Эксперимент "Нейтрал-Э" (COLLISA) Регистрация межзвездных атомов на борту станции "Мир".
Рис.1. Прибор "КОМЗА" на борту модуля "Спектр" станции "Мир". Фотографии НАСА. Полные изображения 57х105 кБ.

Целью астрофизического эксперимента "Нейтрал-Э" является изучение изотопного состава нейтральных газов - He и Ne - в межзвездной среде. Методика регистрации вкратце такова: в приборе " КОМЗА", установленном на борту модуля "Спектр" станции "Мир", специально подготовленная фольга экспонируется в набегающем потоке межзвездного газа, затем кассеты с фольгами возвращаются на Землю для тонкого масс - спектрометрического анализа.

Эта проблема - изотопный состав межзвездного газа - до настоящего времени остается в значительной степени открытой. Действительно, оптические (спектроскопические) методы в состоянии дать сведения только об элементном составе межзвездного вещества. Пионерские работы по изучению рассеяния на нейтральных атомах в околоземном космическом пространстве солнечного УФ-излучения позволили обнаружить только межзвездные атомы ⁴He, но другие компоненты не были зарегистрированы. Только недавно масс - спектрометр (Швейцария), установленный на борту КА ULYSSES, смог предположительно зарегистрировать межзвездные атомы ³He. С большим диапазоном неопределенности соотношение изотопов ²⁰Ne/²²Ne было косвенно оценено при исследовании аномальной компоненты космических лучей.

Наблюдения изотопов гелия и неона межзвездного происхождения имеют особый интерес прежде всего потому, что обе компоненты, будучи инертными газами, не вступают в химические реакции и их изотопный состав не меняется при различных процессах фракционирования. Таким образом, в их изотопном составе "заморожена" история их происхождения.

По современным представлениям изотопы гелия (³He и ⁴He) родились во время "Большого Взрыва", давшего начало наблюдаемой Вселенной. После этого изотоп ³He дополнительно возникал в ядерных реакциях, происходивших в звездах. Когда звезды взрывались или рассеивались, они обогащали межзвездный газ изотопом ³He.

Для протосолнечного вещества отношение ³He/⁴He известно из анализа метеоритов и наблюдений солнечного ветра, а также энергичных частиц от солнечных вспышек. Можно полагать, что это отношение зафиксировало состояние межзвездной среды в эпоху образования Солнечной системы - около 4,6 миллиарда лет назад. Поэтому сегодня мы ожидаем получить в межзвездном веществе более высокое отношение ³He/⁴He , которое будет отражать интенсивность процессов рождения и смерти звезд, происходивших после образования Солнца.

Соотношение изотопов неона ²⁰Ne/²²Ne также сильно зависит от "ядерной" истории вещества. До настоящего времени измерения этого отношения в различных пробах (метеориты, камни с Луны, солнечные вспышки, солнечный ветер) давали заметно разные результаты, что остается необъясненным. Получение такого соотношения для межзвездной среды должно послужить основополагающим базисом для последующего анализа.

Необходимо подчеркнуть, что регистрация прямым (in-situ) методом нейтральных атомов межзвездной среды откроет новый источник знаний о процессах, происходящих снаружи Солнечной системы.

Вследствие чрезвычайной разреженности межпланетной среды поток межзвездного газа пронизывает всю Солнечную систему практически без столкновений и доходит до орбиты Земли, т.е. может быть зарегистрирован в околоземном космическом пространстве (в частности, и на орбите станции "Мир").

Принципиальной основой эксперимента "Нейтрал-Э" является осуществление захвата (адсорбции) нейтральных атомов межзвездной среды на поверхности металлической фольги с последующим их испарением и тонким масс - спектрометрическим анализом.

Для проведения этого эксперимента специально подготовленные образцы фольги должны экспонироваться в открытом космическом пространстве, находясь достаточное время (сотни часов) в потоке межзвездного газа, атомы которого будут частично адсорбироваться на фольге. После экспозиции образцы фольги должны быть возвращены на Землю, где они будут подвергнуты специальному масс-спектрометрическому анализу для выделения искомых компонент: ⁴He, ³He, ²⁰Ne и ²²Ne.

Предложенный метод регистрации атомов инертных газов путем адсорбции их металлической фольгой с последующим лабораторным анализом имеет достаточно долгую историю и был успешно апробирован в целом ряде экспериментов, проводившихся учеными Физического института Университета г.Берн, Швейцария (PHYBE).

Экспонирование образцов фольги и все необходимые для этого операции осуществляются на борту станции "Мир" с помощью специально разработанного для эксперимента "Нейтрал-Э" прибора "КОМЗА" (КОллектор МежЗвездных Атомов, или, по-английски - "COLLISA", COLLection of InterStellar Atoms). Прибор был изготовлен специалистами ИКИ РАН при участии " КБ КОСМОФИЗИКА". Основой этого прибора являются сменные кассеты с образцами фольги, подлежащей экспонированию. Образцы фольги были изготовлены и вмонтированы в готовые кассеты специалистами PHYBE. Управление прибором осуществляется специалистами ЦУП и РКК "Энергия". Смена кассет проводится космонавтами при выходе на поверхность станции "Мир". Доставка кассет на Землю осуществлялась КА АТЛАНТИС.

Модуль "Спектр" с двумя блоками прибора "КОМЗА", установленными на его внешней поверхности, был пристыкован к станции "Мир" 1 июня 1995 года (см. рис.1).

Конструкция прибора "КОМЗА" показана на рис.2.

Рис.2

Проведение эксперимента "Нейтрал-Э" на станции "Мир" в составе модуля "Спектр" позволяет решить его основные задачи:

1. Проводить долговременную экспозицию образцов фольги.
2. Осуществлять эпизодическое обслуживание прибора (смену кассет), т.е. проэкспонировать несколько образцов.
3. Возвращать на Землю кассеты с экспонированной фольгой.

Поток атомов межзвездного газа на орбите Земли весьма невелик. Так, концентрация атомов ⁴He составляет по современным оценкам около 0.01 см^-3, атомов ³He - еще примерно в 4500 раз меньше, а атомов Ne - примерно на 2-3 порядка меньше, чем атомов He.

Принципиальная возможность регистрации этих атомов связана с тем, что скорость их движения относительно космического аппарата на околоземной орбите достаточно велика - от 20 до 70 км/с. Соответственно, плотность потока межзвездных атомов составляет около 3*10⁴ частиц/(см²*с) для атомов ⁴He, но много меньше для ³He и неона.

Помимо этого, гравитационное притяжение Солнца увеличивает величину потока за счет так называемой "гравитационной фокусировки", однако УФ ионизация вблизи Солнца уменьшает потоки нейтральных атомов примерно на такой же фактор.

Отсюда ясно, что для получения надежно обнаружимых количеств искомых атомов в эксперименте "Нейтрал-Э" требуется, во первых, достаточно большая площадь детектора (сотни кв. см), и, во вторых, достаточно большая суммарная длительность экспозиции (сотни часов).

Рис.3

Малость величины концентрации исследуемых межзвездных атомов приводит к тому, что эксперимент оказывается чрезвычайно чувствительным к малейшим помехам (загрязнениям) на борту космического аппарата. Оценки, проведенные на основе имеющихся для станции "Мир" экспериментальных данных и модельных расчетов, показывают, что в стационарных (фоновых) условиях загрязнение фольги потоком атомов или молекул, испускаемых стенками или деталями конструкции станции, не превышает допустимого уровня, если отсутствует прямая видимость этих стенок (деталей) от поверхности кассеты с фольгой. Последнее обстоятельство привело к определенным ограничениям на выбор места размещения прибора на модуле "Спектр" и на ширину его угловой диаграммы.

С другой стороны, во время динамических операций на станции (стыковка или перестыковка, включение маршевых двигателей или двигателей ориентации, выход космонавтов и т.д.) плотность собственной атмосферы станции и насыщенность ее углеводородами повышаются настолько, что это может существенно снизить адсорбирующую способность фольги для межзвездных атомов (например, путем образования монослоя полимеров или окислов на ее поверхности). Для предотвращения такого загрязнения прибор снабжен специальными створками, по команде сдвигающимися и надежно перекрывающими входное окно. Введение створок, открывающихся только в нужные моменты времени, выгодно отличает данный прибор от аналогичного, использовавшегося в предшествующем эксперименте на американском спутнике LDEF. Для снижения воздействия потоков магнитосферных ионов He в прибор введена высоковольтная (+6 кВ) запирающая сетка.

Управление прибором "КОМЗА" обеспечивается РКК "Энергия" по контракту с РКА. Временные интервалы экспозиции и необходимая ориентация прибора рассчитываются специалистами ИКИ и PHYBE. Смена кассет производится космонавтами во время выходов на поверхность в открытый космос. Доставка и возвращение кассет выполняются с помощью американского КА АТЛАНТИС, кроме доставки первых двух комплектов кассет, отправившихся на станцию "Мир" на модуле "Спектр".

В период с августа по октябрь 1995 года прибор были проведены проверка прибор и первая "фоновая" экспозиция. Общая ее длительность составила около 70 часов. Первая смена кассет была произведена космонавтами С.Авдеевым (Россия) и Т.Райтером (Германия) во время выхода на поверхность станции 20 октября 1995 года.

Следующая, рабочая, экспозиция проводилась в период с января по май 1996 года. Общая ее длительность составила около 55 часов. Вторая смена кассет была сделана космонавтами Ю.Онуприенко и Ю.Усачевым (Россия) 6 июня 1996 года.

Оба проэкспонированных набора кассет вернулись на Землю и были переданы в ИКИ РАН. К настоящему времени ученые PHYBE провели предварительный анализ образцов "фоновой" и первой рабочей экспозиции.

Для "фоновой" экспозиции было показано, что многочисленные предосторожности для снижения уровня "загрязнения" отнюдь не являются лишними. Серьезный успех был достигнут уже при первом исследовании образца рабочей экспозиции. Были получены неоспоримые доказательства регистрации потока межзвездных атомов ⁴He и определено, что он хорошо соответствует ожидаемому при указанной выше плотности "на бесконечности". В настоящее время эти исследования продолжаются.

Экспозиция третьего набора кассет проводилась в сезоне 1997 года. К сожалению, из-за технических проблем станции "Мир" ее длительность составила всего 7.5 часов.

По всем вопросам относительно эксперимента "Нейтрал-Э" (COLLISA) обращайтесь по следующим адресам:

Научный координатор работ от ИКИ РАН Застенкер Георгий Наумович
Dr. Georgy Zastenker (scientific coordinator from IKI)
gzastenk@arc.iki.rssi.ru

Научный координатор работ от PHYBE Др. Фриц Бюлер
Dr. Fritz Buehler (project scientist from PHYBE side)
FBUEHLER@phim.unibe.ch

По всем вопросам относительно прибора "КОМЗА" обращайтесь по адресу:
Ведущий по прибору Агафонов Юрий Николаевич
Ing. Yurii Agafonov (project manager)
yagafonov@romance.iki.rssi.ru

Куратор эксперимента от РКК "Энергия" Швец Николай Иванович
Manager of control operations with KOMZA instrument at RRSC ENERGIA is
Ing. Nikolaj Shvets