Изучение рентгеновского излучения астрономических объектов раскрывает тайны Вселенной в самых больших и самых маленьких пространственных масштабах. Небесное рентгеновское излучение производят черные дыры, поглощающие близлежащие звезды. Они испускаются газом с температурой в миллион градусов, который прослеживает структуру между галактиками и может быть использован для предсказания того, способны ли звезды содержать пригодные для жизни планеты.
Рентгеновские наблюдения показали, что большая часть видимой материи во Вселенной существует в виде горячего газа между галактиками, и убедительно показали, что наличие «темной материи» необходимо для объяснения динамики скоплений галактик и что темная материя доминирует в массе скоплений галактик. и что он регулирует расширение космоса.
Рентгеновские наблюдения также позволяют нам исследовать тайны Вселенной в мельчайших масштабах. Рентгеновские наблюдения за компактными объектами, такими как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, позволяют нам использовать Вселенную в качестве физической лаборатории для изучения условий, которые на порядки более экстремальны с точки зрения плотности, давления, температуры и магнитной силы. чем что-либо на планете Земля может быть произведено. В этой астрофизической лаборатории исследователи стремятся открыть новую физику на субатомном уровне, например, изучая уравнение состояния нейтронных звезд и проверяя квантовую электродинамику с использованием наблюдений за атмосферами нейтронных звезд.
В Центре космических полетов имени Маршалла НАСА команда ученых и инженеров создает, тестирует и запускает инновационную оптику, которая позволяет лучше раскрыть рентгеновские тайны Вселенной.
В отличие от оптических телескопов, которые создают изображения путем отражения или преломления света под углами, приближающимися к 90 градусам (нормальное падение), фокусирующая рентгеновская оптика должна быть спроектирована так, чтобы отражать свет под очень малыми углами (скользящее падение). При нормальном падении рентгеновские лучи либо поглощаются поверхностью зеркала, либо полностью проходят сквозь него. Однако при скользящих углах падения рентгеновские лучи отражаются очень эффективно благодаря эффекту, называемому полным внутренним отражением. При скользящем падении рентгеновские лучи отражаются от поверхности зеркала, как камни, подпрыгивающие на поверхности пруда.
Классической конструкцией астрономической оптики скользящего падения является формула Вольтера I, которая состоит из двух отражающих поверхностей, параболы и гиперболы. Этот оптический рецепт вращается вокруг оптической оси, чтобы создать зеркало во всю чашу (то есть зеркало охватывает всю окружность), напоминающее слегка сужающийся конус. Чтобы увеличить площадь сбора света, изготавливаются несколько зеркальных оболочек с постепенно увеличивающимся диаметром и общим фокусом, которые концентрически вложены друг в друга, образуя узел зеркального модуля (MMA).
Фокусирующая оптика имеет решающее значение для изучения рентгеновской Вселенной, поскольку, в отличие от других оптических систем, таких как коллиматоры или кодированные маски, она создает изображения с высоким соотношением сигнал/шум и низким фоновым шумом.
Двумя важными метриками, которые характеризуют характеристики рентгеновской оптики, являются угловое разрешение, которое представляет собой способность оптической системы различать объекты, находящиеся близко друг к другу, и эффективная площадь, которая представляет собой светособирающую площадь рентгеновской оптики. телескопа, который обычно измеряется в см2. Угловое разрешение обычно измеряется как диаметр на половине высоты (HPD) сфокусированной точки в единицах угловых секунд. HPD вращается вокруг половины падающих фотонов в сфокусированной точке и измеряет резкость конечного изображения; меньшее количество лучше.
Центр космических полетов имени Маршалла НАСА (MSFC) уже более трех десятилетий создает и запускает легкую, цельную, фокусирующую рентгеновскую оптику, которая постоянно соответствует или превосходит требования по угловому разрешению и эффективной площади. MSFC использует метод электроформования никеля (ENR) для производства этой тонкой рентгеновской оптики с полной оболочкой из никелевого сплава.
Разработка рентгеновской оптики в MSFC началась в начале 1990-х годов с производства оптики для поддержки Центра усовершенствованной рентгеновской астрофизики НАСА (AXAF-S), а затем продолжилась в рамках программ разработки технологий Constellation-X. В 2001 году MSFC запустил полезную нагрузку воздушного шара, состоящую из двух модулей, каждый с тремя зеркалами, что позволило получить первые сфокусированные изображения астрофизического источника в жестком рентгеновском излучении (> 10 кэВ) посредством изображений Лебедя X-1, GRS 1915 и Крабовидной туманности. . Эта первоначальная попытка привела к нескольким последующим миссиям в течение следующих 12 лет и стала известна как программа воздушных шаров с репликированной оптикой высокой энергии (HERO).
В 2012 году состоялся первый из четырех полетов зондирующей ракеты рентгеновского солнечного тепловизора Focusing Optics (FOXSI) с оптикой MSFC на борту и были получены первые сфокусированные изображения Солнца при энергии выше 5 кэВ. В 2019 году был запущен рентгеновский концентратор Астрономического рентгеновского телескопа (ART-XC) миссии Spectr Roentgen Gamma с семью рентгеновскими ММА производства MSFC, каждая из которых содержит 28 зеркальных тарелок.
ART-XC в настоящее время составляет карту неба в диапазоне энергий жесткого рентгеновского излучения от 4 до 30 кэВ и изучает экзотические объекты, такие как нейтронные звезды в нашей собственной галактике, а также активные галактические ядра, распределенные по всей видимой Вселенной. В 2021 году исследователь рентгеновской поляриметрии изображений (IXPE) поднялся в воздух и сейчас проводит исключительные научные исследования вместе с командой под руководством MSFC, используя три ММА с 24 оболочками, изготовленные и откалиброванные собственными силами.
Совсем недавно, в 2024 году, была запущена четвертая кампания по зондированию ракет FOXSI с использованием MSFC MMA высокого разрешения. Оптика достигла углового разрешения HPD 9,5 угловых секунд в предполетных испытаниях с ожидаемым HPD 7 угловых секунд в полете без гравитации, что делает это полетное наблюдение с самым высоким угловым разрешением, выполненное с помощью никелированной рентгеновской оптики.
В настоящее время MSFC производит MMA для ракетного эксперимента по демонстрации поляриметра мягкого рентгеновского излучения (REDSoX), зондирующей ракетной миссии, в которой будет использоваться новый поляриметр мягкого рентгеновского излучения для наблюдения за активными ядрами галактик. Оптика REDSoX MMA будет иметь диаметр 444 мм, что сделает ее крупнейшей MMA-оптикой, когда-либо производимой MSFC, и второй по величине копией никелевой рентгеновской оптики в мире.
Конечные характеристики рентгеновской оптики определяются ошибками в форме, положении и шероховатости оптической поверхности. Чтобы улучшить характеристики рентгеновской оптики и добиться еще более высокого углового разрешения и достичь более амбициозных научных целей, MSFC в настоящее время проводит фундаментальные исследования и разработки, направленные на улучшение всех аспектов производства цельнокорпусной оптики.
Поскольку эта оптика изготавливается с использованием технологии репликации никеля гальванопластикой, производственный процесс начинается с создания мастера репликации, называемого оправкой, который представляет собой негатив желаемой оптической поверхности. Сначала оправке придают форму и полируют в соответствии со спецификациями, затем на поверхность оправки электроформуют тонкий слой никелевого сплава. Затем слой никелевого сплава удаляется, чтобы создать имитацию оптической оболочки, и, наконец, тонкая оболочка прикрепляется к жесткой опорной конструкции для использования.
Каждый шаг в этом процессе вносит некоторую степень ошибки в окончательную реплицируемую оболочку. Усилия по исследованиям и разработкам в MSFC в настоящее время сосредоточены на уменьшении искажений, возникающих на этапах осаждения и освобождения металла посредством гальванопластики. Деформации, вызванные гальванопластикой, вызваны материальными напряжениями, возникающими в гальванопластическом материале, когда он наносится на оправку. Уменьшение деформации, вызванной выпуском, предполагает снижение прочности сцепления между оболочкой и оправкой, повышение прочности материала оболочки для предотвращения текучести и уменьшение точечных дефектов в разделительном слое.
Кроме того, для проверки работоспособности этой современной оптики требуется испытательное оборудование мирового класса. Основное требование при тестировании оптики, разработанной для рентгеновской астрофизики, — разместить небольшой яркий источник рентгеновского излучения как можно дальше от оптики. Если угловой размер источника с точки зрения оптики меньше углового разрешения оптики, источник фактически имитирует рентгеновский звездный свет. Из-за поглощения рентгеновских лучей воздухом весь путь прохождения света испытательной системы должен быть помещен в вакуумную камеру.
В MSFC группа ученых и инженеров управляет 100-метровой рентгеновской линией Marshall, комплексной испытательной установкой мирового класса для летной и лабораторной рентгеновской оптики, инструментов и телескопов. Как следует из названия, он состоит из вакуумной трубки длиной 100 метров с приборной камерой длиной 8 метров и диаметром 3 метра и множеством источников рентгеновского излучения в диапазоне от 0,25 до 114 кэВ. Через дорогу находится рентгеновская и криогенная установка (XRCF), лучевая установка длиной 527 метров с инструментальной камерой длиной 18 метров и диаметром 6 метров. Эти объекты доступны для использования научным сообществом и подчеркивают обширные возможности разработки и тестирования оптики, которыми известен Маршалл.
В сообществе рентгеновской астрофизики существуют разные угловые разрешения и требования к эффективной площади для фокусировки оптики. Благодаря своей долгой истории в рентгеновской оптике, MSFC имеет уникальные возможности для удовлетворения потребностей большой и малой рентгеновской оптики со средним или высоким угловым разрешением.
Чтобы направлять развитие технологий, астрофизическое сообщество собирается раз в десятилетие для проведения десятилетнего исследования. Потребность в высоком угловом разрешении и высокой пропускной способности рентгеновской оптики решительно подчеркивается в отчете «Пути к открытиям в астрономии и астрофизике на 2020-е годы» Национальных академий наук, техники и медицины. Для достижения этой цели MSFC продолжает совершенствовать новейшие достижения в области полноразмерной оптики. Эта работа позволит раскрыть необыкновенные тайны рентгеновской вселенной.
