リンクスX線天文台

リンクスX線天文台

リンクスX線天文台
名前	リンクスX線サーベイヤー（旧称）
ミッションタイプ	宇宙望遠鏡
オペレーター	米航空宇宙局（NASA）
Webサイト	詳しくはこちら
ミッション開始
発売日	2036年（予定）
軌道パラメータ
参照システム	太陽-地球L2軌道
主要
タイプ	ウォルター望遠鏡
直径	3メートル（9.8フィート）
焦点距離	10メートル（33フィート）
収集エリア	1 keVで2 m 2 (22 平方フィート)
波長	X線
解決	視野全体で0.5秒角
楽器
Lynx X線ミラーアセンブリ（LMA） 高解像度X線イメージャー（HDXI） Lynx X線マイクロカロリメータ（LXM） X線グレーティングスペクトロメータ（XGS）
リンクスX線天文台のワードマーク 大規模な戦略的科学ミッション

Lynx X線天文台（Lynx）は、米国科学アカデミーの2020年天文学および天体物理学10年計画の一環として委託された、 NASAが資金提供している大規模ミッション概念研究です。概念研究段階は2019年8月時点で完了しており、Lynx最終報告書^[1]は優先順位付けのために10年計画に提出されています。打ち上げられれば、Lynxはこれまでに建設された中で最も強力なX線天文台となり、現在のチャンドラX線天文台やXMMニュートン宇宙望遠鏡よりも桁違いに能力が向上します^[2]。

2016年、NASAは、いわゆる2013年の天体物理学ロードマップで示された勧告に従い、将来の大型戦略科学ミッションのための4つの宇宙望遠鏡の概念研究を確立した。リンクス（ロードマップ文書では当初X線サーベイヤーと呼ばれていた）に加えて、それらは、居住可能な太陽系外惑星イメージングミッション（HabEx）、大型紫外線光学赤外線サーベイヤー（LUVOIR）、およびオリジンズ宇宙望遠鏡（OST、当初は遠赤外線サーベイヤーと呼ばれていた）である。4つのチームは2019年8月に最終報告書を完成させ、NASAと米国科学アカデミーの両方に引き渡した。米国科学アカデミーの独立した10年調査委員会は、どのミッションを最優先にすべきかについてNASAに助言している。最優先で資金が確保されれば、リンクスは2036年頃に打ち上げられることになる。太陽・地球間の第2ラグランジュ点（L2）のハロー軌道に配置され、20年以上の無修理運用に十分な燃料を搭載することになる。^{[1] [2]}

リンクスのコンセプト研究には、複数の国際学術機関、航空宇宙、エンジニアリング企業から200人を超える科学者とエンジニアが参加しました。 ^[3]リンクスの科学技術定義チーム（STDT）は、アレクセイ・ヴィクリニンとフェリアル・エゼルが共同議長を務めました。ジェシカ・ガスキンはNASAの研究科学者であり、マーシャル宇宙飛行センターは、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの一部であるスミソニアン天体物理観測所と共同でリンクス研究オフィスを管理しました。

概念研究の最終報告書によると、Lynx設計基準ミッションは、次の 3 つの天体物理学的発見分野で大きな進歩を可能にするために意図的に最適化されました。

• ブラックホールの夜明け（リンクスレポート第1章）
• 銀河の形成と進化の原動力（Lynx Report、第 2 章）
• 恒星の進化と恒星の生態系のエネルギー特性（Lynx Report、第 3 章）

これらは総合的に、天文台の基準要件を定める 3 つの「科学の柱」として機能します。これらの要件には、大幅に向上した感度、望遠鏡の視野全体で安定したサブ秒 角の点像分布関数、および画像化と格子分光法の両方における非常に高いスペクトル分解能が含まれます。これらの要件により、マルチメッセンジャー天文学、ブラックホール降着物理学、大規模構造、太陽系科学、さらには太陽系外惑星など、天体物理学の分野全体に大きく貢献する幅広い科学事例が可能になります ( Lynxレポートの第 4 章に要約されています)。Lynxチームは、 NASAのGreat Observatories プログラムの精神に触発され、ミッションの科学能力を「変革的に強力、柔軟、長寿命」と宣伝しています。

概念研究の最終報告書の第 6 章から第 10 章で説明されているように、Lynxは、斜入射X 線望遠鏡と、個々の X 線光子の位置、エネルギー、到着時間を記録する検出器を備えたX線観測所として設計されています。事後アスペクト再構築により、検出された光子の正確な天空位置を可能にしながら、指向精度と安定性に関する要件が中程度になります。Lynx宇宙船の設計は、可動部品が少なく、高度な技術準備レベルの要素を備えたChandra X 線観測所から大幅に引き継がれています。Lynxは、安定した環境で高い観測効率を実現するために、太陽 - 地球 L2のハロー軌道で動作します。軌道上での操作と運用手順はChandraとほぼ同じであり、同様の設計アプローチにより長寿命が促進されています。宇宙でのメンテナンスがなくても、Lynx は少なくとも 20 年間の連続運用を可能にするのに十分な消耗品を搭載します。しかし、宇宙船とペイロード要素は修理可能なように設計されており、さらに長い寿命を可能にする可能性があります。

Lynx設計基準ミッションにおける感度、空間分解能、スペクトル分解能の大幅な向上は、宇宙船のペイロード、すなわちミラー アセンブリと 3 つの科学機器のセットによって実現されました。Lynxレポートでは、ペイロードの各要素が最先端の技術を備えていると同時に、過去 20 年間の既存の計測技術開発の自然な進化を表していると指摘しています。主要な技術は現在、技術成熟度レベル(TRL) 3 または 4にあります。Lynxレポートでは、2020 年代初頭に 3 年間のプレフェーズ A 開発を目標にすることで、4 つの主要な技術のうち 3 つが TRL 5 に成熟し、フェーズ A の開始までに 1 つが TRL 4 に到達し、その後すぐに TRL 5 を達成すると指摘しています。Lynxペイロードは、次の 4 つの主要な要素で構成されています。

• Lynx X 線ミラー アセンブリ(LMA): LMA は観測所の中心的な要素であり、感度、分光スループット、調査速度、およびChandraと比較して大幅に改善されたオフ アクシス性能による大幅に改善された画像化において大きな進歩を可能にしています。Lynx設計基準ミッションは、シリコン メタシェル オプティクス (SMO) と呼ばれる新しいテクノロジをベースラインとしています。これは、ほぼ純粋なシリコンの非常に薄く高度に研磨されたセグメントを何千も積み重ねて、密集した同心シェルを形成するものです。 Lynx用に検討された 3 つのミラー テクノロジのうち、SMO 設計は現在、実証されたパフォーマンスの点で最も進んでいます (すでにLynxに求められるレベルに近づいています)。 SMO の高度にモジュール化された設計は、並列化された製造および組み立てに適しており、高い耐障害性も提供します。つまり、個々のミラー セグメントまたはモジュールが破損した場合でも、スケジュールとコストへの影響は最小限に抑えられます。
• 高解像度 X 線イメージャー(HDXI): HDXI はLynxのメインイメージャーで、広い視野(FOV)にわたって高い空間分解能と 0.2～10 keVバンドパスにわたって高い感度を提供します。0.3秒角(0.3 インチ)のピクセルは、22 フィート × 22 フィートの FOV にわたってLynxミラーの点像分布関数を適切にサンプリングします。HDXI の 21 個の個別センサーは、軸外 PSF を改善するために最適な焦点面に沿って配置されています。Lynx DRM は相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) アクティブ ピクセル センサー (APS) テクノロジを使用しており、必要な機能 (高い読み出し速度、高い広帯域量子効率、十分なエネルギー分解能、最小限のピクセルクロストーク、放射線耐性) を備えていると予測されています。 Lynxチームは、同等の TRL 評価 (TRL 3) と健全な TRL 向上ロードマップを備えた 3 つのオプション (モノリシック CMOS、ハイブリッド CMOS、CMOS 読み出し機能付きデジタルCCD)を特定しました。現在、これらすべてに技術開発の資金が投入されています。
• Lynx X 線マイクロカロリメータ(LXM): LXM は、硬 X 線と軟 X 線の両方の帯域で高分解能( R約 2,000)と高空間分解能 (最小 0.5 インチ スケール) を提供するイメージング分光計です。Lynxの科学要件の多様な範囲を満たすために、 LXM焦点面には同じ読み出し技術を共有する 3 つのアレイが含まれています。各アレイは、吸収体のピクセル サイズと厚さ、および吸収体が熱読み出しに接続される方法によって区別されます。ピクセルの総数は 100,000 を超えており、過去および現在計画中の X 線マイクロカロリメータに比べて大きな飛躍です。この大幅な改善には、多額の追加コストはかかりません。LXM アレイのうち 2 つは、複数の吸収体が 1 つの温度センサーに接続される、シンプルで既に実証済みの「熱」多重化アプローチを採用しています。この設計により、読み取るセンサーの数 (X 線マイクロカロリメータの主な電力およびコスト要因の 1 つ) は約 7,600 になります。これは、Athena の X-IFU 機器に計画されている数よりもわずかに増加しただけです。2019 年春の時点で、3 つのアレイすべてを 2/3 フル サイズで含む焦点面のプロトタイプが作成されました。これらのプロトタイプは、Lynx に必要なピクセル フォーム ファクター、サイズ、配線密度を備えたアレイが、高い歩留まりで容易に実現可能であることを示しています。さまざまなピクセル タイプのエネルギー分解能要件も容易に達成できます。LXM は技術的にはまだ TRL 3 ですが、2020 年までに TRL 4、2024 年までに TRL 5 を達成するための明確な道筋があります。
• X線グレーティング分光計(XGS): XGS は、点光源の軟 X 線帯域でさらに高いスペクトル分解能 ( R = 5,000、目標 7,500)を提供します。現在の最先端技術 ( Chandra ) と比較すると、XGS は 5 倍以上のスペクトル分解能と数百倍のスループットを提供します。これらの向上は、X 線グレーティング技術の最近の進歩によって可能になりました。2 つの有力な技術候補は、臨界角透過 ( Lynx DRM で使用) とオフプレーン反射グレーティングです。どちらも完全に実現可能で、現在 TRL 4 であり、最近の X 線テストで約 10,000 の高効率と分解能が実証されています。

チャンドラ X 線天文台の経験は、Lynx の運用に必要なシステムを開発するための青写真となり、ゼロから始める場合に比べて大幅なコスト削減につながります。これは、科学者、エンジニア、プログラマーのシームレスで統合されたチームを擁する科学および運用センターの単一の主契約者から始まります。チャンドラ用に開発されたシステム設計、手順、プロセス、アルゴリズムの多くは Lynx に直接適用できますが、すべてが 2030 年代以降に適したソフトウェア/ハードウェア環境で作り直されます。

Lynx の科学的影響は、3 つの科学的柱に関連するものも含め、提案されたすべての観測をピアレビューにかけることで最大化されます。時間の事前割り当ては、事前に選択された空の領域での調査など、少数の多目的主要プログラムについてのみ検討できます。このようなオープンな一般観測者 (GO) プログラム アプローチは、ハッブル宇宙望遠鏡、チャンドラ X 線天文台、スピッツァー宇宙望遠鏡などの大規模ミッションで成功裏に採用されており、ジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡とナンシー グレース ローマン宇宙望遠鏡でも計画されています。Lynx GO プログラムには、科学の柱の目的を達成し、天体物理学全体に影響を与え、新しい探究の方向を開き、これまで想像もできなかった発見を生み出すのに十分な露出時間があります。

Lynx X線天文衛星のコストは、48億～62億ドルと見積もられています（それぞれ2020会計年度の ドルで40%と70%の信頼水準）。この見積りコストの範囲には、打ち上げロケット、費用準備金、および5年間のミッション運用資金が含まれますが、潜在的な外国からの寄付（欧州宇宙機関（ESA）の参加など）は除外されています。概念研究の最終報告書のセクション8.5で説明されているように、 Lynxチームは5つの独立したコスト見積りを委託しましたが、そのすべてでミッションライフサイクル全体のコストについて同様の見積りが導き出されました。

• 高エネルギー天体物理学のための先進望遠鏡
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