NuSTAR

Nuclear Spectroscopic Telescope Array

nustar image.jpg

I. Introducere

Voi descrie funcționarea unui telescop spațial ce observă radiația-X emisă de obiectele cosmice, de la designul opticii, la tipul de dector folosit, în cazul telescopului spațial NuSTAR.

Pentru colectarea fotonilor în cazul razelor-X, care nu trec prin atmosfera planetei noastre, ne trebuie o altă abordare, generată de reflexia sub unghi mic a razelor-X. Datorită energiei mari a razelor-X, ele tind să treacă prin orice tip de material, inclusiv oglinzi. Orientarea obișnuită (perpendiculară pe axa optică) a unei oglinzi de telescop, ca în domeniul optic, infraroșu sau radio, nu ar focaliza razele-X. Înclinarea oglinzii trebuie să fie mică, deoarece razele-X se reflectă sub un unghi de incidență mic, în funcție de energia fotonilor.

Telescoapele cu raze-X trebuie să aiba oglinzi care sunt realizate din materiale care vor reflecta fotonii cu energii înalte (de raze-X). Unul din subiectele importante în acest domeniu este tipul de acoperire a oglinzilor, tipul de acoperire poate duce la o gamă spectrală mai larga în colectarea razelor-X. Un alt subiect abordat este cel al detectorului pe care se focalizează razele-X.

II. Misiunea NuSTAR

NuSTAR este un proiect finantaț de NASA și a fost lansat cu succes în 2011. Misiunea principală constă în studierea emisiilor galactice și intergalactice de radiație-X.

Iată câteva din obiectivele misiunii:

Localizarea găurilor negre masive prin observarea câmpurilor în care se află galaxii primordiale. Ciocnirea gazului interstelar/intergalactic cu orizontul de eveniment duce la creșterea temperaturii și emisia de radiație-X;

Studiul populației de obiecte compacte din zonele dense ale galaxiei, prin observarea zonei centrale a acesteia. În zonele dense se întâlnesc stele în stadii finale de evoluție, ale căror nuclee ating temperaturi foarte mari;

Înțelegerea dinamicii exploziei și a nucleozinstezei în nucleele colapsate ale stelelor prin observarea resturilor de supernovă. La colapsul unei stele, materia este supusă la temparaturi de ordinul a miliarde de grade.

III. Oglinzi pentru telescoape în radiație-X

Focalizarea luminii vizibile cu ajutorul lentilelor sau oglinzii este cunoscută de peste 400 ani, dar tehnica focalizării razelor-X este o rezolvare recentă. Hans Wolter este cel care a descoperit tehnica focalizării razelor-X în 1952, iar acest model optic, care astăzi se numește Wolter 1, se folosește la construcția telescoapelor de raze-X. Telescoapele de tip Wolter-I reflectă razele-X în doi pași, o dată folosind oglinzi parabolice, iar în pasul doi, folosind oglinzi hiperbolice.

Suprafețele oglinzilor sunt aproape paralele cu intrarea razelor-X, ce permite ca raza-X să fie reflectată, nu absorbită.

Optica telescopului spațial NuSTAR este tip Wolter 1, continând oglinzi concentrice acoperite cu straturi de Pt/SiC și W/Si (Platina/Carbura de Siliciu și Wolfram/Siliciu). Lungimea totală este de 450 mm, raza maximă 191 mm și lungimea focală de 10 m. NuSTAR este compus din două module, fiecare având 38 kg, iar sistemul optic are intervalul spectral între 3 -79 KeV.

Fiecare strat al opticii telescopului are formă conică și o parte superioară-inferioară echivalente cu o secțiune parabolica-hiperbolică a tipului de optică Wolter 1.

Fiecare strat este compus din segmente multiple de sticlă acoperite cu straturi pentru a crește reflectivitatea. Reflectivitatea crescută datorată acoperirii oglinzilor, împreună cu înclinarea mică a acestora, duce la un domeniu spectral între 7-79 keV și un câmp vizual de 12/12 minute arc.

Domeniul spectral lat de observație se datorează și distanței focalei mari a telescopului.

În total optica este compusă din 133 straturi concentrice de oglinzi. Straturile de oglinzi sunt montate pe o structură de titanium.  Acoperirea acestora este din platina-siliciu-carbon, platina-carbon și tungsten-siliciu.

Telescoapele spațiale anterioare Chandra, XMM -Newton și Einstein au folosit pentru acoperirea oglinzilor un singur strat de iridium sau aur pentru reflexie și focalizarea razelor-X.


Pentru o sensibilitate mai mare în lungimea de undă observată, unghiul sub care sunt înclinate oglinzile este mai mic decât unghiul critic sub care o rază este reflectată total. Unghiul critic depinde de energia razelor-X și materialelor din care este compusă oglinda.


Pentru obținerea unui raport semnal-zgomot bun, oglinzile s-au montat la un unghi de incidență mai mic decât cel critic. Unghiul critic este dependent de energie și material, dat de:
FORMULA

unde „p” este densitatea materialului; „k” numărul de unde pe distanță; „r0” împrăștierea Thompson.

Conform formulei de mai sus pentru reflexia razelor-X cu energie mare trebuie o distanță focală mare a telescopului.

Din cauza limitărilor tehnicii, pentru telescopele spațiale anterioare distanța focală a fost limitată de structura telescopului și nu s-au putut face observații asupra razelor-X cu energie mai mare de 10 keV.

O soluție pentru evitarea distanțelor focalelor mari este acoperirea multistrat a oglinzilor ce reflectă radiația-X.  O acoperire multistrat constă în materiale diferite (cu densitate diferită) dispuse alternativ una peste cealaltă.

Probabilitatea de reflexie la suprafața oglinzii este proporțională cu contrastul de densitate a două materiale, iar acoperirea multistrat este compusă din materiale dense și mai puțin dense tungsten-siliciu și platina-siliciu-carbon. NuSTAR folosește acoperire multistrat și extinde lungimea de undă observată, până la 79 keV.

Reflectivitatea multistratului este datorată a două efecte:

1. Legea lui Bragg
bragg
2. Diferența de densitate a suprafeței de reflexie

IV. Detectorul telescopului NuSTAR

În general, detectoarele cu semiconductori funcționează pe baza distribuției sarcinilor electrice create de interacțiunea dintre fotoni, prin introducerea unui câmp electric extern. Alegerea materialului semiconductor potrivit pentru un astfel de detector este influențată în primul rând de tipul de radiații ce se dorește a fi observat.

Dintre mecanismele diverse de interacțiune ale razelor-X și razelor gamma cu materia, trei efecte au un rol important în producerea radiațiilor: absorbția fotoelectrică, împrăștierea Compton și producerea de perechi. În cazul efectului fotoelectric, fotonul transferă toată energia sa către un electron, care se poate elibera de pe orbita atomică (fotonul incident dispare). Efectul Compton înseamnă un transfer parțial de energie către un electron, iar restul de energie rămâne sub forma unui foton secundar. Producerea de perechi presupune un foton cu energie mai mare de 1,02 MeV, care poate astfel interacționa cu câmpul nucleului, producând o pereche de particule: una pozitivă (pozitron) și cealaltă negativă (electron). Dintre acestea trei, numai efectul fotoelectric rezultă din preluarea totală a energiei fotonului incident și ne poate da informații utile despre energia fotonului. Interacțiunea razelor cu materia depinde în mare măsură de numărul atomic: efectul fotoelectric este mai probabil la elementele grele (probabilitatea variază între Z^4 și Z^5), pentru efectul Compton probabilitatea este Z și Z^2 pentru producerea de perechi. Astfel un detector spectroscopic optim va favoriza interacțiunile fotoelectrice și se vor utiliza materiale semiconductoare cu un număr atomic mare.

Noua generație de telescoape capabile să detecteze radiația-X tare (definită ca intervalul de energii de la 10 eV la sute de eV) constă într-un sistem de focalizare a razelor-X, cât și a unui detector cu rezoluție spațială mare și zgomot de fond mic. Detectorii trebuie protejați de radiația de fundal sau de cea produsă în atmosferă și în electronica folosită.

Aceasta se transpune în lungimea distanței focale. Cu cât focala este mai mare a sistemului optic, cu atat este posibiliă o reflectare a unor energii mai mari. Din acest motiv, misiunile anterioare au fost limitate la obținerea informațiilor până la 10 keV.

Detectorul de radiație constă în doi detectori hibrizi cu senzori de tip CdZnTe (Cadmiu-Zinc-Telur) al cărui anod este atașat direct circuitului de citire, fiecare detector având 20.5×20.5 x 2 mm. Se obține un semnal minim electronic de 250 eV FWHM (full width half maximum), dependent de poziția senzorului și cu o valoare îmbunătățită la energii mai mici. Pentru a obține o rezoluție spectrală nominală este nevoie de calibrări care țin de sarcina electrica a fiecărui pixel și de interacția detectorului cu razele gamma.

Detectorul CdZnTe a fost dezvoltat pentru a fi utlizat în special în astrofizică pentru observarea razelor-X tari și cele gamma. Oferă posibilitatea de a detecta cu o mai bună precizie pozițională și o rezoluție spectrală avansată. În același timp, nu necesită răcire.

Cele două module NuSTAR constau în patru detectori hibrizi CdZnTe. Fiecare detector hibrid are la bază un senzor CdZnTe cu un anod segmentat, cu fiecare pixel atașat la un circuit de citire personalizat ASIC cu zgomot redus.

Detectorii CCD (Charge Couple Device) sunt folosiți în astronomie încă din anii 1980 și sunt direct responsabili pentru multe din descoperirile importante din astronomia observațională. Când un pixel de pe rețeaua de pixeli a CCD-ului este lovit de un foton de radiație-X, o sarcină proporțională cu energia fotonului este depozitată în CCD. După terminarea expunerii, sarcina fiecarui pixel este citită.

Materialele semiconductoare cum sunt telurura de cadmiu (CdTe) și telurura de cadmiu-zinc (CdZnTe) sunt preferate pentru utilizare la instrumentele astronomice pentru razele-X tari pentru că, în comparație cu senzorii pe baza de halogenuri alcaline, au o rezoluție spectrală superioară.

Aceste materiale au un număr atomic cu valoare ridicată (48 la cadmiu și 52 telurul) și o zonă de energie interzisă destul de întinsă (∼ 1.5 eV) încât să permită utilizarea la temperatura camerei. Datorită acestor avantaje, detectoarele cosmice de raze-X tari care folosesc CdZnTe și CdTe funcționează deja pe sateliții Swift5 și, respectiv, INTEGRAL6.

V. Procese fizice observate

1. Sondarea activitații Nucleului Galactic Activ, prin observarea unor zone de cer selectate.

2. Studiul populațiilor/grupurilor de obiecte compacte care emit raze-X tari în galaxie, prin cartografierea regiunii centrale a Căii Lactee.

3. Studierea radiațiilor non-termale din rezidurile de supernove tinere/recente, atât continuumul de raze-X cât și emisiile de elementul radioactiv 44 Ti.

4. Observarea quasarilor prin metode multiple simultane: telescoape TeV, optice si radiotelescoape aflate la sol, precum și cu telescopul spațial Fermi și satelitul Swift, pentru a surprinde structura jeturilor astrofizice.

5. Observarea emisiilor liniare și continue din colapsul supernovelor din Grupul Local și altor evenimente de tipul Ia supernove, pentru crearea de modele ale exploziilor. În anii de funcționare, NuSTAR va activa și un program larg de observații.

Bibliografie

1. Semiconductor Radiation Detection Systems, 2010 by Taylor and Francis Group;
2. Optimizations of Pt/SiC and W/Si multilayers for the Nuclear Spectroscopic Telescope Array, 2009 by Kristin K. Madsen, Fiona A. Harrison;
3. Development of Focal Plane Detectors for the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) Mission, 2009 by Vikram R. Rana, Walter R. Cook III;
4. Imagine the Universe
5. NASA NuSTAR

 

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s