Każde skrzydło składa się z 3 protokątnych paneli fotowoltaicznych. Panele mają zdolność obracania się za Słońcem. Dostarczają one energii na poziomie 800 W. Energia elektryczna jest wykorzystywana na bieżąco, a także ładowała baterie chemiczne używane w czasie gdy pojazd znajduje się w cieniu Ziemi. Statek jest stabilizowany trójosiowo. Kontrolę orientacji przestrzennej zapewniają koła kreacyjne. Danych nawigacyjnych dostarczają bezwładnościowa jednostka odniesienia z przyspieszeniomierzami i żyroskopami, sensory Słońca i Ziemi, oraz dwa szperacze gwiazd oparte na CCD. Każdy z nich może śledzić 5 gwiazd jednocześnie. Satelita może obracać się szybko, w tempie 6 stopni na minutę. Umożliwia to wykonywanie obserwacji nowych lub krótkotrwałych źródeł rentgenowskich. Ograniczeniem obserwacji jest niemożność wskazania instrumentów bliżej niż 30 stopni od Słońca z powodu jego jasności rentgenowskiej. Kontrolę temperatury wewnętrznej zapewniały grzejniki, radiatory, oraz wielowarstwowa izolacji.

Statek posiada własny system komputerowy. Dane przed transmisją na Ziemię są zapisywane przez rejestrator jednoczęściowy (Soli-State Recorder - SSR). Ma on pojemność 1 gigabita. Pozwala on na zmienne tempo telemetrii. Informacje dostarczane przez detektory instrumentu PCA satelity przenoszone do procesora systemu danych eksperymentów (Experiment Data System - EDS). Jest on zdolny do przetrwania aż 500 000 zliczeń na sekundę, i mierzy czas nadejścia indywidualnych fotonów rentgenowskich z dokładnością do 1 mikrosekundy. Dane mogą być zbierane w kilku trybach jednocześnie, co ułatwia zbiór i analizę danych od różnych obiektów (dane z instrumentu HEXTE są obsługiwane przez odrębny system danych). W skład trybów EDS wchodzą: tryb przejrzysty (Transparent Mode); tryb wydarzeń (Event Mode); tryb binarny (Binned Mode); tryb chwytania rozbłysków (Burst Catcher Mode); tryb transformacji Fouriera (Fourier Transform Mode); tryb pulsarów (Pulsar Fold Mode); tryb autokorelacji (Autocorrelation Mode); oraz tryb histogramu różnic czasu wejścia sygnału (Arrival Time Differences Histogram Mode). Jednostka EDS została zbudowana w CSR na MIT. Dane z różnych trybów EDS i HEXTE są umieszczane w oddzielnych plikach, które potem są przetwarzane na Ziemi na spektrogramy i krzywe jasności.

Łączność z Ziemią zapewniają dwie anteny wysokiego zysku (Hihg Gain Antennas - HGAs) umieszczone na wysięgnikach. Można zmieniać i położenie. Dane są przesyłane prawie ciągle do Centrum Operacji Naukowych (Science Operations Center) w Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda (Goddard Space Flight Center - GSFC) poprzez satelity TDRSS.

Pojazd RXTE został opracowany przez GSFC. Jest on znacznie nowocześniejszy od standardowego satelity Explorer, który miał zostać pierwotnie użyty do tej misji (między innymi zamiast magnetofonu użyto rejestratora jednoczęściowego). Nazwa satelity pochodzi od nazwiska włoskiego fizyka Bruno Rossi.

WYPOSAŻENIE
W skład osprzętu naukowego satelity RXTE zaliczają się: monitor całego nieba (All-Sky Monitor - ASM); czasowy eksperyment promieniowania rentgenowskiego wysokich energii (High Energy X-ray Timing Experiment - HEXTE); oraz zestaw liczników proporcjonalnych (Proportional Counter Array - PCA).

[Scorus]

ASM
Monitor całego nieba zapewnienapokrycia całego nieba w zakresie rentgenowskim w czułości do kilku procent intensywności promieniowania Mgławicy Krab w ciągu jednego dnia. Pozwala to na wykrywanie rozbłysków, oraz na długoterminowe zapisy intensywności promieniowania źródeł astronomicznych.

Instrument składa się z trzech szerokokątnych kamer cieniowych (Shadow Cameras). Pracuje w zakresie energii 2 - 10 keV. Instrument obserwuje 80% nieba w czasie 90 minut, jest to jego rozdzielczość czasowa. Rozdzielczość przestrzenna wynosi 3 x 15 minut kontowych. Pole widzenia każdej kamery cieniowej ma rozmiary 6 x 90 stopni. Obszar zbierający ma powierzchnię 90 centymetrów kwadratowych. Detektorem jest ksenonowy licznik proporcjonalny (Xenon Proportional Counter). Wrażliwość instrumentu wynosi 30 mCrab. Rekonstrukcję obrazu nieba umożliwia analiza cienia rzucanego na detektor przez jednowymiarową maskę kodową. Dane z instrumentu są przetwarzane na pokładzie przez system EDS satelity, a następnie wysyłane do strumienia telemetrycznego.

Instrument ASM został zbudowany przez CSR na MIT.

[Scorus]

HEXTE
Eksperyment promieniowania rentgenowskiego wysokich energii jest zestawem scyntylatorów, którego podstawowym celem naukowym jest wykonanie badań czasowych oraz czasowych/spektralnych promieniowania rentgenowskiego ze źródeł galaktycznych i pozagalaktycznych.

Instrument składa się z dwóch jednostek, z których każda zawiera 4 liczniki scyntylacyjne. Każdy zestaw wykonuje pomiary wzdłuż wzajemnie prostopadłych kierunków w celu dostarczenia pomiarów tła w odległości 1.5 lub 3.0 stopnia od źródła co każde 16 - 128 sekund. Automatyczna kontrola zysku jest uzyskana za pomocą źródła promieniotwórczego w postaci 241Am umieszczonego w polu widzenia każdego detektora.

Urządzenie HEXTE pracuje w zakresie energii 15 - 250 keV. Rozdzielczość pomiarów energii wynosi 15% przy energii 60 keV. Czas próbkowania wynosi 8 mikrosekund. Pole widzenia ma wielkość 1 stopnia. Urządzenie posiada 8 detektorów w postaci liczników scyntylacyjnych NaI/CsI w 2 zestawach po 4 liczniki. Obszar zbierający ma powierzchnię 2 x 800 centymetrów kwadratowych. Wrażliwość wynosi 1 Crab. Tło znajduje się na poziomie 50 zliczeń na sekundę na zestaw liczników. Wydarzenia zaobserwowane przez HEXE są przetwarzane na pokładzie przez własny system danych instrumentu, a następnie przesyłane do strumienia telemetrycznego z szybkością 5 kbps.

Instrument HEXTE został zaprojektowany i zbudowany przez centrum Astrofizyki i Nauk Kosmicznych (Center for Astrophysics and Space Sciences - CASS) na Uniwersytecie Kalifornii (University of Kalifornia) w San Diego.

[Scorus]

PCA
Zasadniczym celem naukowym instrumentu jest wykonanie badań czasowych i spektralnych promieniowania rentgenowskiego ze źródeł galaktycznych i pozagalaktycznych.

Instrument składa się z pięciu liczników proporcjonalnych (Proportional Counters) o łącznej powierzchni około 6500 centymetrów kwadratowych. Urządzenie PCA pracuje w zakresie energii 2 - 60 keV. Rozdzielczość pomiarów energii jest lepsza od 18% przy energii 6 keV. Rozdzielczość czasowa pomiarów wynosi 1 mikrosekundę. Rozdzielczość przestrzenna jest określona przez kolimator. W skład warstw detektorów wchodzą: 1 warstwa propanu, 3 warstwy ksenonu z których każda podzielona jest na dwa, oraz 1 warstwa ksenonu. Wrażliwość instrumentu wynosi 0.1 mCrab. Tło znajduje się na poziomie 2 mCrab. Wydarzenia wykryte przed instrument PCA są na pokładzie przetwarzane przez system EDS.

Instrument PCA został zbudowany przez GSFC/EUD.

[Scorus]

PRZEBIEG MISJI
 Satelita RXTE wystartował dnia 30 grudnia 1995 roku. Miejscem startu był Przylądek Canaveral. Rakietą nośną była Delta 2 w konfiguracji 7920-10. Start został odnotowany o godzinie 13:48:00 UTC. Start przebiegał bez żądnych problemów.

Po starcie pojazd znalazł się na prawidłowej orbicie okołoziemskiej, zbliżonej do orbity kołowej. Przebiegała ona na wysokości 580 kilometrów ponad Ziemią. Nachylenie jej płaszczyzny w stosunku do równika wynosiło 23 stopnie. Po wykonaniu testów działania instrumentów naukowych i systemów satelity pojazd rozpoczął program bardzo udanych obserwacji astronomicznych.

Pomiary naukowe były prowadzone bez większych problemów przez 16 lat. Jednak z powodu degradacji detektorów dane naukowe stawały się coraz mniej przydatne. W 2010 r stwierdzono, że utrzymywanie misji ma niski priorytet. Z tego powodu zdecydowano o zakończeniu misji. Satelita dostarczył ostatnich danych naukowych 4 stycznia 2012 r. Następnie satelita został wyłączony. Przez następnie 2 dni wykonywano nasłuch aby upewnić się, że pojazd nie włączy się samoistnie. Nie odebrano żadnego sygnału. Satelita spłonie w atmosferze między 2014 a 2023 rokiem.