Кіріспе
NASA X-шылғы телескопы Explorer бағдарламасының NuSTAR – NASA-ның Small Explorer (SMEX 11) спутниктік бағдарламасының он бірінші миссиясы және Chandra X-шылғы обсерваториясы мен XMM-Ньютоннан жоғары энергиядағы X-шылғы сәулелерін тікелей бейнелейтін алғашқы ғарышқа негізделген телескоп. Ол 2012 жылдың 13 маусымында сәтті ұшырылды, алғашқы жоспар бойынша 2012 жылдың 21 наурызында ұшыруға дайындалған болатын, бірақ ұшыру құралының бағдарламалық жасақтамасындағы мәселелерге байланысты кейінге шегерілді. Миссияның негізгі ғылыми мақсаттары – Күннен миллиард есе салмақты қара тесіктерді жан тереңінен зерттеу, белсенді галактикалардағы бөлшектердің өте жоғары энергияға дейін қалай үдеп баратынын анықтау және массивті жұлдыздардың жарылысында элементтердің қалай пайда болатынын супернова қалдықтарын бейнелеу арқылы түсіну. Екі жылдық негізгі миссиясын аяқтаған NuSTAR қазіргі кезде жұмыс істеу кезеңінде.
NuSTAR is the eleventh mission of NASA's Small Explorer (SMEX 11) satellite program and the first space based direct imaging X ray telescope at energies beyond those of the Chandra X ray Observatory and XMM Newton. It was successfully launched on 13 June 2012, having previously been delayed from 21 March 2012 due to software issues with the launch vehicle. The mission's primary scientific goals are to conduct a deep survey for black holes a billion times more massive than the Sun, to investigate how particles are accelerated to very high energy in active galaxies, and to understand how the elements are created in the explosions of massive stars by imaging supernova remnants. Having completed a two year primary mission, NuSTAR is in its year of operation.
Тарих
NuSTAR-дың алдыңғы нұсқасы – High Energy Focusing Telescope (HEFT) – телескоптар мен детекторларды алып жүретін, ауа шарымен жабдықталған нұсқасы болды. 2003 жылдың ақпан айында NASA Explorer бағдарламасының мүмкіндіктер туралы хабарламасын (AoO) жариялады. Оған жауап ретінде NuSTAR 2003 жылдың мамыр айында NASA-ға, он және он бірінші Шағын зерттеуші миссиясы болуға үміткер 36 миссиялық ұсыныстың бірі ретінде ұсынылды. 2006 жылдың ақпан айында NASA-ның 2007 жылғы бюджетіндегі ғылымға қатысты қаржыны қысқарту салдарынан бағдарлама тоқтатылды. 2007 жылдың 21 қыркүйегінде бағдарлама қайта іске қосылғаны жарияланды, алғашқы ұшырылым 2011 жылдың тамызында күтілді, бірақ ол кейін 2012 жылдың маусымына шегерілді. Бас зерттеуші – Калифорния технология институтының (Caltech) Фиона А. Харрисон. Басқа да маңызды серіктестерге Джет-қозғалтқыш зертханасы (JPL), Калифорния университеті, Беркли, Дания техникалық университеті (DTU), Колумбия университеті, Годдард ғарыш ұшу орталығы (GSFC), Стэнфорд университеті, Калифорния университеті, Санта-Крус, Сонома мемлекеттік университеті, Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы және Италия ғарыш агенттігі (ASI) кіреді. NuSTAR-дың негізгі өнеркәсіптік серіктестері – Orbital Sciences Corporation және ATK Space Components.
Іске қосу
НАСА 2012 жылдың 21 наурызында NuSTAR (массасы) ұшыру үшін Orbital Sciences Corporation компаниясымен келісімшарт жасасты, ол Pegasus XL зымыран тасымалдағышы арқылы іске қосылуы тиіс болды. 2012 жылдың 15 наурызында өткен ұшыру кеңесінен кейін, ұшыру аппаратының ұшу компьютерінде қолданылатын ұшу бағдарламалық қамтамасын қарау үшін ұшыру мерзімі кейінге шегерілді. 2012 жылдың 13 маусымында 16:00:37 UTC уақыты бойынша ұшыру сәтті жүзеге асырылды. "Пегасус" зымыран тасымалдағышы L 1011 "Stargazer" ұшағынан босатылды. 2012 жылдың 22 маусымында қондырғы толықтай ашылғаны расталды.
Оптика
Көрінетін жарық телескоптарынан айырмашылығы – мұнда әдеттегі инциденциямен жұмыс істейтін айналар немесе линзалар қолданылады – NuSTAR рентген сәулелерін фокустау үшін жарық сырғуы принципінде жұмыс істейтін оптиканы пайдалануға мәжбүр. Осы мақсатқа екі конус тәрізді жуықтаулы Вольтер телескопының оптикалық конструкциясы, фокустық қашықтығы бар, ұзын жайылмалы мачтаның соңында орналасқан. Лазерлік метрология жүйесі оптика мен фокустық жазықтықтың нақты салыстырмалы орналасуын үнемі анықтау үшін қолданылады, сондықтан әрбір анықталған фотон аспандағы дұрыс нүктеге шартты түрде бейнеленеді, тіпті оптика мен фокустық жазықтық экспозиция кезінде бір-біріне қатысты жылса да. Әрбір фокустаушы оптика 133 концентрлі қабықтан тұрады. NuSTAR-ға мүмкіндік беретін ерекше жаңалық – бұл қабықтардың тереңдігіне қарай өзгеретін көп қабатты жабындармен (жоғары және төмен тығыздықтағы материалдың атомдық жұқа қабаттарының кезектесуі) жабылғандығы. NuSTAR-дың Pt/SiC және W/Si көп қабаттарын таңдауы 79 кэВ-қа дейін шағылыстыруға мүмкіндік береді (платинаның K шеттік энергиясы). Оптикалық құрылғы Годдард ғарыш ұшу орталығында иілгіш шыныдан жасалған жұқа парақтарды пеште қыздыру арқылы жасалды, осылайша олар тиісті радиустағы дәлдікпен жылтыратылған цилиндрлі кварцтан жасалған мандрелдерге түсіп, формасын алды. Жабындар Дания техникалық университетінің тобымен жабылған. Содан кейін қабықтар Колумбия университетінің Невис зертханасында шыныны конус пішінде ұстап тұруға арналған графит аралықтарын пайдалана отырып, эпоксидпен біріктірілді. Барлығы 4680 айна сегменті бар (65 ішкі қабықтың әрқайсысы алты сегменттен, ал 65 сыртқы қабықтың он екіден тұрады; әр қабықтың жоғарғы және төменгі сегменттері бар, сондай-ақ екі телескоп бар); әр сегментке бес аралық орнатылған. Эпоксидтің қатаюына 24 сағат қажет болғандықтан, күніне бір қабық құрастырылады – бір оптикалық құрылғыны жасауға төрт ай кетті. Нақты телескоп FPMA және FPMB деп аталатын екі бөлек фокустық жазықтық модулінен (FPM) тұрады. Бұл екі FPM ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес. Көзіне және байқауға байланысты модульдердің бірі әдетте жоғары есептерді көрсетеді. Бұл ғылыми нәтижелер кезеңінде түзетіледі, әдетте спектрлік сәйкестендіру және жарық қисығын талдау кезінде тұрақты көбейтуші қолданылады. Ұшу айналарының күтілетін нүктелік таралу функциясы 43 доға секундіне тең, бұл фокустық жазықтықта шамамен екі миллиметрлік нүктелік өлшемді береді; бұл қатты рентген сәулелерін фокустау үшін бұрын-соңды болмаған жақсы ажыратымдылық, бірақ ол Чандра рентгендік обсерваториясы ұзын толқын ұзындығында қол жеткізген ең жақсы ажыратымдылықтан жүз есе нашар.
Детektorлар
Әрбір фокус оптикасының өзінің фокустық жазықтығы модулі бар, ол қатты күйдегі кадмий мырыш теллуридінің (CdZnTe) пиксел детекторынан тұрады, оны цезий йодты (CsI) сәйкессіздікке қарсы қалқан қоршайды. Бір детектор бірлігі – немесе фокустық жазықтық – төрт (екі-екіден) детектордан тұрады, олар eV Products компаниясы өндіреді. Әрбір детектор – өлшемдері және қалыңдығы ~ болатын төртбұрышты кристалл, ол пиксельдерге (әр пиксель 12,3 доға секундты қамтиды) бөлінген және әр фокустық жазықтық модулі үшін жалпы 12 доға минуты көрініс өрісін (FoV) қамтамасыз етеді. Кадмий мырыш теллуридінің (CdZnTe) детекторлары – жоғары энергиялы фотондарды электрондарға айналдыруда өте тиімді, бөлме температурасында жұмыс істейтін жартылай өткізгіштер. Электрондар NuSTAR California Institute of Technology (CalTech) Focal Plane тобы жасаған, мақсатқа арналған интегралдық схемалар (ASIC) арқылы цифрлық түрде жазылады. Әрбір пикселдің тәуелсіз дискриминаторы бар және рентген сәулелерінің өзара әрекеттесуі оқу процесін іске қосады. Әрбір телескопқа арналған процессорлар ең үлкен импульс биіктігіне ие қатар мен бағананы анықтайды және осы пикселден, сондай-ақ оның сегіз көршісінен импульс биіктігі туралы ақпаратты оқиды. Оқиға уақыты 2 мкс-қа дейінгі дәлдікпен тіркеледі. Детектордағы оқиғаның орналасуы, энергиясы және өзара әрекеттесу тереңдігі тоғыз пикселдік сигналдардан есептеледі. Фокустық жазықтықтар детектор корпустарын қоршап тұрған цезий йодты (CsI) кристаллдарымен қоршалған. Saint Gobain өсірген кристалл қалқандар жоғары энергиялы фотондар мен ғарыштық сәулелерді тіркейді, олар NuSTAR оптикалық осінен басқа бағыттардан фокустық жазықтықты кесіп өтеді. Мұндай оқиғалар NuSTAR үшін негізгі фонды құрайды және ғарыштық көздерден жоғары энергиялы фотондарды анықтау үшін оларды дұрыс анықтап, алып тастау қажет. NuSTAR белсенді қалқаны, белсенді қалқанмен бірдей уақытта тіркелген кез келген CZT детектор оқиғасын елемеуді қамтамасыз етеді.
Негізгі ғылыми нәтижелер
NuSTAR ғарышқа ұшырылғаннан бері астрофизикалық зерттеулердің көптеген салаларында жаңа жаңалықтар жасауға мүмкіндік беріп, өзінің жан-жақтылығын көрсетті.
Аса ауыр қара тесіктің спинін өлшеу
2013 жылдың ақпан айында НАСА NuSTAR, сондай-ақ XMM Newton ғарыш обсерваториясымен бірлесіп, NGC 1365 галактикасының ортасындағы аса ірі қара тесіктің айналу жылдамдығын өлшегенін хабарлады. Қара тесік коронасынан шығатын рентген сәулелерінің жиілігінің өзгеруін өлшеу арқылы NuSTAR коронадан материалдың оқиға көкжиегіне тартылуын көруге мүмкіндік берді. Бұл қара тесіктің аккрециялық дискісінің ішкі бөліктерін рентген сәулелерімен жарықтандырды, осы құпия аймақты астрономдарға айналу жылдамдығын зерттеуге мүмкіндік туғызды. |image3=PIA18467 NuSTAR Plot BlackHole BlursLight 20140812. png|caption3=Қара тесік маңындағы рентген сәулелерінің бұлыңғырлануы (NuSTAR; 2014 жылдың 12 тамызы)
Жақын массивті қара тесіктер
2017 жылдың қаңтар айында Дарем университеті мен Саутгемптон университетінің зерттеушілері, NuSTAR деректерін пайдаланатын агенттіктер коалициясын жетектеп, жақын орналасқан NGC 1448 және IC 3639 галактикаларының ортасындағы аса зор қара тесіктерді тапқандарын жариялады.
AGN желінің температуралық өзгерістерін өлшеу
2017 жылдың 2 наурызында NuSTAR журналы Nature-де AGN IRAS 13224−3809 айналасындағы жел температурасының өзгеруін сипаттайтын мақала жариялады. Аккрециялық дискінің желдерінен келетін рентген сәулелері спектрінде сіңіру сызықтарының мерзімді түрде жоғалуын анықтау арқылы NuSTAR және XMM-Newton аккрециялық дисктен шығатын релятивистік желдердің қызу және салқындау циклдарын байқады.
Қара тесік артында шағылысқан жарықты анықтау
NuSTAR және XMM Newton ғаламшарлары Seyfert 1 галактикасы I Zwicky 1-дегі аса зор қара тесіктің артынан шыққан рентген сәулелерін анықтады. Қара тесіктің коронасынан шығатын жарық импульстарын зерттегенде, ғалымдар кейбір жарық сигналдарының қалғандарына қарағанда кешігіп келетінін және олардың жиілігінің өзгергенін байқады. Зерттеуге жетекшілік еткен Стенфорд университетінің ғалымдары бұл өзгерістің қара тесіктің қарама-қарсы жағындағы аккрециялық дискіге шағылысқан сәулеленуге тікелей байланысты екенін тұжырымдады. Бұл шағылысқан жарықтың жолы жоғары кеңістік-уақыт қисықтығымен бұрылып, бастапқы импульстан кейін детекторға жеткен.
Эддингтон шектерін бұзатын ультражарықты нейтрон жұлдызы
2023 жылдың 6 сәуірінде NuSTAR тобы M82 X 2 нейтрон жұлдызының Эддингтон шегінен асып түсетін, физикалық тұрғыдан мүмкін деп есептелгеннен де көп сәуле шығарып тұрғанын растады және оны ресми түрде Ultraluminous X сәуле көзі (ULX) деп белгіледі.