Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER) — це телескоп NASA розташований на Міжнародній космічній станції, розроблений і призначений для вивчення надзвичайних гравітаційних, електромагнітних і ядерно-фізичних середовищ нейтронних зір; досліджує екзотичні стани матерії, щільність і тиск яких вище, ніж в ядрах атома. Як частина програми NASA Explorer, NICER досліджує обертальну спектроскопію теплового та нетеплового випромінювання нейтронних зір у м'якому рентгенівському діапазоні (0,2–12 кеВ) із безпрецедентною чутливістю, вивчаючи внутрішню структуру, походження динамічних явищ, а також механізми, які лежать в основі найпотужніших відомих прискорювачів космічних частинок. NICER є рентгенівським інструментом синхронізації та спектроскопії прикріпленим до борту Міжнародної космічної станції (МКС).

Розробка та запуск

NICER (разом з космічним телескопом TESS) був одним з чотирьох концептуальних досліджень, представлених у вересні 2012 року. NASA визначило, що ці два проєкти є найбільш здійсненними та мають велику наукову цінність.

У період з 2014 по 2015 рік інженери та науковці NICER успішно пройшли кілька основних етапів перевірки проекту, включаючи попередній огляд незалежною групою експертів, початковий огляд безпеки корисного навантаження групою експертів Міжнародної космічної станції (МКС), перевірку підтвердження в штаб-квартирі NASA та перевірку дизайну. У травні 2015 року NICER був на шляху до запуску в 2016 році, пройшовши критичний огляд конструкції (CDR) і вирішивши проблему з енергопостачанням МКС.

Спочатку запуск було заплановано на 14 травня 2017 року. Проте NICER було доставлено на Міжнародну космічну станцію 3 червня 2017 року у ході одинадцятого запуску SpaceX для дозаправки МКС. (Після невдалого запуску SpaceX CRS-7 у червні 2015 року майбутні місії було затримано на кілька місяців.) Протягом двох тижнів після запуску NICER було вилучено з космічного корабля SpaceX Dragon, було проведено роботизоване встановлення на 2 на борту МКС і початкове розгортання. Перші спроби введення в експлуатацію розпочалися 14 червня, усі системи функціонували належним чином.

Космічний апарат

Після тестування та перевірки на рівні приладів NICER було інтегровано в стандартний інтерфейс МКС/ELC (транспортно-зберігальна платформа), Flight Releasable Attachment Mechanism (FRAM) (механізм для кріплення в польоті). Після прибуття до МКС NICER переміщено роботом до місця розташування ELC у зеніті. Після розгортання зі складеного стану NICER починає перевірку на орбіті та калібрування, а невдовзі після цього свою наукову програму. Під час спостережень NICER вказує та відстежує цілі, дотримуючись обмеження огляду, яке зберігає працездатність інструменту. Тривалість місії NICER у 18 місяців дає змогу отримати базову наукову базу, після чого NICER можна знову зібрати та зняти з орбіти або вимкнути на невизначений час і залишити на ELC.

Надійна конструкція телескопа, сумісна з видимістю, вібрацією та забрудненням середовища МКС, дозволяє NICER використовувати встановлену інфраструктуру з низькими ризиками. Оптика ковзного падіння в поєднанні з кремнієвими дрейфовими детекторами, активно спрямованими на всю півкулю неба, забезпечує спектроскопію з підрахунком фотонів і синхронізацію, зареєстровану за часом і положенням GPS, з високою пропускною здатністю та відносно низьким фоном.

Підсистеми NICER

Система наведення та розгортання висуває XTI над ELC і спрямовує його на інерційні цілі. Система використовує різні компоненти, включаючи пристрій відстеження зір, підвіси та програмне забезпечення, яке дозволяє XTI відстежувати небесні об’єкти, коли МКС обертається навколо Землі. Приціл приладу NICER залишається прив’язаним до визначених цілей з точністю до 90 кутових секунд. Система наведення легко долає очікуване тремтіння від вібрації МКС на платформі ELC і дозволяє NICER захищати оптику під час потенційних випадків забруднення, таких як прибуття або відліт космічного корабля. Головний блок електроніки (MEB) містить команди та систему обробки даних приладу (C&DH), перетворювач живлення, плати комутації живлення та електроніку системи глобального позиціонування (GPS). Інтерфейси MEB до ELC включають висхідну лінію зв’язку (через 1553), низхідну лінію зв’язку (через Ethernet для наукових даних і 1553 для домашнього обслуговування) і живлення. MEB використовує RS422 для зв’язку з контролерами підвісу, трекерами зір і детекторами в приладі. Система GPS визначає положення та час, які мають вирішальне значення для інтерпретації наукових даних. Проста механічна конструкція використовує всі переваги великої допустимої маси на ELC. На ній розташовано жорсткий IOB, який вміщує очікувані тепломеханічні сили. Він також включає пускові замки, підвіси та стрілу розгортання системи наведення. Система контролю температури підтримує всі компоненти в межах допустимої температури за допомогою поєднання холодного зміщення (через радіатори), контролю (за допомогою термостатів і нагрівачів) і фазоперехідних матеріалів; це досягається за допомогою численних енергетичних ресурсів МКС. SDD мають вбудовані термоелектричні охолоджувачі. NICER має дві основні теплові конфігурації: одна для підтримки температур виживання під час фази запуску місії та встановлення на ELC, а потім друга робоча конфігурація, після встановлення та початку безперебійного живлення приладу. Сучасне програмне забезпечення, що відповідає вимогам C&DH і системі наведення приладів.

Наукові інструменти

Основний науковий інструмент NICER під назвою X-ray Timing Instrument (XTI) — це масив із 56 оптичних пристроїв рентгенівського концентратора (XRC) і відповідних кремнієвих дрейфових детекторів (SDD). Ці детектори записують енергію зібраних фотонів, а також час їх надходження. Кожен XRC збирає фотони на великій (~50 см2) геометричній площі з ділянки неба розміром 15 кутових мінут і фокусує їх на маленькому SDD. SDD виявляють окремі рентгенівські фотони, записуючи їхню енергію та час надходження з високою точністю. Разом ця сукупність забезпечує можливість підрахунку фотонів із великою ефективною площею, високою роздільною здатністю за часом, помірною роздільною здатністю за енергією та низьким фоном у рентгенівських променях 0,2–12 кеВ. Приймач глобальної системи позиціонування (GPS) забезпечує точні вимірювання часу та розташування.

XRCs концентрують рентгенівське випромінювання, використовуючи відбиття падіння. Кожен XRC складається з 24 вкладених конусоподібних плівок разом із легкою опорною структурою. На відміну від оптики з металевої фольги, що використовувалася в минулих місіях ASCA, та інших, XRC від NICER не є оптикою для отримання зображень — рентгенівські промені піддаються єдиному відображенню. Окрім того, відсутність вторинних дзеркал підвищує ефективність і зменшує масу та складність, тож оптична система оптимізована для спостереження точкових джерел. SDD – це пристрої, які включають вбудовані термоелектричні охолоджувачі (TEC) і теплові/оптичні фільтри блокування. Диски SSD розміщені в модулях фокальної площини (FPM), які забезпечують попереднє посилення сигналу SSD. Групи з восьми FPM підключаються до блоку вимірювання/живлення (MPU) через аналогові з’єднання; MPU забезпечують напругу зміщення та керування TEC, тоді як FPM повертають вихідні дані попередніх підсилювачів і дані температури SDD. Кожен із семи MPU має швидкий канал паралельно з повільним каналом для кожного детектора FPM. Швидкий канал має дуже швидкий час формування (30 нс), що дозволяє точно визначати час для окремих рентгенівських фотонів. Зазначення часу з високою точністю досягається за допомогою осцилятора на MPU, який порівнюється з сигналом один імпульс за секунду (1 PPS) від бортового приймача GPS. Повільніший канал із набагато довшим часом формування (300 нс) забезпечує кращу енергетичну роздільну здатність, виявлене рентгенівське випромінювання, що дає змогу NICER чіткіше бачити спектроскопічні наукові об’єкти та відділяти фонові події. Інструментальна оптична лава (IOB) утримує оптичну та детекторну системи в компактному, суміжному вузлі, забезпечує механічну жорсткість, термічну стабільність і легкість інтеграції для високомодульного приладу.

Рентгенівська навігація та комунікація

SEXTANT Удосконалене доповнення місії NICER — Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT), виступає технологічним демонстратора методів навігації на основі рентгенівських пульсарів (XNAV), які одного дня можуть бути використані для навігації далекого космосу.

NICER-SEXTANT — це місія «два в одному». NICER вивчає надщільні астрофізичні об'єкти — нейтронні , щоб визначити, як поводиться матерія в їхніх надрах. А SEXTANT, в свою чергу, використовує спостереження NICER, щоб продемонструвати автономну рентгенівську навігацію в космосі.

Разом із переходом приладу до повноцінних наукових операцій, вбудована демонстрація Station Explorer для рентгенівської синхронізації та навігаційної технології (SEXTANT) почала використовувати дані NICER для налаштування вбудованого польотного програмного забезпечення свого першого експерименту. Початкові моделі синхронізації використовували дані, зібрані наземними радіотелескопами, проте з допомогою NICER, який спостерігає за допомогою рентгенівських променів, вчені почали враховувати різницю між імпульсами, отриманими за допомогою рентгенівських променів, порівняно з попередніми радіомоделями.

У січні 2018 року в науковому журналі «Nature» було опубліковано статтю під назвою «Тести NASA доводять, що пульсари можуть функціонувати як небесний GPS», в якій сказано, що NICER/SEXTANT вперше продемонстрував навігацію в космосі за допомогою рентгенівських пульсарів як форми галактичної системи позиціонування. Цей метод допоможе космічним кораблям самостійно керувати собою в глибокому космосі.

На додаток до просування життєво важливого багатохвильового підходу до досліджень нейтронних зір шляхом координації з радіо- та γ-спостереженнями, NICER забезпечує здатність швидкого реагування для націлювання на перехідні процеси, безперервність астрофізичних досліджень рентгенівського випромінювання після RXTE через програму Guest Observer і новий простір для відкриття в науці про синхронізацію м'якого рентгенівського випромінювання.

NavCube та XCOM Телескоп NICER працює з технологією NavCube. Ця технологія поєднує NASA SpaceCube, реконфігуровану та швидку обчислювальну платформу для польотів, із бортовим приймачем Navigator Global Positioning System (GPS). Один блок NavCube демонструє свої навігаційні та обробні можливості, а інший надає точні дані про час експерименту, що демонструє рентгенівський зв’язок, або XCOM, здатність, яка дозволяє передавати гігабіт за секунду по всій Сонячній системі.

XCOM — це одна з двох технологічних демонстрацій, які головні дослідники NICER Кейт Жендро та Завен Арзуманян хочуть продемонструвати з NICER. Щоб продемонструвати односторонній XCOM, команда встановила MXS на експериментальну частину, де він передає дані через рентгенівські промені на приймачі NICER, розташовані на відстані 50 м на протилежному боці ферми космічної станції. Робота NavCube полягає в тому, щоб керувати перемикачем MXS. Оскільки NavCube поєднує в собі високошвидкісне обчислення SpaceCube зі здатністю Navigator відстежувати сигнали GPS, команда також хоче поекспериментувати з рентгенівським визначенням дальності, технікою для вимірювання відстані між двома об’єктами.

Спостереження та результати досліджень NICER дає астрономам більше інформації про нейтронні зорі, допомагаючи визначити, що знаходиться під їх поверхнею. Астрофізики, використовуючи дані NICER, отримали перші точні та надійні вимірювання як розміру пульсара, так і його маси, а також першу в історії карту гарячих точок на його поверхні.