Спектрограф STIS

Спектрограф STIS (англ. Space Telescope Imaging Spectrograph) — это спектрограф и камера, установленные на борту космического телескопа «Хаббл» (NASA и ESA). Прибор предназначен для получения спектров и изображений астрономических объектов в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн (от 115 до 1000 нанометров). STIS был разработан и изготовлен консорциумом под руководством Лаборатории реактивного движения (JPL) и Университета Джонса Хопкинса (США). Он был установлен на телескоп в 1997 году в ходе второй сервисной миссии (STS-82) и остаётся одним из ключевых инструментов «Хаббла», несмотря на выход из строя блока питания в 2004 году и последующее восстановление в 2009 году.

История и разработка

Разработка STIS началась в 1980-х годах как замена устаревшим спектрографам первого поколения на «Хаббле» — «Спектрографу слабых объектов» (FOS) и «Спектрографу высокого разрешения» (GHRS). Основной задачей было создание прибора, способного одновременно получать спектры высокой дисперсии и изображения с высоким пространственным разрешением, что позволяло бы изучать структуру и динамику астрофизических объектов.

Созданием STIS руководил доктор Брюс Вудгейт (Годдардовский центр космических полётов, NASA). В консорциум разработчиков входили JPL, Университет Джонса Хопкинса, Баллардские технологии (Ball Aerospace), а также несколько европейских институтов. Стоимость разработки и изготовления составила около 100 миллионов долларов США.

Прибор был доставлен на орбиту 14 февраля 1997 года на шаттле «Дискавери» (миссия STS-82) и установлен астронавтами в ходе выхода в открытый космос. Ввод в эксплуатацию прошёл успешно, и STIS начал научные наблюдения в том же году.

Конструкция и принцип работы

STIS представляет собой сложный оптико-механический прибор, объединяющий функции спектрографа и камеры. Его конструкция включает:

• Входной оптический блок — система зеркал и линз, направляющая свет от телескопа в прибор.
• Коллиматор — формирует параллельный пучок света.
• Дифракционные решётки — несколько сменных решёток (всего 7), обеспечивающих различные спектральные разрешения и диапазоны. Решётки могут быть установлены в рабочее положение с помощью поворотного механизма.
• Детекторы — два основных приёмника: CCD-матрица (для видимого и ближнего инфракрасного диапазона) и MAMA-детекторы (Multi-Anode Microchannel Array) для ультрафиолетового диапазона. MAMA-детекторы имеют два канала: один для дальнего ультрафиолета (115–170 нм), другой для ближнего ультрафиолета (170–310 нм).
• Спектральные щели — набор из нескольких щелей разной ширины (от 0,05 до 2,0 угловых секунд), позволяющих регулировать спектральное разрешение и яркость сигнала.
• Коронографический режим — специальная маска, блокирующая свет от яркого центрального объекта (например, звезды), что позволяет наблюдать слабые структуры вокруг него, такие как протопланетные диски или экзопланеты.

Принцип работы: свет от телескопа попадает на входную щель, затем коллимируется, разлагается в спектр дифракционной решёткой и регистрируется детектором. В режиме камеры решётка заменяется на зеркало, и изображение объекта проецируется на детектор.

Характеристики

STIS обладает следующими ключевыми характеристиками:

• Спектральный диапазон: 115–1000 нм (ультрафиолет, видимый свет, ближний инфракрасный).
• Спектральное разрешение: от 500 до 100 000 (в зависимости от режима и щели). Режим высокого разрешения (Echelle) позволяет различать спектральные линии с точностью до 0,002 нм.
• Пространственное разрешение: около 0,05 угловой секунды (в режиме камеры), что соответствует дифракционному пределу «Хаббла».
• Поле зрения: от 0,2 × 0,2 угловых секунд (в режиме высокого разрешения) до 52 × 52 угловых секунд (в режиме камеры).
• Чувствительность: позволяет регистрировать объекты до 30-й звёздной величины в видимом диапазоне при длительных экспозициях.

Научные достижения

STIS внёс значительный вклад в несколько областей астрофизики. Среди наиболее важных результатов:

Изучение чёрных дыр

STIS сыграл ключевую роль в подтверждении существования сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. В 1998 году с помощью STIS были получены спектры ядра галактики M87, показавшие вращение газа вокруг центрального объекта с массой около 3 миллиардов солнечных масс. Это стало одним из первых прямых доказательств наличия чёрной дыры. Впоследствии STIS использовался для измерения масс чёрных дыр в десятках других галактик.

Атмосферы экзопланет

В 2001 году STIS впервые обнаружил натрий в атмосфере экзопланеты HD 209458b, что стало первым прямым измерением химического состава атмосферы планеты за пределами Солнечной системы. Позднее с помощью STIS были найдены водород, кислород и углерод в атмосферах других горячих юпитеров.

Межзвёздная среда

STIS позволил детально изучить химический состав и физические условия в межзвёздном газе и пыли. В частности, были получены спектры высокого разрешения поглощения в линиях атомов и молекул (например, водорода, углерода, азота, воды) в направлении ярких звёзд. Это дало информацию о распределении элементов, температуре и плотности межзвёздной среды.

Звёздная астрофизика

Прибор использовался для изучения звёздных ветров, корон и хромосфер активных звёзд, а также для исследования химического состава звёзд различных типов. STIS позволил получить спектры с высоким разрешением для многих звёзд, включая сверхгиганты и белые карлики.

Галактики и квазары

STIS применялся для спектроскопии далёких галактик и квазаров, что позволило изучать эволюцию галактик, активность ядер галактик и свойства межгалактической среды. В 2004 году с помощью STIS была получена глубокая спектроскопия галактики на красном смещении z=6,4, что дало информацию о ранней Вселенной.

Неисправность и восстановление

В 2004 году, через 7 лет после установки, в STIS произошёл сбой блока питания (Side-2), что привело к полной остановке работы прибора. Причина была связана с выходом из строя одного из транзисторов в блоке управления. В течение 5 лет STIS оставался нерабочим.

В 2009 году, в ходе четвёртой и последней сервисной миссии «Хаббла» (STS-125), астронавты провели ремонт STIS. В открытом космосе была заменена плата блока питания, а также установлен новый блок электроники. Ремонт прошёл успешно, и 21 мая 2009 года STIS возобновил научные наблюдения. После восстановления прибор продолжает работать в штатном режиме.

Современное состояние

По состоянию на 2024 год STIS остаётся одним из четырёх действующих научных инструментов «Хаббла» (наряду с ACS, WFC3 и COS). Несмотря на возраст (более 25 лет на орбите), прибор демонстрирует стабильную работу. Регулярно проводятся калибровки и обновления программного обеспечения. STIS используется для наблюдений в рамках программ общего времени (General Observer) и гарантированного времени (Guaranteed Time Observer), а также для архивных исследований.

Сравнение с другими инструментами

STIS отличается от более позднего спектрографа COS (Cosmic Origins Spectrograph, установлен в 2009 году) тем, что может работать как в режиме спектроскопии, так и в режиме камеры, а также обеспечивает более высокое спектральное разрешение в ультрафиолетовом диапазоне. COS, напротив, имеет более высокую чувствительность для слабых объектов, но не обладает режимом визуализации и коронографии. В видимом диапазоне STIS дополняет возможности камеры WFC3, которая обеспечивает более широкое поле зрения, но не имеет спектроскопии высокого разрешения.

Источники

• NASA. «Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) Instrument Handbook». Space Telescope Science Institute, 2023.
• Woodgate, B. E. et al. «The Space Telescope Imaging Spectrograph Design». Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1998, Vol. 110, pp. 1183–1204.
• Harwit, M. «Astrophysical Concepts». Springer, 2006.
• «Hubble Space Telescope Servicing Mission 4: STIS Repair». NASA, 2009.
• Данные архива Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST).