NuSTAR:远眺千万黑洞

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X射线天文卫星并不算少,单单在役的就有钱德拉X射线天文台、XMM-牛顿望远镜以及朱雀卫星三大主力,它们都是采用掠射式光路,可以直接对X射线源成像。但是这些卫星的成像能力只能覆盖软X射线,比如钱德拉望远镜的工作能段只是0.1到10 keV,后两架卫星的成像能段也与之相仿。在更高的能段上,一般的手段是使用编码掩模或者准直探测器进行间接观测,然后使用数学手段将图像还原。即将发射的NuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Array,核分光望远镜阵列)则是第一颗采用掠射技术对几十keV的硬X射线源直接成像的卫星。这颗卫星的主要目标是在6到79 keV的能段上进行黑洞普查,研究高速喷流以及普查超新星遗迹中的元素放射性分布,并探讨坍缩星相关的宇宙线起源和极端物理。其实卫星名称中的Nuclear Spectroscopic应指高能核素分光,对应原子受激辐射的能段。不过因为它的研究目标与黑洞有关,自己一度还以为Nuclear应该星系核的意思,后来才意识到星系核并不用Nuclear这个单词描述。这些研究目标都需要在高能波段进行高精度系统观测,成像探测器因为具有低背景、高灵敏度、大集光面积的优点,有能力观测更暗淡的天体,自然为人青睐。具体说来,NuSTAR的观测目标包括全质量范围内的黑洞,从恒星级一直到星系中央的特大质量黑洞,无论河内外。普查结果结合已有的射电、可见光和软X射线巡天数据,有望全面了解黑洞的特性。星系核方面,NuSTAR的任务一是确定银河系中心特大质量黑洞以外的未知高能辐射源性质,二是探讨活动星系黑洞和喷流之间的相互作用以及喷流的产生和准直机制。至于NuSTAR重点关注的超新星遗迹,基本都是晚近形成的。NuSTAR可以探测44Ti衰变产生的硬X射线,由于这种放射性同位素对超新星爆发环境极端敏感,可以揭示出很多前身星的细节问题。主要目标之外,NuSTAR还担负有观测高能日冕以及研究可能的轴子衰变的任务,当然,与费米伽玛射线空间望远镜以及其他X射线卫星连带低能观测设备的合作也少不了。NuSTAR的前身是功用和结构类似的气球望远镜HEFT。2003年,HEFT小组向NASA的小型探索者计划提交建造NeSTAR卫星的申请,申请于同年年底被批准,开始了可行性论证。2005年,NuSTAR进入了飞行论证阶段,HEFT也在同年春进行了首飞,期间还与雨燕卫星合作观测了爆发中的耀变体3C454.3,过程很顺利。但随后由于NASA预算的削减,NuSTAR计划一度被取消。最终在最初预定发射的2007年,NuSTAR起死回生。NuSTAR:远眺千万黑洞HEFT搭载的3架望远镜观测到的蟹状星云。(图片提供:LLNL)因为NuSTAR属于小型探索者卫星系列,需要使用机载飞马XL火箭发射,这注定它不能过重,体积也不得超过2米长、1米宽。但是掠射式望远镜的焦距普遍很长,NuSTAR与钱德拉和XMM-牛顿一样,焦距都长达10米。后两者长焦距的代价是大体积大质量(差不多都是10米长,4吨重),必须使用推力最大的运载火箭或者航天飞机才能将其送入轨道。NuSTAR就只能采用折叠结构,使用伸缩竿将掠射镜与焦面探测器相连,以此节约体积和质量。NuSTAR:远眺千万黑洞NuSTAR结构示意。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)大型折叠结构并非第一次用于太空。2000年,奋进号航天飞机执行了航天飞机雷达测地任务(SRTM),该任务使用的两架干涉雷达之间即以长达60米的折叠竿相连,顺利达到了高精度测量的目标。NuSTAR使用的折叠竿就充分参考了SRTM的成功经验,不过它面临的挑战更大:必须严格保持掠射镜与探测器对齐。因此NuSTAR设置有调节系统,这套装置在望远镜入轨后就要开始工作,以校准光路,校准的参考则来自掠射镜一端指向探测器的两台星载激光测量仪。NuSTAR:远眺千万黑洞折叠并与运载火箭对接的NuSTAR。(图片提供:NASA/Randy Beaudoin, VAFB)NuSTAR的掠射镜包括两组Wolter I型光路(原定3组),入射X射线线依次被抛物面和双曲面各反射一次,这也与主力X射线天文卫星类似。但是由于NuSTAR的目标是观测硬X射线,它所采用的镀膜材料并非对软X射线反射率高的贵金属,而是所谓的梯度渐变式多层镀膜(depth-graded multilayers),这种结构由两种交替排列且密度对比较大的镀膜材料组成,多达数百层,可以增加在很宽高能段上的反射率。NuSTAR采用的材料是铂金/碳化硅与钨/硅两种,环环相套的掠射镜总数达130层。两架掠射镜各自对同一目标成像,然后经地面处理后合并成所需图像。焦面探测器的材料是对高能光子灵敏的CZT半导体,每架掠射镜的焦面上各有4组,大小是32像素见方,CZT半导体之外又包裹着记录离轴光子和宇宙线粒子背景的碘化铯晶体,以排除背景干扰。NuSTAR:远眺千万黑洞NuSTAR焦面探测器电路,CZT半导体已经组装完毕。(图片提供:NASA/Randy Beaudoin, VAFB)本来NuSTAR的发射定在了今年3月,携带飞马火箭的L-1011“观星者”飞机将从太平洋上马绍尔群岛的夸贾林环礁起飞。起飞地点的选择是与NuSTAR的550千米赤道低轨有关的,这样的轨道可以最大程度地避开南大西洋异常带的干扰。不过在预定发射日期前夕,由于望远镜系统的飞行软件需要进一步的评估审核,发射时间被推迟,NuSTAR可能要等到6月才能升空。NuSTAR官方网站:
http://www.nustar.caltech.edu/
http://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/main/index.html内容来自 Bo Zhang's Homepage

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