Рысь Рентгеновская обсерватория

Рысь Рентгеновская обсерватория
	Рентгеновская обсерватория Lynx
Имена	Рысь-рентгенолог (прежнее название)
Тип миссии	Космический телескоп
Оператор	НАСА
Веб-сайт	www .lynxobservatory .org
Начало миссии
Дата запуска	2036 г. (предлагается)
Орбитальные параметры
Справочная система	Солнце–Земля L 2 Орбита
Основной
Тип	Телескоп Вольтера
Диаметр	3 м (9,8 футов)
Фокусное расстояние	10 м (33 фута)
Зона сбора	2 м 2 (22 кв. фута) при 1 кэВ
Длины волн	рентген
Разрешение	0,5 угловой секунды по всему полю зрения
Инструменты
	Рентгеновское зеркало Lynx в сборе (LMA) ; Рентгеновская камера высокого разрешения (HDXI) ; Рентгеновский микрокалориметр Lynx (LXM) ; Спектрометр с рентгеновской решеткой (XGS)
	; Словесный знак рентгеновской обсерватории Lynx Крупные стратегические научные миссии

( Рентгеновская обсерватория Lynx Lyx ) — это НАСА финансируемое исследование концепции большой миссии в рамках , выполненное по заказу Национальной академии наук 2020 года Десятилетнего исследования астрономии и астрофизики . Этап концептуального исследования завершен в августе 2019 года, и Lynx окончательный отчет ^[1] был представлен Десятилетнему обзору для определения приоритетности. В случае запуска Lynx станет самой мощной рентгеновской астрономической обсерваторией, построенной на сегодняшний день, что позволит увеличить ее возможности на порядок. ^[2] над нынешней рентгеновской обсерваторией Чандра и XMM-Ньютон космическими телескопами .

Фон

Сравнение *Lynx* с другими предлагаемыми космическими телескопами ( LUVOIR , HabEx и *Origins* )

В 2016 году, следуя рекомендациям, изложенным в так называемой « Дорожной карте астрофизики 2013 года», НАСА организовало четыре концептуальных исследования космических телескопов для будущих крупных стратегических научных миссий . Помимо Lynx (первоначально называемого X-ray Surveyor в документе «Дорожная карта» ) , это миссия по визуализации обитаемой экзопланеты (HabEx), Большой ультрафиолетовый оптический инфракрасный исследователь (LUVOIR) и космический телескоп Origins (OST, первоначально называвшийся Дальним -Инфракрасный геодезист). Четыре команды завершили свои окончательные отчеты в августе 2019 года и передали их НАСА и Национальной академии наук , чей независимый комитет по десятилетним исследованиям консультирует НАСА о том, какая миссия должна стать главным приоритетом. Если он получит высший приоритет и, следовательно, финансирование, Lynx запустится примерно в 2036 году. Он будет выведен на гало-орбиту вокруг второй точки Лагранжа Солнце-Земля (L2) и будет нести достаточно топлива для более чем двадцати лет работы без обслуживания. . ^[1]^[2]

В исследовании концепции Lynx приняли участие более 200 ученых и инженеров из различных международных академических институтов , аэрокосмических и инжиниринговых компаний. ^[3] Группу определения науки и технологий Lynx (STDT) возглавляли Алексей Вихлинин и Ферьял Озель . Джессика Гаскин была научным сотрудником НАСА, а Центр космических полетов Маршалла управлял Офисом исследования Lynx совместно со Смитсоновской астрофизической обсерваторией , которая является частью Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт .

Научные цели

Согласно итоговому отчету концептуального исследования , эталонная миссия по проектированию Lynx была намеренно оптимизирована, чтобы обеспечить значительный прогресс в следующих трех областях астрофизических открытий:

Рассвет черных дыр (Глава 1 Lynx Report )
Движущие силы формирования и эволюции галактик ( Lynx Отчет , глава 2)
Энергетические свойства звездной эволюции и звездных экосистем ( Lynx Отчет , глава 3)

В совокупности они служат тремя «научными столпами», определяющими базовые требования к обсерватории. Эти требования включают в себя значительно повышенную чувствительность , в пределах субугловой секунды стабильную функцию рассеяния точки телескопа во всем поле зрения и очень высокое спектральное разрешение как для визуализации, так и для решеточной спектроскопии . Эти требования, в свою очередь, позволяют реализовать широкий научный подход, вносящий значительный вклад в астрофизический ландшафт (как резюмировано в главе 4 Lynx отчета ), включая астрономию с несколькими сообщениями , черных дыр физику аккреции , крупномасштабную структуру , науку о Солнечной системе , и даже экзопланеты . Команда Lynx позиционирует научные возможности миссии как «мощные, гибкие и долговечные», вдохновленные духом НАСА программы «Великие обсерватории» .

Дизайн миссии и полезная нагрузка

Космический корабль

концептуального исследования Как описано в главах 6–10 итогового отчета , Lynx спроектирован как рентгеновская обсерватория с скользящего падения рентгеновским телескопом и детекторами, которые регистрируют положение, энергию и время прибытия отдельных рентгеновских фотонов . Реконструкция аспектов постфактум предъявляет скромные требования к точности и стабильности наведения, одновременно обеспечивая точное определение местоположения на небе для обнаруженных фотонов. Конструкция Lynx космического корабля во многом основана на наследии рентгеновской обсерватории Чандра , с небольшим количеством движущихся частей и высокого уровня технологической готовности элементами . Lynx будет работать на гало-орбите вокруг Солнца-Земли L2 , что обеспечит высокую эффективность наблюдений в стабильной среде. Его маневры и рабочие процедуры на орбите почти идентичны маневрам «Чандры» , а аналогичные подходы к проектированию способствуют долговечности. Без обслуживания в космосе Lynx будет иметь на борту достаточно расходных материалов , чтобы обеспечить непрерывную работу в течение как минимум двадцати лет. Однако космический корабль и элементы полезной нагрузки спроектированы так, чтобы их можно было эксплуатировать, что потенциально обеспечивает еще более длительный срок службы.

Полезная нагрузка

Основные достижения в чувствительности, пространственном и спектральном разрешении в эталонной миссии Lynx Design возможны благодаря полезной нагрузке космического корабля, а именно сборке зеркал и набору из трех научных инструментов. В отчете Lynx отмечается, что каждый из элементов полезной нагрузки оснащен новейшими технологиями, а также представляет собой естественную эволюцию развития существующих технологий приборостроения за последние два десятилетия. Ключевые технологии в настоящее время находятся на уровнях технологической готовности (TRL) 3 или 4. В отчете Lynx отмечается, что за три года целенаправленной предварительной фазы А разработки в начале 2020-х годов три из четырех ключевых технологий будут доведены до уровня TRL 5, а одна – до уровня TRL 5. достичь TRL 4 к началу фазы А, а вскоре после этого достичь TRL 5. Полезная нагрузка Lynx состоит из следующих четырех основных элементов:

Lynx Чандрой Сборка рентгеновского зеркала (LMA): LMA является центральным элементом обсерватории, обеспечивающим значительный прогресс в чувствительности, спектроскопической производительности, скорости съемки и значительно улучшенную визуализацию по сравнению с благодаря значительному улучшению внеосевых характеристик . Эталонная миссия по проектированию Lynx легла в основу новой технологии под названием Silicon Metashell Optics (SMO), в которой тысячи очень тонких, тщательно отполированных сегментов почти чистого кремния укладываются в плотно упакованные концентрические оболочки . Из трех зеркальных технологий, рассматриваемых для Lynx , конструкция SMO на данный момент является наиболее продвинутой с точки зрения продемонстрированной производительности (уже приближаясь к тому, что требуется для Lynx ). Высокомодульная конструкция SMO обеспечивает параллельное производство и сборку, а также обеспечивает высокую отказоустойчивость: если некоторые отдельные сегменты зеркала или даже модули будут повреждены, влияние на график и стоимость будет минимальным.
Рентгеновский формирователь изображения высокой четкости (HDXI): HDXI является основным формирователем изображения для Lynx , обеспечивающим высокое пространственное разрешение в широком поле зрения (FOV) и высокую чувствительность в 0,2–10 кэВ полосе пропускания . Его пиксели с размером 0,3 угловой секунды (0,3 дюйма) будут адекватно отображать Lynx зеркала функцию рассеяния точки в поле зрения 22 × 22 фута. 21 отдельный датчик HDXI расположен вдоль оптимальной фокальной поверхности для улучшения внеосевого PSF. В Lynx DRM используется технология комплементарного металлооксидно-полупроводникового (CMOS) датчика активных пикселей (APS), которая, по прогнозам, будет обладать необходимыми возможностями (т. е. высокой скоростью считывания, высокой широкополосной квантовой эффективностью , достаточным энергетическим разрешением , минимальными перекрестными помехами между пикселями и радиационная стойкость ). Команда Lynx определила три варианта с сопоставимыми рейтингами TRL (TRL 3) и надежными планами развития TRL: монолитная CMOS, гибридная CMOS и цифровая ПЗС-матрица со считыванием CMOS. Все они в настоящее время финансируются для развития технологий.
Lynx в сочетании с высоким пространственным разрешением Рентгеновский микрокалориметр (LXM): LXM представляет собой визуализирующий спектрометр , который обеспечивает высокую разрешающую способность ( R ~ 2000) как в жестком, так и в мягком рентгеновском диапазонах (вплоть до шкалы 0,5 дюйма). . Чтобы удовлетворить разнообразные научные требования Lynx , фокальная плоскость LXM включает в себя три матрицы, использующие одну и ту же технологию считывания. Каждый массив отличается размером и толщиной пикселей поглотителя, а также тем, как поглотители подключены к устройствам теплового считывания. Общее количество пикселей превышает 100 000 — большой скачок по сравнению с прошлыми и планируемыми в настоящее время рентгеновскими микрокалориметрами. Это огромное улучшение не влечет за собой огромных дополнительных затрат: два массива LXM используют простой, уже проверенный подход «теплового» мультиплексирования, при котором несколько поглотителей подключаются к одному датчику температуры. Благодаря такой конструкции количество считываемых датчиков (один из основных факторов энергопотребления и стоимости рентгеновских микрокалориметров) достигает примерно 7600. Это лишь скромное увеличение по сравнению с тем, что запланировано для инструмента X-IFU на Афине. По состоянию на весну 2019 года были изготовлены прототипы фокальной плоскости, включающие все три матрицы в размере 2/3 полного размера. Эти прототипы демонстрируют, что массивы с форм-фактором пикселей, размером и плотностью проводки, требуемыми Lynx, легко достижимы и имеют высокую производительность. Требования к энергетическому разрешению для различных типов пикселей также легко достижимы. Хотя технически LXM все еще находится на уровне TRL 3, существует четкий путь к достижению TRL 4 к 2020 году и TRL 5 к 2024 году.
Спектрометр с рентгеновской решеткой (XGS). XGS обеспечит еще более высокое спектральное разрешение ( R = 5000 с целевым значением 7500) в диапазоне мягкого рентгеновского излучения для точечных источников . По сравнению с нынешним уровнем техники ( Chandra ), XGS обеспечивает более чем в 5 раз более высокое спектральное разрешение и в несколько сотен раз более высокую пропускную способность. Эти достижения стали возможными благодаря недавним достижениям в области технологий рентгеновских решеток. Двумя сильными кандидатами на технологию являются: передача с критическим углом (используется для Lynx DRM) и отражающие решетки вне плоскости. Оба полностью осуществимы, в настоящее время находятся на уровне TRL 4, и продемонстрировали высокую эффективность и разрешающую способность ~ 10 000 в недавних рентгеновских испытаниях.

Операции миссии

Опыт рентгеновской обсерватории «Чандра» обеспечивает основу для разработки систем, необходимых для эксплуатации Lynx , что приводит к значительному сокращению затрат по сравнению с запуском с нуля. Все начинается с единого генерального подрядчика научно-операционного центра, укомплектованного слаженной интегрированной командой ученых, инженеров и программистов. Многие из системных конструкций, процедур, процессов и алгоритмов, разработанных для Chandra , будут напрямую применимы и для Lynx , хотя все они будут переработаны в программно-аппаратную среду, подходящую для 2030-х годов и последующих лет.

Научное воздействие Lynx будет максимизировано за счет проведения экспертной оценки всех предлагаемых ею наблюдений, в том числе тех, которые относятся к трем научным направлениям. Предварительное выделение времени может рассматриваться только для небольшого количества ключевых многоцелевых программ, например, для съемки заранее выбранных участков неба. Такой подход к программе открытого общего наблюдателя (GO) успешно применяется в таких крупных миссиях, как космический телескоп Хаббл , рентгеновская обсерватория Чандра и космический телескоп Спитцер , а также планируется для космического телескопа Джеймса Уэбба и римского космического телескопа Нэнси Грейс . У программы Lynx GO будет достаточно времени для достижения целей ее основных научных направлений, оказания влияния на астрофизический ландшафт, открытия новых направлений исследований и совершения пока еще невообразимых открытий.

Ориентировочная стоимость

Стоимость рентгеновской обсерватории Lynx оценивается в сумму от 4,8 до 6,2 миллиардов долларов США (в 20 финансового года долларах при доверительной вероятности 40% и 70% соответственно). Этот предполагаемый диапазон затрат включает ракету-носитель , резервы затрат и финансирование на пять лет операций миссии, исключая при этом потенциальные иностранные вклады (например, участие Европейского космического агентства (ЕКА)). концептуального исследования Как описано в разделе 8.5 итогового отчета , команда Lynx заказала пять независимых смет , каждая из которых привела к схожим оценкам общей стоимости жизненного цикла миссии.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Гаскин, Джессика А.; Озель, Ферьял; Вихлинин Алексей; Аллен, Стивен; Баутц, Марк; Брандт, В. Ниль; Брегман, Джоэл; Донахью, Меган; Хайман, Золтан; Хикокс, Райан; Джелтема, Тесла; Коллмайер, Джуна; Кравцов Андрей; Лопес, Лаура; Мадау, Пьеро; Остен, Рэйчел; Паэрелс, Фриц; Пули, Дэвид; Птак, Эндрю; Куаерт, Элиот; Рейнольдс, Кристофер; Стерн, Дэниел (23 августа 2019 г.). «Отчет об исследовании концепции» (PDF) . Рысь Рентгеновская обсерватория . Проверено 10 января 2020 г. . В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
^ Перейти обратно: ^а ^б Гаскин, Джессика А.; Шварц, Дуглас А. (29 мая 2019 г.). «Рентгеновская обсерватория Рысь: обзор» . Журнал астрономических телескопов, инструментов и систем . 5 (2): 021001. Бибкод : 2019JATIS...5b1001G . дои : 10.1117/1.JATIS.5.2.021001 . hdl : 10150/634656 . ISSN 2329-4124 .
^ «Команда Рыси» . Рысь Рентгеновская обсерватория . Проверено 17 января 2020 г.

Внешние ссылки

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Гаскин, Джессика А.; Озель, Ферьял; Вихлинин Алексей; Аллен, Стивен; Баутц, Марк; Брандт, В. Ниль; Брегман, Джоэл; Донахью, Меган; Хайман, Золтан; Хикокс, Райан; Джелтема, Тесла; Коллмайер, Джуна; Кравцов Андрей; Лопес, Лаура; Мадау, Пьеро; Остен, Рэйчел; Паэрелс, Фриц; Пули, Дэвид; Птак, Эндрю; Куаерт, Элиот; Рейнольдс, Кристофер; Стерн, Дэниел (23 августа 2019 г.). «Отчет об исследовании концепции» (PDF) . Рысь Рентгеновская обсерватория . Проверено 10 января 2020 г. . В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б Гаскин, Джессика А.; Шварц, Дуглас А. (29 мая 2019 г.). «Рентгеновская обсерватория Рысь: обзор» . Журнал астрономических телескопов, инструментов и систем . 5 (2): 021001. Бибкод : 2019JATIS...5b1001G . дои : 10.1117/1.JATIS.5.2.021001 . hdl : 10150/634656 . ISSN 2329-4124 .

[3] «Команда Рыси» . Рысь Рентгеновская обсерватория . Проверено 17 января 2020 г.

[1]

[2]

[3]