Введение
NuSTAR – одиннадцатая миссия программы малых спутников NASA Small Explorer (SMEX 11) и первый космический телескоп прямого изображения в рентгеновском диапазоне, работающий с энергиями, превышающими возможности обсерваторий Chandra X-ray Observatory и XMM Newton. Успешный запуск состоялся 13 июня 2012 года, после переноса с 21 марта 2012 года из-за проблем с программным обеспечением ракеты-носителя. Основные научные цели миссии – проведение глубокого обзора черных дыр, масса которых в миллиард раз превышает массу Солнца, исследование механизмов ускорения частиц до очень высоких энергий в активных галактиках и изучение процессов образования элементов в результате взрывов массивных звезд путем получения изображений остатков сверхновых. Завершив двухлетнюю основную миссию, NuSTAR продолжает работу.
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.
История
Предшественником NuSTAR был телескоп с высоким энергетическим фокусом (HEFT) – версия на воздушном шаре, оснащенная телескопами и детекторами, созданными с использованием аналогичных технологий. В феврале 2003 года NASA опубликовало объявление о возможности участия в программе (AoO). В ответ NuSTAR был представлен в NASA в мае 2003 года как одно из 36 предложений миссий, претендующих на звание десятой и одиннадцатой миссий Small Explorer. Программа была отменена в феврале 2006 года из-за сокращения финансирования науки в бюджете NASA на 2007 год. 21 сентября 2007 года было объявлено о возобновлении программы с ожидаемым запуском в августе 2011 года, который впоследствии был перенесен на июнь 2012 года. Главный исследователь – Фиона А. Харрисон из Калифорнийского технологического института (Caltech). Среди других ключевых партнеров – Лаборатория реактивного движения (JPL), Калифорнийский университет в Беркли, Технический университет Дании (DTU), Колумбийский университет, Центр космических полетов Годдарда (GSFC), Стэнфордский университет, Калифорнийский университет в Санта-Крузе, Государственный университет Сономы, Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора и Итальянское космическое агентство (ASI). К основным промышленным партнерам NuSTAR относятся Orbital Sciences Corporation и ATK Space Components.
Запуск
НАСА заключила контракт с Orbital Sciences Corporation на запуск NuSTAR (масса) с помощью ракеты-носителя Pegasus XL 21 марта 2012 года. После совещания по подготовке к запуску 15 марта 2012 года запуск был перенесен, чтобы предоставить время для проверки лётного программного обеспечения, используемого бортовым компьютером ракеты-носителя. Успешный запуск состоялся 13 июня 2012 года в 16:00:37 UTC. Ракета-носитель Pegasus была сброшена с самолета L-1011 "Stargazer". 22 июня 2012 года было подтверждено полное развертывание мачты.
Оптическая
В отличие от телескопов видимого света, использующих зеркала или линзы, работающие при нормальном падении, NuSTAR должен использовать оптику с отражением под скользящим углом для фокусировки рентгеновских лучей. Для этого используется оптика конструкции телескопа Вольтера с двумя коническими аппроксимациями и заданным фокусным расстоянием, установленная на конце длинной развертываемой мачты. Лазерная метрологическая система непрерывно определяет точные относительные положения оптики и фокальной плоскости, чтобы каждый зарегистрированный фотон можно было соотнести с правильной точкой на небе, даже если оптика и фокальная плоскость смещаются относительно друг друга во время экспозиции. Каждая фокусирующая оптика состоит из 133 концентрических оболочек. Одной из инноваций, обеспечивающих работу NuSTAR, является то, что эти оболочки покрыты многослойными покрытиями с градиентом глубины (чередующимися атомно тонкими слоями материалов высокой и низкой плотности). Выбор NuSTAR многослоев Pt/SiC и W/Si обеспечивает отражающую способность до 79 кэВ (энергия K-границы платины). Оптика была изготовлена в Центре космических полетов Годдарда путем нагрева тонких листов гибкого стекла в печи, чтобы они приняли форму на точно отполированных цилиндрических кварцевых оправках соответствующего радиуса. Покрытия были нанесены группой в Датском техническом университете. Затем оболочки были собраны в Лабораториях Невис Колумбийского университета с использованием графитовых прокладок, изготовленных для удержания стекла в конической форме, и скреплены эпоксидной смолой. Всего имеется 4680 зеркальных сегментов (65 внутренних оболочек состоят из шести сегментов каждая, а 65 внешних – из двенадцати; для каждой оболочки есть верхние и нижние сегменты, и имеется два телескопа); на каждый сегмент приходится пять прокладок. Поскольку эпоксидная смола затвердевает в течение 24 часов, одна оболочка собирается в день – на создание одной оптической системы ушло четыре месяца. Фактический телескоп состоит из двух отдельных модулей фокальной плоскости (FPM) – FPMA и FPMB. Эти два FPM построены по схожей схеме, хотя и не идентичны. В зависимости от источника и параметров наблюдения, один из модулей обычно регистрирует большее количество событий. Это корректируется на этапе обработки научных данных, как правило, путем применения постоянного множителя при спектральном анализе и анализе кривых блеска. Ожидаемое разрешение (размер пятна рассеяния) для бортовых зеркал составляет 43 угловые секунды, что соответствует размеру пятна около двух миллиметров в фокальной плоскости; это беспрецедентно хорошее разрешение для фокусирующей рентгеновской оптики в жестком диапазоне, хотя оно примерно в сто раз хуже, чем лучшее разрешение, достигнутое в более длинноволновом диапазоне рентгеновской обсерваторией Чандра.
Детекторы
Каждая фокусирующая оптика имеет свой модуль фокусной плоскости, состоящий из твердотельного пиксельного детектора из теллурида цинка-кадмия (CdZnTe), окруженного антисопутствующим щитом из йодида цезия (CsI). Один детекторный блок – или фокусная плоскость – состоит из четырех (два на два) детекторов, изготовленных компанией eV Products. Каждый детектор представляет собой прямоугольный кристалл размером и толщиной ~, разделенный на пикселей (каждый пиксель охватывает 12,3 дуговых секунд) и обеспечивающий общее поле зрения (FoV) в 12 дуговых минут для каждого модуля фокусной плоскости. Детекторы на основе теллурида цинка-кадмия (CdZnTe) являются передовыми полупроводниками, работающими при комнатной температуре, и очень эффективно преобразуют фотоны высокой энергии в электроны. Электроны записываются в цифровом виде с использованием специализированных интегральных схем (ASIC), разработанных командой фокусной плоскости NuSTAR Калифорнийского технологического института (CalTech). Каждый пиксель имеет независимый дискриминатор, и каждое отдельное рентгеновское взаимодействие запускает процесс считывания. Бортовые процессоры, по одному на каждый телескоп, определяют строку и столбец с наибольшей амплитудой импульса и считывают информацию об амплитуде импульса с этого пикселя, а также с его восьми соседей. Время события регистрируется с точностью 2 мкс относительно бортовых часов. Местоположение события, его энергия и глубина взаимодействия в детекторе вычисляются на основе сигналов с девяти пикселей. Фокусные плоскости экранированы кристаллами йодида цезия (CsI), окружающими корпуса детекторов. Кристаллические щиты, выращенные компанией Saint Gobain, регистрируют фотоны высокой энергии и космические лучи, пересекающие фокусную плоскость с направлений, отличных от направления оптической оси NuSTAR. Такие события являются основным фоном для NuSTAR и должны быть правильно идентифицированы и вычтены для обнаружения фотонов высокой энергии из космических источников. Активная экранировка NuSTAR гарантирует, что любое событие в CZT-детекторе, совпадающее с событием в активной экранировке, игнорируется.
Основные научные результаты
NuSTAR продемонстрировал свою универсальность, открывая путь ко множеству новых открытий в широком спектре областей астрофизических исследований с момента запуска.
Измерение спина сверхмассивной черной дыры
В феврале 2013 года НАСА сообщило, что NuSTAR, совместно с космической обсерваторией XMM Newton, измерил скорость вращения сверхмассивной черной дыры в центре галактики NGC 1365. Измеряя изменение частоты рентгеновского излучения, испускаемого из короны черной дыры, NuSTAR смог наблюдать, как материал из короны приближается к горизонту событий. Это привело к освещению внутренних частей аккреционного диска черной дыры рентгеновскими лучами, что позволило астрономам изучать эту трудноуловимую область для определения скорости вращения. |image3=PIA18467 NuSTAR Plot BlackHole BlursLight 20140812. png|caption3=Размытие рентгеновского излучения вблизи черной дыры (NuSTAR; 12 августа 2014 г.)
Ближайшие сверхмассивные черные дыры
В январе 2017 года исследователи из Университета Дарема и Университета Саутгемптона, возглавляющие коалицию организаций, использующих данные NuSTAR, объявили об обнаружении сверхмассивных черных дыр в центрах ближайших галактик NGC 1448 и IC 3639.
Измерение температурных колебаний ветра AGN
2 марта 2017 года NuSTAR опубликовал статью в журнале Nature, посвященную наблюдениям за колебаниями температуры ветра вокруг AGN IRAS 13224−3809. Обнаружив периодическое исчезновение линий поглощения в рентгеновском спектре ветров аккреционного диска, NuSTAR и XMM-Newton зафиксировали циклы нагрева и охлаждения релятивистских ветров, истекающих из аккреционного диска.
Обнаружение света, отражающегося за черной дырой
NuSTAR и XMM Newton обнаружили рентгеновское излучение, исходившее из-за сверхмассивной черной дыры в галактике Seyfert 1 I Zwicky 1. Изучая вспышки света, испускаемые короной черной дыры, исследователи заметили, что часть обнаруженного света достигала детектора с задержкой по сравнению с остальным, с соответствующим изменением частоты. Команда ученых из Стэнфордского университета, руководившая исследованием, заключила, что это изменение напрямую связано с отражением излучения от вспышки от аккреционного диска на противоположной стороне черной дыры. Траектория этого отраженного света была искривлена сильной кривизной пространства-времени и направлена к детектору после первоначальной вспышки.
Ультрасветящаяся нейтронная звезда нарушает предел Эддингтона
6 апреля 2023 года команда NuSTAR подтвердила, что нейтронная звезда M82 X-2 излучает больше излучения, чем физически возможно согласно пределу Эддингтона, и официально классифицировала её как источник ультраярких рентгеновских лучей (ULX).