Супутники HERMES-PF відкриють нову еру мультимесенджерної астрономії

Мультимесенджерна астрономія переживає справжній бум у сучасній науці. Цей підхід передбачає одночасне збирання даних про гравітаційні та електромагнітні сигнали від катастрофічних космічних подій. Однак зростаючий інтерес до цієї галузі вимагає серйозного оновлення наукової інфраструктури. Детектори гравітаційних хвиль уже пройшли модернізацію і незабаром стануть ще більш чутливими. Але для повної реалізації потенціалу мультимесенджерної астрономії вченим потрібен цілий флот космічних апаратів, які спостерігатимуть за всім небом у пошуках високоенергетичних сигналів, що вказують на події, які породжують гравітаційні хвилі.

Саме таку довгострокову мету переслідує команда місії High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites Pathfinder, відомої як HERMES-PF. Ця місія успішно стартувала у березні поточного року і зараз проходить етап введення в експлуатацію. Мотивація проєкту HERMES-PF досить проста: збирання електромагнітних даних та інформації про гравітаційні хвилі від однієї і тієї ж події відкриває абсолютно новий світ розуміння сил, що лежать в основі таких явищ, які раніше ніколи не було можливо досліджувати з такою детальністю.

Завдяки таким даним науковці зможуть кардинально розширити знання про події на кшталт злиття чорних дір, злиття нейтронних зір з чорними дірами та інші катаклізмічні явища, які ніколи раніше не спостерігалися з такою точністю. Однак для цього потрібно мати точне уявлення про те, звідки надходить сигнал. Детектори гравітаційних хвиль є відносно незалежними від напрямку, тоді як електромагнітні детектори дуже залежать від кута, під яким вони спрямовані.

Якщо електромагнітний детектор випадково спрямований у протилежний бік від джерела сигналу, він може повністю пропустити подію. Навіть просте наведення в загальному напрямку, а не точно на джерело сигналу, може призвести до отримання неідеальних даних. Обмеження області пошуку високоенергетичного джерела є складним завданням. Спроби вирішити цю проблему стикалися з труднощами, пов'язаними з відносним часом між детекторами та браком чутливих інструментів.

HERMES-PF має намір виправити цю ситуацію шляхом створення системи, яка зможе точно визначати місцезнаходження джерела з точністю до одного градуса на небі та забезпечувати прецизійний моніторинг часу для правильного зв'язування даних з іншими детекторами. Для досягнення цієї мети HERMES-PF використовуватиме шість різних кубсатів формату 3U, переважно з комерційними готовими компонентами, які не потребують радіаційного захисту, що значно знижує їхню вартість.

Кожен кубсат 3U включатиме 60 сцинтиляційних кристалів GAGG: Ce та 12 кремнієвих дрейфових детекторів, що дозволить системі захоплювати широкий діапазон можливих енергетичних спектрів та забезпечувати високороздільні часові дані. Сенсорна система HERMES-PF уже працює на іншій місії кубсатів з 2023 року. Ця місія, відома як Space Industry Responsive Intelligent Thermal nanosatellite або SpIRIT, уже почала збирати дані.

Однак деякі проблеми з її системою охолодження та каналом передачі даних S-діапазону обмежили час, який вона провела в режимі спостереження. Шість кубсатів у власне системі HERMES-PF сподіваються уникнути такої долі. На відміну від одиночної детекторної установки SpIRIT, власне система HERMES-PF використовує техніку тріангуляції для визначення місця походження джерела сигналу.

В ідеалі, за наявності достатньої кількості супутників у космосі, такі типи детекторів повинні забезпечувати моніторинг «всього неба», гарантуючи, що незалежно від того, де відбувається подія, її електромагнітні дані будуть зафіксовані. Це буде критично важливо, коли нові детектори гравітаційних хвиль, такі як телескоп Ейнштейна, почнуть працювати. Очікується, що вони зможуть реєструвати до 100 нових подій гравітаційних хвиль щорічно, що на порядок більше, ніж можуть сучасні детектори.

За належної підтримки від констеляції на кшталт HERMES-PF, яка спостерігатиме за небом у пошуках електромагнітних еквівалентів гравітаційних хвиль, мультимесенджерна астрономія може вийти на новий рівень складності та точності. Кожен кубсат місії оснащений передовими детекторами, які здатні реєструвати гамма-промені та рентгенівське випромінювання в широкому діапазоні енергій.

Ці дані будуть корелюватися з інформацією від наземних детекторів гравітаційних хвиль, таких як LIGO та Virgo, створюючи повну картину космічних катастроф. Технічні характеристики кубсатів HERMES-PF дозволяють їм працювати в автономному режимі, швидко реагуючи на виявлені сигнали та передаючи дані на Землю в режимі реального часу.

Система тріангуляції, яку використовує HERMES-PF, базується на точному вимірюванні часу прибуття сигналів до різних супутників. Коли високоенергетична подія відбувається в космосі, вона випромінює сигнали в усіх напрямках. Ці сигнали досягають різних супутників у констеляції з невеликими часовими затримками, які залежать від відстані між супутником та джерелом події.

Аналізуючи ці часові різниці з точністю до мікросекунд, вчені можуть визначити точне місцезнаходження джерела на небі. Чим більше супутників бере участь у вимірюванні, тим вища точність локалізації. Місія HERMES-PF також демонструє можливості використання недорогих комерційних компонентів для складних наукових завдань.

Традиційно космічні місії вимагали спеціально розроблених, радіаційно стійких компонентів, що робило їх надзвичайно дорогими. Підхід HERMES-PF показує, що за допомогою розумного проектування та використання надлишковості можна досягти наукових цілей з набагато меншими витратами. Це відкриває можливості для більш частих запусків наукових місій та швидшого розвитку космічної науки.

Успіх місії HERMES-PF може стати каталізатором для розгортання більших констеляцій детекторів, які забезпечать безперервний моніторинг космічних подій. У майбутньому планується створення мережі з десятків або навіть сотень таких супутників, що дозволить досягти безпрецедентної точності в локалізації джерел високоенергетичних сигналів та відкрити нові горизонти в розумінні найбільш екстремальних явищ у Всесвіті.