ニュースター

ニュースター

NuSTAR（エクスプローラー93）衛星
名前	エクスプローラー93 核分光望遠鏡アレイ SMEX-11
ミッションタイプ	X線天文学
オペレーター	NASA  /ジェット推進研究所
コスパーID	2012-031A
SATCAT番号	38358
Webサイト	翻訳：
ミッション期間	2年（予定） 12年5ヶ月16日（進行中）
宇宙船の特性
宇宙船	エクスプローラーXCIII
宇宙船の種類	核分光望遠鏡アレイ
バス	LEOStar-2
メーカー	オービタル・サイエンシズ・コーポレーション ATK スペースコンポーネント
打ち上げ質量	350 kg (770 ポンド) [1]
ペイロード質量	171 kg (377 ポンド)
寸法	1.2 × 10.9 m (3 フィート 11 インチ × 35 フィート 9 インチ)
力	750ワット[2]
ミッション開始
発売日	2012年6月13日 16:00:37 UTC [3]
ロケット	ペガサスXL（F41）
発射場	クェゼリン環礁、スターゲイザー
請負業者	オービタル・サイエンシズ・コーポレーション
軌道パラメータ
参照システム	地球中心軌道
政権	近赤道軌道
近地点高度	596.6 km (370.7 マイル)
遠地点高度	612.6 km (380.7 マイル)
傾斜	6.027°
期間	96.8分
メイン望遠鏡
タイプ	ウォルターI型
焦点距離	10.15メートル（33.3フィート）[2]
収集エリア	9 keV: 847 cm 2 (131.3 平方インチ) 78 keV: 60 cm 2 (9.3 平方インチ)
波長	3～79 keV
解決	9.5秒角
楽器
デュアルX線望遠鏡
エクスプローラープログラム

NuSTAR（核分光望遠鏡アレイ、エクスプローラー93、SMEX-11とも呼ばれる）は、 NASAの宇宙ベースのX線望遠鏡であり、ウォルター望遠鏡の円錐近似を使用して、特に核分光法のために天体物理学的源からの高エネルギーX線を集束し、3〜79 keVの範囲で動作します。^[4]

NuSTARはNASAの小型探査機（SMEX-11）計画の11番目のミッションであり、チャンドラX線観測衛星やXMMニュートンを超えるエネルギーを持つ初の宇宙直接撮像X線望遠鏡である。打ち上げロケットのソフトウェア問題により2012年3月21日から延期されていたが、2012年6月13日に無事に打ち上げられた。^{[5] [6]}

このミッションの主な科学的目標は、太陽の10億倍の質量を持つブラックホールの詳細な調査を実施し、活動銀河で粒子が超高エネルギーに加速される仕組みを調査し、超新星残骸を撮影することで大質量星の爆発で元素がどのように生成されるかを理解することです。

NuSTARは2年間の主要ミッションを完了し、^[7]運用開始から12年目を迎えています。

NuSTARの前身である高エネルギー集束望遠鏡（HEFT）は、同様の技術を使用して構築された望遠鏡と検出器を搭載した気球搭載型でした。2003年2月、NASAはエクスプローラープログラムの機会告知（AoO）を発行しました。それに応じて、NuSTARは、10番目と11番目の小型エクスプローラーミッションとなることを競う36のミッション提案の1つとして、2003年5月にNASAに提出されました。^[5] 2003年11月、NASAはNuSTARと他の4つの提案を5か月間の実装実現可能性調査に選びました。

2005年1月、NASAは1年間の実現可能性調査を待ってNuSTARの飛行を決定した。^[8]このプログラムは、NASAの2007年度予算における科学予算の削減の結果、2006年2月に中止された。2007年9月21日、プログラムが再開され、2011年8月に打ち上げが予定されていたが、後に2012年6月に延期されたと発表された。 ^{[6] [9] [10] [11]}

主任研究者はカリフォルニア工科大学（Caltech）のフィオナ・A・ハリソン氏です。その他の主なパートナーには、ジェット推進研究所（JPL）、カリフォルニア大学バークレー校、デンマーク工科大学（DTU）、コロンビア大学、ゴダード宇宙飛行センター（GSFC）、スタンフォード大学、カリフォルニア大学サンタクルーズ校、ソノマ州立大学、ローレンス・リバモア国立研究所、イタリア宇宙機関（ASI）などがあります。NuSTARの主な産業界パートナーには、オービタル・サイエンシズ・コーポレーションやATKスペース・コンポーネンツなどがあります。

NASAはオービタル・サイエンシズ社と契約し、NuSTAR（質量350kg（770ポンド））^[12]をペガサスXLロケットで2012年3月21日に打ち上げた^。[6]当初は2011年8月15日、2012年2月3日、2012年3月16日、2012年3月14日に予定されていた。 ^[13] 2012年3月15日の打ち上げ会議の後、打ち上げロケットのフライトコンピューターが使用するフライトソフトウェアを確認する時間を確保するため、打ち上げはさらに延期された。^[14]打ち上げは2012年6月13日16:00:37 UTC ^[3]にクェゼリン環礁の南約117マイル（188km）で成功裏に実施された。^[15]ペガサスロケットはL-1011「スターゲイザー」航空機から投下された。^{[12] [16]}

2012年6月22日、10メートル（33フィート）のマストが完全に展開されたことが確認された。^[17]

通常の入射で作動するミラーやレンズを使用する可視光望遠鏡とは異なり、NuSTAR は、X 線を集束できるように斜入射光学系を使用する必要があります。この 2 つの円錐近似ウォルター望遠鏡設計では、焦点距離が 10.15 m (33.3 フィート) の光学系が、長い展開可能なマストの端に保持されます。レーザー計測システムを使用して、光学系と焦点面の正確な相対位置を常に決定します。これにより、露出中に光学系と焦点面が互いに対して移動した場合でも、検出された各光子を空の正しいポイントにマッピングできます。

各集光光学系は133個の同心シェルで​​構成されています。NuSTARを可能にする特別な革新の1つは、これらのシェルが深さ方向に傾斜した多層膜（高密度材料と低密度材料の交互になった原子レベルの薄層）でコーティングされていることです。NuSTARが選択したPt / SiCおよびW / Si多層膜により、最大79 keV（プラチナKエッジエネルギー）までの反射率が可能になります。^{[18] [19]}

この光学系は、ゴダード宇宙飛行センターで、適切な半径の精密に研磨された円筒形の石英マンドレルの上に載せられるように、薄い（210μm（0.0083インチ））柔軟なガラス板をオーブンで加熱して製造されました。コーティングは、デンマーク工科大学のグループによって施されました。

その後、コロンビア大学のネビス研究所で、ガラスを円錐形に拘束するために機械加工されたグラファイトスペーサーを使用してシェルが組み立てられ、エポキシで固定されました。合計で 4680 個のミラーセグメントがあります (65 個の内側シェルはそれぞれ 6 つのセグメントで構成され、65 個の外側シェルは 12 個のセグメントで構成されます。各シェルには上部セグメントと下部セグメントがあり、2 つの望遠鏡があります)。セグメントごとに 5 つのスペーサーがあります。エポキシは硬化に 24 時間かかるため、1 日に 1 つのシェルが組み立てられます。つまり、1 つの光学系を組み立てるのに 4 か月かかりました。

実際の望遠鏡は、FPMA と FPMB というラベルの付いた 2 つの別々の焦点面モジュール (FPM) で構成されています。これら 2 つの FPM は、同一ではありませんが、類似するように構築されています。ソースと観測に応じて、通常、モジュールの 1 つがより高いカウントを報告します。これは、科学結果のステップで、通常はスペクトルフィッティングと光度曲線分析中に定数乗数を適用することによって修正されます。^[20]

飛行ミラーの予想される点像分布関数は 43秒角で、焦点面でのスポットサイズは約 2 ミリメートルになります。これは、硬 X 線光学系の焦点合わせとしては前例のない優れた解像度ですが、チャンドラ X 線観測衛星によってより長い波長で達成された最高の解像度より約 100 倍劣っています。

各集束光学系には独自の焦点面モジュールがあり、固体カドミウム亜鉛テルル化物（CdZnTe）ピクセル検出器^{[21]と、その周囲を}セシウムヨウ化物（CsI）アンチコインシデンスシールドで囲まれた構成になっています。1 つの検出器ユニット、つまり焦点面は、eV Products 製の 4 つの（2 x 2）検出器で構成されています。各検出器は、寸法 20 × 20 mm（0.79 × 0.79 インチ）、厚さ約 2 mm（0.079 インチ）の長方形結晶で、32 × 32 × 0.6 mm（1.260 × 1.260 × 0.024 インチ）のピクセル（各ピクセルの範囲は 12.3 秒角）にグリッド化されており、各焦点面モジュールで 合計 12 分の視野（FoV）を提供します。

カドミウム亜鉛テルル化物 (CdZnTe) 検出器は最先端の室温半導体で、高エネルギー光子を電子に変換する効率が非常に高い。電子は、カリフォルニア工科大学(CalTech)の NuSTAR 焦点面チームが設計したカスタム ASIC (特定用途向け集積回路)を使用してデジタル記録される。各ピクセルには独立した弁別器があり、個々の X 線相互作用によって読み出しプロセスがトリガーされる。各望遠鏡に 1 つずつ搭載されたプロセッサが、パルス高が最大の行と列を識別し、このピクセルと 8 つの隣接ピクセルからパルス高情報を読み出します。イベント時間は、オンボード クロックを基準として 2 μs の精度で記録されます。イベントの位置、エネルギー、検出器内での相互作用の深さは、9 ピクセルの信号から計算されます。^{[22] [23]}

焦点面は、検出器ハウジングを取り囲むヨウ化セシウム(CsI) 結晶によって遮蔽されています。Saint -Gobain 社が開発した結晶シールドは、NuSTAR 光軸以外の方向から焦点面を横切る高エネルギー光子と宇宙線を検出します。このようなイベントは NuSTAR の主な背景であり、宇宙源からの高エネルギー光子を識別するには、適切に識別して差し引く必要があります。NuSTAR アクティブ シールドにより、アクティブ シールド イベントと一致する CZT 検出器イベントはすべて無視されます。

NuSTAR は、その多用途性を実証し、打ち上げ以来、天体物理学研究のさまざまな分野で多くの新たな発見への道を開いてきました。

2013年2月、NASAはNuSTARがXMM-ニュートン宇宙望遠鏡と共同で、銀河NGC 1365の中心にある超大質量ブラックホールの回転速度を測定したと発表しました。^[24]ブラックホールコロナから放出されるX線光の周波数変化を測定することで、NuSTARはコロナの物質が事象の地平線に引き寄せられる様子を観測することができました。これにより、ブラックホールの降着円盤の内部がX線で照らされ、天文学者はこの捉えどころのない領域の回転速度を研究できるようになりました。^[24]

NuSTARの主な目的の1つは、超新星残骸の放射性物質を地図化することで、星の爆発の特徴を明らかにすることである。カシオペヤAのNuSTAR地図は、チタン44同位体が残骸の中心に固まって集中していることを示しており、星がどのように爆発したかという謎の解決の可能性を示している。研究者がコンピューターで超新星爆発をシミュレートすると、巨大な星が死んで崩壊すると、主な衝撃波が失速し、星が砕け散らないことがよくある。最新の研究結果は、爆発した星が文字通り揺れ動き、失速した衝撃波に再びエネルギーを与え、星が最終的に外層を吹き飛ばしたことを強く示唆している。^[26]

2017年1月、ダラム大学とサウサンプトン大学の研究者らは、NuSTARデータを使用する機関連合を率いて、近隣の銀河NGC 1448とIC 3639の中心に超大質量ブラックホールを発見したと発表した。 ^{[27] [28] [29]}

2017年3月2日、NuSTARは、AGN IRAS 13224−3809の周囲の風の温度変化の観測を詳述した論文をNatureに発表しました。降着円盤の風からのX線スペクトルの吸収線の周期的な欠落を検出することで、NuSTARとXMM-Newtonは、降着円盤を離れる相対論的風の加熱と冷却のサイクルを観測しました。^{[30] [31]}

NuSTARとXMM-Newtonは、セイファート1銀河Iツヴィッキー1内の超大質量ブラックホールの背後から放射されたX線を検出した。ブラックホールのコロナから放射された閃光を研究したところ、検出された光の一部は他の光よりも遅れて検出器に到達し、それに応じて周波数が変化することに研究者らは気づいた。研究を主導したスタンフォード大学の科学者チームは、この変化はブラックホールの反対側にある降着円盤で反射した閃光からの放射に直接起因すると結論付けた。この反射光の進路は高い時空曲率によって曲げられ、最初の閃光の後に検出器に向けられた。^{[32] [33]}

2023年4月6日、NuSTARチームは中性子星M82 X-2がエディントン限界により物理的に考えられていたよりも多くの放射線を放出していることを確認し、正式に超高輝度X線源（ULX）と名付けました。^{[34] [35]}

• エクスプローラープログラム
• 重力と極限磁気、偏光を測定する硬X線望遠鏡（2012年に中止）
• ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、赤外線望遠鏡が2021年12月25日に打ち上げられた
• XRISM、日本とアメリカの共同X線望遠鏡
• X線宇宙望遠鏡のリスト

ウィキメディア・コモンズにはNuSTARに関連するメディアがあります。

• NuSTAR ウェブサイト (nasa.gov)
• NuSTAR ウェブサイト (caltech.edu)
• NuSTAR X線観測衛星の構築、打ち上げ、使用、MITカブリ天体物理学・宇宙研究所のメラニア・ニンカによる講演

さらに読む

• クレイグ、デイビッド J. (2010 年春)。「X 線スペック」(PDF)。コロンビア大学: 24–27。
• Harrison, Fiona A.; Boggs, Steve; Christensen, Finn; Craig, William; Hailey, Charles; et al. (2010年7月29日). Arnaud, Monique; Murray, Stephen S.; Takahashi, Tadayuki (編). The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) (PDF) . Space Telescopes and Instrumentation 2010: Ultraviolet to Gamma Ray. Vol. 7732. p. 77320S. arXiv : 1008.1362 . Bibcode :2010SPIE.7732E..0SH. doi :10.1117/12.858065. S2CID  121923451. 2011年7月17日時点のオリジナル(PDF)よりアーカイブ。