NuSTAR ( ядерная спектроскопическая телескопическая матрица , также называемая Explorer 93 и SMEX-11 ) — это космический рентгеновский телескоп НАСА , который использует коническую аппроксимацию телескопа Вольтера для фокусировки высокоэнергетических рентгеновских лучей из астрофизических источников, особенно для ядерной спектроскопии . и работает в диапазоне от 3 до 79 кэВ . [4]
NuSTAR — это одиннадцатая миссия спутниковой программы NASA Small Explorer (SMEX-11) и первый космический рентгеновский телескоп прямого изображения с энергиями, превышающими энергии рентгеновской обсерватории «Чандра» и XMM-Newton . Он был успешно запущен 13 июня 2012 года, ранее запуск был отложен с 21 марта 2012 года из-за проблем с программным обеспечением ракеты-носителя. [5] [6]
Основные научные цели миссии — провести глубокое исследование черных дыр, которые в миллиард раз массивнее Солнца, исследовать, как частицы ускоряются до очень высоких энергий в активных галактиках , и понять, как элементы создаются при взрывах массивных галактик. звезды путем визуализации остатков сверхновых .
Завершив двухлетнюю основную миссию, [7] NuSTAR работает уже одиннадцатый год.
Предшественник NuSTAR, Фокусирующий телескоп высоких энергий (HEFT), представлял собой версию на воздушном шаре, оснащенную телескопами и детекторами, построенными с использованием аналогичных технологий. В феврале 2003 года НАСА выпустило «Объявление о возможностях» программы Explorer (AoO). В ответ NuSTAR был представлен НАСА в мае 2003 года как одно из 36 предложений о миссиях, претендующих на звание десятой и одиннадцатой миссий Small Explorer. [5] В ноябре 2003 года НАСА выбрало NuSTAR и четыре других предложения для пятимесячного технико-экономического обоснования реализации.
В январе 2005 года НАСА выбрало NuSTAR для полета в ожидании годичного технико-экономического обоснования. [8] Программа была отменена в феврале 2006 года в результате сокращения бюджета НАСА на 2007 год. 21 сентября 2007 года было объявлено, что программа была перезапущена с ожидаемым запуском в августе 2011 года, хотя позже это было отложено до июня 2012 года. [6] [9] [10] [11]
Главный исследователь — Фиона А. Харрисон из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт). Другими крупными партнерами являются Лаборатория реактивного движения (JPL), Калифорнийский университет в Беркли, Датский технический университет (DTU), Колумбийский университет , Центр космических полетов Годдарда (GSFC), Стэнфордский университет , Калифорнийский университет в Санта-Крус , Государственный университет Сономы. , Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса и Итальянское космическое агентство (ASI). Основными промышленными партнерами NuSTAR являются Orbital Sciences Corporation и ATK Space Components .
НАСА заключило контракт с Orbital Sciences Corporation на запуск NuSTAR (масса 350 кг (770 фунтов)) [12] на ракете-носителе Pegasus XL 21 марта 2012 года. [6] Ранее это было запланировано на 15 августа 2011 года, 3 февраля 2012 года, 16 Март 2012 г. и 14 марта 2012 г. [13] После совещания по запуску 15 марта 2012 г. запуск был перенесен на более поздний срок, чтобы дать время для проверки полетного программного обеспечения, используемого бортовым компьютером ракеты-носителя. [14] Запуск был успешно проведен в 16:00:37 UTC 13 июня 2012 года [3] примерно в 117 милях (188 км) к югу от атолла Кваджалейн . [15] Ракета-носитель «Пегас» была сброшена с самолета L-1011 «Звездочет» . [12] [16]
22 июня 2012 года было подтверждено, что мачта высотой 10 м (33 фута) полностью развернута. [17]
В отличие от телескопов видимого света, в которых используются зеркала или линзы, работающие с нормальным падением, NuSTAR должна использовать оптику со скользящим падением, чтобы иметь возможность фокусировать рентгеновские лучи. Для этого двухконического приближения оптика телескопа Вольтера с фокусным расстоянием 10,15 м (33,3 фута) удерживается на конце длинной раздвижной мачты. Система лазерной метрологии используется для постоянного определения точных относительных положений оптики и фокальной плоскости, так что каждый обнаруженный фотон можно сопоставить обратно с правильной точкой на небе, даже если оптика и фокальная плоскость движутся относительно друг друга во время экспозиции.
Каждая фокусирующая оптика состоит из 133 концентрических оболочек. Одним из конкретных нововведений, позволяющих использовать NuSTAR, является то, что эти оболочки покрыты многослойными слоями с градиентной глубиной (чередующиеся атомарно тонкие слои материала высокой и низкой плотности); благодаря выбору NuSTAR мультислоев Pt/SiC и W/Si это обеспечивает отражательную способность до 79 кэВ ( энергия K-края платины ). [18] [19]
Оптика была изготовлена в Центре космических полетов Годдарда путем нагрева тонких (210 мкм (0,0083 дюйма)) листов гибкого стекла в печи так, чтобы они опускались на прецизионно отполированные цилиндрические кварцевые оправки соответствующего радиуса. Покрытия были нанесены группой специалистов Датского технического университета .
Затем корпуса были собраны в лабораториях Невиса Колумбийского университета с использованием графитовых прокладок, обработанных таким образом, чтобы придать стеклу коническую форму, и скреплены эпоксидной смолой. Всего зеркальных сегментов 4680 (65 внутренних оболочек содержат по шесть сегментов, а 65 внешних — двенадцать; в каждой оболочке имеются верхний и нижний сегменты, а также два телескопа); на каждый сегмент приходится пять прокладок. Поскольку затвердевание эпоксидной смолы занимает 24 часа, в день собирается одна оболочка — на изготовление одной оптики ушло четыре месяца.
Ожидаемая функция рассеяния точки для летающих зеркал составляет 43 угловых секунды , что дает размер пятна около двух миллиметров в фокальной плоскости; это беспрецедентно хорошее разрешение для фокусировки жесткой рентгеновской оптики, хотя оно примерно в сто раз хуже, чем лучшее разрешение, достигнутое на более длинных волнах рентгеновской обсерваторией Чандра .
Каждая фокусирующая оптика имеет свой собственный модуль фокальной плоскости, состоящий из твердотельного пиксельного детектора из теллурида кадмия-цинка (CdZnTe) [20] , окруженного антисовпадающим экраном из йодида цезия (CsI) . Один детекторный блок (или фокальная плоскость) состоит из четырех детекторов (два на два), производимых компанией eV Products. Каждый детектор представляет собой прямоугольный кристалл размером 20 × 20 мм (0,79 × 0,79 дюйма) и толщиной ~ 2 мм (0,079 дюйма), разбитый на пиксели размером 32 × 32 × 0,6 мм (1,260 × 1,260 × 0,024 дюйма) ( каждый пиксель стягивающее 12,3 угловых секунды) и обеспечивает в общей сложности 12 угловых минут поля зрения (FoV) для каждого модуля фокальной плоскости.
Детекторы из теллурида кадмия-цинка (CdZnTe) представляют собой современные полупроводники , работающие при комнатной температуре , которые очень эффективны при превращении фотонов высокой энергии в электроны . Электроны записываются в цифровом виде с использованием специальных интегральных схем (ASIC), разработанных командой фокальной плоскости Калифорнийского технологического института NuSTAR (CalTech). Каждый пиксель имеет независимый дискриминатор, и отдельные взаимодействия рентгеновских лучей запускают процесс считывания. Встроенные процессоры, по одному на каждый телескоп, определяют строку и столбец с наибольшей высотой импульса и считывают информацию о высоте импульса с этого пикселя, а также с восьми его соседей. Время события фиксируется с точностью до 2 мкс относительно бортовых часов. Местоположение события, энергия и глубина взаимодействия в детекторе вычисляются на основе девятипиксельных сигналов. [21] [22]
Фокальные плоскости экранируются кристаллами йодида цезия (CsI), окружающими корпус детектора. Кристаллические экраны, выращенные Saint-Gobain , регистрируют фотоны высокой энергии и космические лучи, которые пересекают фокальную плоскость в направлениях, отличных от направления оптической оси NuSTAR. Такие события являются основным фоном для NuSTAR и должны быть правильно идентифицированы и вычтены, чтобы идентифицировать фотоны высокой энергии из космических источников. Активное экранирование NuSTAR гарантирует, что любое событие детектора CZT, совпадающее с событием активного экрана, будет проигнорировано.
NuSTAR продемонстрировал свою универсальность, открыв путь ко многим новым открытиям в самых разных областях астрофизических исследований с момента своего запуска.
В феврале 2013 года НАСА сообщило, что NuSTAR вместе с космической обсерваторией XMM-Newton измерила скорость вращения сверхмассивной черной дыры в центре галактики NGC 1365 . [23] Измеряя изменение частоты рентгеновского света, излучаемого короной черной дыры, NuSTAR смог увидеть, как материал из короны приближается к горизонту событий . Это привело к тому, что внутренние части аккреционного диска черной дыры были освещены рентгеновскими лучами, что позволило астрономам изучить эту неуловимую область на предмет определения скорости вращения. [23]
Одна из главных целей NuSTAR — охарактеризовать взрывы звезд путем картирования радиоактивного материала в остатках сверхновых . Карта Кассиопеи А NuSTAR показывает изотоп титана-44, сконцентрированный в сгустках в центре остатка, и указывает на возможное решение загадки взрыва звезды. Когда исследователи моделируют взрывы сверхновых с помощью компьютеров, когда массивная звезда умирает и коллапсирует, основная ударная волна часто останавливается, и звезда не распадается. Последние результаты убедительно свидетельствуют о том, что взорвавшаяся звезда буквально раскачивалась, восстанавливая энергию застопорившейся ударной волны и позволяя звезде наконец оторваться от своих внешних слоев. [25]
В январе 2017 года исследователи из Даремского университета и Саутгемптонского университета , возглавляющие коалицию агентств, использующих данные NuSTAR, объявили об открытии сверхмассивных черных дыр в центрах близлежащих галактик NGC 1448 и IC 3639. [26] [27] [28] ]
2 марта 2017 года NuSTAR опубликовала в журнале Nature статью, в которой подробно описаны наблюдения за изменениями температуры ветра вокруг AGN IRAS 13224-3809 . Обнаружив периодическое отсутствие линий поглощения в рентгеновском спектре ветров аккреционного диска, NuSTAR и XMM-Newton наблюдали циклы нагрева и охлаждения релятивистских ветров, покидающих аккреционный диск . [29] [30]
NuSTAR и XMM-Newton обнаружили рентгеновские лучи, испускаемые за сверхмассивной черной дырой внутри галактики Сейферт-1 I Цвики-1. Изучая вспышки света, излучаемые короной черной дыры, исследователи заметили, что некоторый обнаруженный свет прибыл в детектор позже, чем остальное с соответствующим изменением частоты . Группа ученых Стэнфордского университета, возглавлявшая исследование, пришла к выводу, что это изменение напрямую связано с излучением вспышки, отраженным от аккреционного диска на противоположной стороне черной дыры. Путь этого отраженного света был искривлен из-за высокой кривизны пространства-времени, направленного к детектору после первоначальной вспышки. [31] [32]
6 апреля 2023 года команда NuSTAR подтвердила, что нейтронная звезда M82 X-2 излучает больше радиации, чем считалось физически возможным, из-за предела Эддингтона , официально назвав ее сверхсветящимся источником рентгеновского излучения (ULX). [33] [34]
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
