ロブスターアイ光学系

ロブスターアイ光学系は、 X線光学系で使用される、超広視野角のロブスターの目の構造に基づいた生体模倣設計です。この構成により、X線光が複数の角度から入射し、他のX線望遠鏡よりも広い領域からより多くのX線を捕捉できます。このアイデアは、もともと1979年にロジャー・エンジェルによってX線天文学での使用のために提案され、同様のアイデアは1975年にWKHシュミットによって以前に発表されました。2012年にNASAによって弾道観測ロケット実験で初めて使用されました。中国の技術実証衛星であるロブスターアイ天文学用イメージャーは、2022年に打ち上げられました。2024年に打ち上げられた中国のアインシュタイン探査機は、ロブスターアイ光学系を使用する最初の主要な宇宙望遠鏡です。現在、他のいくつかの同様の宇宙望遠鏡が開発中または検討中です。

説明

ほとんどの動物は屈折する目を持っていますが、ロブスターや他の甲殻類は反射する目を持っています。 ^[2]甲殻類の目には細胞の塊があり、それぞれが特定の方向から少量の光を反射します。ロブスターの目の光学技術はこの反射構造を模倣しています。この配置により、広い視野からの光を 1 つの画像に焦点を合わせることができます。光学系はマイクロチャンネルプレートで作られています。X 線光は複数の角度からこれらのプレート内の小さなチューブに入り、広い視野を与える斜入射反射によって焦点を合わせます。これにより、事前に予測できなかった一時的な天文イベントの位置を特定して画像化することが可能になります。 ^[3]

ロブスターアイ光学系の視野（FoV）は、光学プレートから曲率中心までの立体角であり、与えられた曲率半径に対する光学系のサイズによってのみ制限されます。マイクロポア光学系は基本的にすべての方向で球面対称であるため、理論的には、理想的なロブスターアイ光学系は、 FoVの端の近くを除いて、ケラレがほとんど発生しません。 ^[4]マイクロポアイメージャーは、ウォルターI型光学設計に近似したロブスターアイ光学系の複数の層から作成されます。^[2]

歴史

X線の斜入射反射を利用してX線画像を生成する幾何学的形状は、ウォルターシステム、カークパトリック・バエズシステム、ロブスターアイ幾何学の3つだけが知られています。 ^[5]

ロブスターアイX線光学系の設計は、1979年にロジャー・エンジェルによって初めて提案されました。^[6]^{[7]彼の設計は}カークパトリック・バエズ光学系に基づいていますが、正方形の断面を持つ細孔を必要とし、「エンジェルマルチチャンネルレンズ」と呼ばれています。^[5]この設計は、ロブスターの目の反射特性から直接インスピレーションを得ました。^[1]^[4]エンジェル以前には、1975年にWKHシュミットによって、一連の平らな反射面からなる1次元配置を伴う代替設計が提案されており、「シュミット集束コリメータ対物レンズ」として知られています。^[5]^[8]^[9] 1989年、物理学者のキース・ニュージェントとスティーブン・W・ウィルキンスは、エンジェルとは独立してロブスターアイ光学系を共同開発しました。このロブスターアイアプローチは、空を360度見渡せるX線望遠鏡への道を開いた。^[10]

1992 年、フィリップ E. カーレットとフィリップガイスビューラーは、マイクロチャンネルプレートを使用してロブスターアイ光学系を作成するための新しい方法を提案しました。^[11]ロブスターアイ光学系に必要な微細孔は製造が難しく、厳しい要件があります。孔の幅は 0.01 ～ 0.5 mm で、長さと幅の比は 20 ～ 200 (X 線エネルギー範囲によって異なります) である必要があります。また、X 線反射を最適化するために、高密度材料でコーティングする必要があります。孔の内壁は平らで、曲率半径2F の球面上に高密度に配列されている必要があります。これにより、開口率が 50% 以上になり、共通の中心に向かって 0.1 ～ 5 分角の孔の位置合わせ精度が確保されます。^[5]

同様の光学設計には、ハニカムコリメータ（NEARシューメーカーのXGRS検出器とMESSENGERのXRSで使用）とシリコンポアイメージャー（ESAが計画しているATHENAミッションのために開発）がある。^[2]

用途

NASAは2012年にブラックブラントIX弾道探査ロケットで最初のロブスターアイ撮像装置を打ち上げた。STORM /DXL装置（局所銀河からの質量/拡散X線放射の再分布のためのシース輸送観測装置）には、カークパトリック・バエズシステムを形成するために配列された微細孔反射鏡が搭載されていた。^[12]^{[13] 2018年に打ち上げられた} ESAとJAXAの共同水星探査ミッションであるベピコロンボには、ロブスターアイ微細孔設計に似たマイクロチャネル形状の非撮像コリメータMIXS-Cが搭載されている。^[8]^[14]

CNSAは2020年にロブスターアイX線衛星を打ち上げた。これは軌道上にある初のロブスターアイ望遠鏡である。^[15] 2022年には、中国科学院が広視野X線撮像宇宙望遠鏡であるロブスターアイ天文学用撮像素子（LEIA）を製作し打ち上げた。これはアインシュタイン探査機のセンサー設計をテストする技術実証ミッションである。^[16] LEIAには340平方度の視野を与えるセンサーモジュールがある。^[16] 2022年8月と9月、LEIAはその機能性を検証するための測定を実施した。銀河中心、マゼラン雲、スコピエX-1、カシオペア座A、白鳥座ループ、およびいくつかの銀河系外源を含む、事前に選択された多数の天空領域とターゲットが観測された。太陽光による干渉を排除するため、観測は地球の影の中で行われ、衛星が影に入ってから2分後から始まり、影から出る10分前に終了したため、各軌道での観測時間はおよそ23分となった。CMOS検出器はイベントモードで動作していた。^[4]

LEIAが0.5～4keVで798秒間のワンショット観測で得た銀河中心領域の初光X線画像。視野は18°×18°（左）。色はピクセルあたりのカウント数を表す。^[4]
左：LEIAで673秒の露出で観測された0.5～4 keVのSco X-1のX線画像。右：604秒の観測で得られた直径約2fdg5の白鳥座ループ星雲のX線画像。色は光子エネルギーを表す。^[4]

現在および将来の宇宙望遠鏡

アインシュタイン探査機は、中国科学院（CAS）が欧州宇宙機関（ESA）、マックス・プランク地球外物理学研究所と共同で計画している探査機で、2024年1月9日に打ち上げられた。^[17]この探査機は、12個のセンサーモジュールを備えた広視野X線望遠鏡を使用しており、3600平方度の視野を実現しており、ロブスターアイ天文学イメージャーミッションで初めてテストされた。^[16]

フランスと中国の共同SVOMは2024年6月22日に開始されました。^[18]

NASAゴダード宇宙センターは、 ISS-TAOミッション（国際宇宙ステーションの一時天体物理観測装置）にロブスターアイ設計を採用したX線広視野撮像装置を提案した。^[3] ISS-ロブスターはESAによる同様のコンセプトである。^[19]

ロブスターアイ光学系を採用した宇宙望遠鏡がいくつか建設中である。ESAとCASによる宇宙望遠鏡プロジェクトSMILEは2025年に打ち上げられる予定である。^[20] ESAのTHESEUSが現在検討中である。^[21]

その他の用途

ロブスターアイ光学系は、国土安全保障、即席爆発装置の検出、非破壊検査、医療用画像処理のための後方散乱画像化にも使用できます。^[1]

参考文献

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