|
Открывая скрытую вселенную с помощью рентгеновской оптики
|
|
|
|
Изучение рентгеновского излучения астрономических объектов раскрывает секреты Вселенной в самых больших и самых маленьких пространственных масштабах. Небесные рентгеновские лучи образуются черными дырами, поглощающими близлежащие звезды, испускаются газом с температурой в миллионы градусов, который образует структуру между галактиками, и могут быть использованы для прогнозирования того, могут ли звезды содержать планеты, пригодные для жизни.
|
|
|
|
Рентгеновские наблюдения показали, что большая часть видимой материи во Вселенной существует в виде горячего газа между галактиками, и убедительно продемонстрировали, что присутствие "темной материи" необходимо для объяснения динамики скоплений галактик, что темная материя доминирует в массе скоплений галактик и что она управляет расширением космоса..
|
|
|
|
Рентгеновские наблюдения также позволяют нам исследовать тайны Вселенной в мельчайших масштабах. Рентгеновские наблюдения компактных объектов, таких как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, позволяют нам использовать Вселенную в качестве физической лаборатории для изучения условий, которые по плотности, давлению, температуре и напряженности магнитного поля на порядок более экстремальны, чем все, что может быть создано на Земле. В этой астрофизической лаборатории исследователи рассчитывают открыть новые физические возможности на субатомном уровне, проводя такие исследования, как исследование уравнения состояния нейтронной звезды и проверка квантовой электродинамики с помощью наблюдений за атмосферами нейтронных звезд.
|
|
|
|
|
|
|
В Центре космических полетов имени Маршалла НАСА команда ученых и инженеров разрабатывает, тестирует и обкатывает инновационную оптику, которая позволяет лучше понять тайны рентгеновского излучения Вселенной.
|
|
|
|
В отличие от оптических телескопов, которые создают изображения, отражая или преломляя свет под углами, близкими к 90 градусам (нормальное падение), фокусирующая рентгеновская оптика должна быть сконструирована таким образом, чтобы отражать свет под очень малыми углами (скользящее падение). При нормальном падении рентгеновские лучи либо поглощаются поверхностью зеркала, либо полностью проникают сквозь него. Однако при скользящих углах падения рентгеновские лучи отражаются очень эффективно благодаря эффекту, называемому полным внешним отражением. При падении на траву рентгеновские лучи отражаются от поверхности зеркала подобно камешкам, прыгающим по поверхности пруда.
|
|
|
|
Классическим решением для астрономической оптики с изменяющимся углом наклона является модель Wolter-I, состоящая из двух отражающих поверхностей - параболы и гиперболы. Эта оптическая конструкция вращается вокруг оптической оси, образуя цельнокроеное зеркало (т.е. зеркало охватывает всю окружность), напоминающее слегка сужающийся конус. Чтобы увеличить площадь улавливания света, изготавливается множество зеркальных корпусов с постепенно увеличивающимися диаметрами и общим фокусом, которые концентрически расположены друг над другом и образуют зеркальный модуль в сборе (MMA).
|
|
|
|
Фокусирующая оптика имеет решающее значение для изучения рентгеновской вселенной, поскольку, в отличие от других оптических систем, таких как коллиматоры или кодированные маски, она позволяет получать изображения с высоким соотношением сигнал/шум при низком уровне фонового шума.
|
|
|
|
Двумя ключевыми показателями, характеризующими эффективность рентгеновской оптики, являются угловое разрешение, которое представляет собой способность оптической системы различать близко расположенные объекты, и эффективная площадь, которая представляет собой площадь сбора света телескопом, обычно измеряемую в см2. Угловое разрешение обычно измеряется как диаметр в половину мощности (ДПР) сфокусированного пятна в угловых секундах. ДПР охватывает половину падающих фотонов в сфокусированном пятне и определяет четкость конечного изображения; чем меньше количество, тем лучше.
|
|
|
|
Центр космических полетов имени Маршалла НАСА (MSFC) уже более трех десятилетий разрабатывает и эксплуатирует легкие полнофокусные рентгеновские оптические приборы, которые всегда соответствуют или превосходят требования к угловому разрешению и эффективной площади. Компания MSFC использует технологию гальванического никелирования (ENR) для изготовления этих тонких полноразмерных рентгеновских оптических приборов из никелевого сплава.
|
|
|
|
Разработка рентгеновской оптики в MSFC началась в начале 1990-х годов с производства оптики для поддержки передового рентгеновского астрофизического центра НАСА (AXAF-S), а затем продолжилась в рамках программ разработки технологий Constellation-X. В 2001 году MSFC запустила космический аппарат с полезной нагрузкой, который включал в себя два модуля, каждый с тремя зеркалами, которые позволили получить первые сфокусированные рентгеновские изображения астрофизического источника в жестких рентгеновских лучах (>10 кэВ) с помощью Cygnus X-1, GRS 1915 и Крабовидной туманности. Результатом этих первоначальных усилий стало проведение нескольких последующих миссий в течение следующих 12 лет, и они стали известны как программа создания аэростатов с высокоэнергетической реплицируемой оптикой (HERO).
|
|
|
|
В 2012 году состоялся первый из четырех полетов зондирующей ракеты с рентгеновским устройством для формирования изображений солнца FOXSI (Focusing Optics X-ray Solar Imager) с оптикой MSFC на борту, что позволило получить первые сфокусированные изображения Солнца при энергиях более 5 кэВ. В 2019 году был запущен рентгеновский концентратор астрономического рентгеновского телескопа (ART-XC) в рамках миссии "Спектр-Рентген-Гамма" с семью рентгеновскими MMA, изготовленными на основе MSFC, каждая из которых содержит 28 зеркальных оболочек.
|
|
|
|
В настоящее время ART-XC составляет карту неба в диапазоне энергий жесткого рентгеновского излучения с энергией 4-30 кэВ, изучая экзотические объекты, такие как нейтронные звезды в нашей галактике, а также активные ядра галактик, которые разбросаны по всей видимой Вселенной. В 2021 году компания Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) запустила в эксплуатацию и теперь проводит экстраординарные научные исследования с командой под руководством MSFC, используя три MMA с 24 корпусами, которые были изготовлены и откалиброваны собственными силами.
|
|
|
|
Совсем недавно, в 2024 году, была запущена четвертая кампания FOXSI sounding rocket с использованием MSFC MMA в высоком разрешении. Оптика достигла углового разрешения 9,5 угловых секунд в секунду во время предполетных испытаний и ожидаемого 7 угловых секунд в секунду в полете без гравитации, что делает это наблюдение с самым высоким угловым разрешением в полете, выполненное с использованием никелевой рентгеновской оптики.
|
|
|
|
В настоящее время MSFC разрабатывает MMA для демонстрации поляриметра с мягким рентгеновским излучением (RedSox) в ракетном эксперименте - зондирующей ракетной миссии, в ходе которой будет запущен новый прибор с мягким рентгеновским поляриметром для наблюдения за активными ядрами галактик. Диаметр оптического устройства RedSox MMA optic составит 444 мм, что сделает его самым большим оптическим устройством MMA, когда-либо производившимся MSFC, и вторым по величине тиражируемым никелевым рентгеновским оптическим устройством в мире.
|
|
|
|
Конечная эффективность рентгеновской оптики определяется погрешностями в форме, положении и шероховатости оптической поверхности. Чтобы повысить эффективность рентгеновской оптики до еще более высокого углового разрешения и достичь более амбициозных научных целей, MSFC в настоящее время проводит фундаментальные исследования и разработки, направленные на совершенствование всех аспектов изготовления оптики с полным корпусом.
|
|
|
|
Учитывая, что эта оптика изготавливается методом гальванопластической никелевой репликации, процесс изготовления начинается с создания образца для репликации, называемого оправкой, который является негативом желаемой оптической поверхности. Сначала оправке придается фигурная форма и шлифуется в соответствии со спецификациями, затем на поверхность оправки гальваническим способом наносится тонкий слой никелевого сплава. Затем слой никелевого сплава удаляется для получения повторяющейся оптической оболочки, и, наконец, тонкая оболочка крепится к жесткой удерживающей конструкции для использования.
|
|
|
|
Каждый этап этого процесса вносит некоторую погрешность в конечную тиражируемую оболочку. В настоящее время усилия MSFC в области исследований и разработок сосредоточены на уменьшении искажений, возникающих на этапах гальванопластического осаждения металла и его выпуска. Деформация, вызванная гальванопластикой, вызвана напряжением, возникающим в материале, подвергнутом гальванопластике, при его нанесении на оправку. Уменьшение деформации, вызванной отрывом, заключается в снижении прочности сцепления между корпусом и оправкой, повышении прочности материала корпуса для предотвращения податливости и уменьшении точечных дефектов в разделительном слое.
|
|
|
|
Кроме того, для проверки работоспособности этой передовой оптики требуется испытательное оборудование мирового класса. Основная предпосылка тестирования оптики, предназначенной для рентгеновской астрофизики, заключается в размещении небольшого яркого источника рентгеновского излучения на большом расстоянии от оптики. Если угловой размер источника при наблюдении с оптического прибора меньше, чем угловое разрешение оптического прибора, то источник эффективно имитирует рентгеновский свет звезд. Из-за поглощения рентгеновских лучей воздухом весь световой путь испытательной установки должен быть помещен в вакуумную камеру.
|
|
|
|
В MSFC группа ученых и инженеров эксплуатирует 100-метровую рентгеновскую линию Marshall, комплексную испытательную установку мирового класса для летной и лабораторной рентгеновской оптики, приборов и телескопов. Как следует из названия, он состоит из вакуумной трубки длиной 100 метров, приборной камеры длиной 8 метров и диаметром 3 метра, а также различных источников рентгеновского излучения с энергией от 0,25 до 114 кэВ. Через дорогу находится рентгеновский и криогенный центр (XRCF) - лучевая установка длиной 527 метров с приборной камерой длиной 18 метров и диаметром 6 метров. Научное сообщество может использовать это оборудование и продемонстрировать всесторонние возможности Marshall в области разработки и тестирования оптики.
|
|
|
|
В сообществе рентгеновской астрофизики существует множество требований к угловому разрешению и эффективной площади фокусирующей оптики. Учитывая свою богатую историю в области рентгеновской оптики, MSFC обладает уникальными возможностями для удовлетворения требований, предъявляемых к рентгеновской оптике большого или малого размера, со средним или высоким угловым разрешением.
|
|
|
|
Чтобы помочь в развитии технологий, сообщество астрофизиков собирается раз в десятилетие для проведения десятилетнего обзора. Необходимость в рентгеновской оптике с высоким угловым разрешением и высокой пропускной способностью подтверждается докладом Национальных академий наук, инженерии и медицины "Пути к открытиям в астрономии и астрофизике на 2020-е годы". Стремясь к достижению этой цели, MSFC продолжает совершенствовать современные технологии в области полноэкранной оптики. Эта работа позволит раскрыть необычайные тайны рентгеновской вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
