El Telescopio Avanzado para Astrofísica de Alta Energía ( Athena ) [1] [2] es una misión de observatorio de rayos X seleccionada por la Agencia Espacial Europea (ESA) dentro de su programa Visión Cósmica [3] para abordar el tema científico del Universo Caliente y Energético. Athena operará en el rango de energía de 0,2 a 12 keV y ofrecerá capacidades espectroscópicas y de imagen que exceden las de los satélites de astronomía de rayos X actualmente en funcionamiento (por ejemplo, el Observatorio de rayos X Chandra y XMM-Newton ) en al menos un orden de magnitud en varios espacios de parámetros simultáneamente.
Los objetivos principales de la misión son mapear las estructuras de gas caliente, determinar sus propiedades físicas y buscar agujeros negros supermasivos .
La misión tiene sus raíces en dos conceptos de principios de la década de 2000, XEUS de la ESA y el Observatorio Constellation-X (Con-X) de la NASA . Alrededor de 2008, estas dos propuestas se fusionaron en la propuesta conjunta NASA/ESA/JAXA del Observatorio Internacional de Rayos X (IXO). En 2011, IXO fue retirado y luego la ESA decidió proceder con una modificación de costo reducido, que se conoció como ATHENA. [4] Athena fue seleccionada en 2014 para convertirse en la segunda misión de Visión Cósmica de clase L (L2), [5] abordando el tema científico del Universo Caliente y Energético.
El asesoramiento científico para la misión Athena lo proporciona el Equipo de Estudio Científico de Athena (ASST), compuesto por científicos expertos de la comunidad. El ASST fue designado por la ESA el 16 de julio de 2014. El científico y el director del estudio de la ESA son el Dr. Matteo Guainazzi y el Dr. Mark Ayre, respectivamente. Athena completó con éxito su fase A con la revisión de la formulación de la misión el 12 de noviembre de 2019. El próximo hito clave será la adopción de la misión por parte del Comité del Programa Científico (SPC) de la ESA, prevista para 2023 [ se necesita una actualización ] , lo que conducirá al lanzamiento en 2035. [1]
En 2035, un vehículo de lanzamiento Ariane 64 elevará a Athena a una órbita de halo de gran amplitud alrededor del punto L 2 del sistema Sol-Tierra . [6] [1] La órbita alrededor de L 2 fue seleccionada debido a su entorno térmico estable, buena visibilidad del cielo, alta eficiencia de observación y fondo de partículas estable. Athena realizará observaciones programadas previamente planificadas de hasta 300 ubicaciones celestiales por año. Un modo especial de objetivo de oportunidad permitirá una maniobra de reorientación dentro de las 4 horas para el 50% de cualquier evento aleatorio que ocurra en el cielo.
El observatorio de rayos X Athena consta de un único telescopio de rayos X [7] [8] con una longitud focal de 12 m , con un área efectiva de aproximadamente 1,4 m 2 (a 1 keV) y una resolución espacial de 5 segundos de arco en el eje, que se degrada elegantemente a menos de 10 segundos de arco a 30 minutos de arco fuera del eje. El espejo se basa en la tecnología de óptica de poros de silicio (SPO) de la ESA. [9] [10] SPO proporciona una excelente relación entre el área de recolección y la masa, al tiempo que ofrece una buena resolución angular. También se beneficia de un alto nivel de preparación tecnológica y un diseño modular altamente apto para la producción en masa necesarios para lograr el área de recolección del telescopio sin precedentes. Un conjunto de espejos móviles puede enfocar los rayos X en cualquiera de los dos instrumentos de Athena (WFI y X-IFU, véase más abajo) en cualquier momento.
Tanto WFI como X-IFU aprobaron con éxito sus revisiones de requisitos preliminares, el 31 de octubre de 2018 y el 11 de abril de 2019 respectivamente.
El Wide Field Imager (WFI) [11] [12] [13] es una cámara de imágenes espectrales de gran campo de visión basada en la exclusiva tecnología DEPFET de silicio [ enlace muerto permanente ] desarrollada en el laboratorio de semiconductores de la Sociedad Max Planck . Los DEPFET proporcionan una excelente resolución de energía (<170 eV a 7 keV), bajo ruido, lectura rápida y alta resolución temporal, con buena dureza de radiación. El instrumento combina el Large Detector Array, que está optimizado para observaciones de amplio campo de visión sobre un área de cielo instantáneo de 40' x 40', con un Fast Detector separado diseñado para observar las fuentes puntuales más brillantes del cielo de rayos X con alto rendimiento y baja acumulación. Estas capacidades, en combinación con el área efectiva sin precedentes y el amplio campo del telescopio Athena , proporcionarán capacidades innovadoras en espectroscopia de imágenes de rayos X.
El WFI es desarrollado por un consorcio internacional compuesto por estados miembros de la ESA. Está dirigido por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (DEU) con socios en Alemania (ECAP, IAA Tübingen), Austria ( Universidad de Viena ), Dinamarca (DTU), Francia ( CEA Saclay , Estrasburgo ), Italia ( INAF , Bolonia , Palermo ), Polonia (SRC PAS, NCAC PAS), el Reino Unido ( Universidad de Leicester , Open University ), los Estados Unidos ( Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), SLAC, Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), SAO), Suiza ( Universidad de Ginebra ), Portugal (IA) y Grecia (Observatorio de Atenas, Universidad de Creta ). El investigador principal es el Prof. Kirpal Nandra, Director del Grupo de Alta Energía en MPE.
La Unidad de Campo Integral de Rayos X [14] [15] [16] es el espectrómetro criogénico de rayos X de Athena X-IFU que proporcionará espectroscopia de rayos X con resolución espacial , con un requisito de resolución espectral de 2,5 eV hasta 7 keV sobre un campo de visión hexagonal de 5 minutos de arco (diámetro equivalente). El detector principal de X-IFU está hecho de una matriz de gran formato de sensores de borde de transición de oro y molibdeno acoplados a absorbedores hechos de Au y Bi para proporcionar el poder de frenado requerido. El tamaño de píxel corresponde a un poco menos de 5 segundos de arco en el cielo, coincidiendo así con la resolución angular de la óptica de rayos X. Una gran parte de los objetivos científicos de Athena relacionados con X-IFU se basan en la observación de fuentes extendidas débiles (por ejemplo, gas caliente en cúmulos de galaxias para medir movimientos en masa y turbulencia o su composición química), imponiendo el fondo instrumental más bajo posible. Esto se logra mediante la adición de un segundo detector criogénico debajo de la matriz del plano focal principal. De esta manera, los eventos que no son rayos X, como las partículas, pueden ser vetados utilizando la coincidencia temporal de detección de energía en ambos detectores simultáneamente. El conjunto del plano focal, los sensores y la electrónica del frente frío se enfrían a una temperatura estable de menos de 100 mK mediante una cadena criogénica de múltiples etapas, ensamblada por una serie de enfriadores mecánicos, con temperaturas de interfaz de 15 K, 4 K y 2 K y 300 mK, preenfriando un enfriador sub Kelvin hecho de un enfriador de adsorción 3He acoplado con un refrigerador de desmagnetización adiabática. Los datos de calibración se adquieren junto con cada observación de fuentes de rayos X moduladas para permitir la calibración de energía requerida para alcanzar la resolución espectral deseada. Aunque se trata de una unidad de campo integral donde todos y cada uno de los píxeles ofrecen un espectro de rayos X de alta resolución, la capacidad de desenfoque del espejo Athena permitirá que el haz focal se distribuya entre cientos de sensores. De este modo, el X-IFU podrá observar fuentes de rayos X muy brillantes. Lo hará con una resolución nominal, por ejemplo, para detectar los bariones que se piensa que residen en el Medio Intergaláctico Caliente , utilizando brillantes resplandores de estallidos de rayos gamma, como fuentes de fondo que brillan a través de la red cósmica, o con una resolución espectral de 3-10 eV, por ejemplo, para medir los espines y caracterizar los vientos y flujos de salida de sistemas binarios de rayos X brillantes a energías donde sus firmas espectrales son las más fuertes (por encima de 5 keV).
En diciembre de 2018, cuando la ESA aprobó formalmente al consorcio X-IFU como responsable de la adquisición del instrumento para Athena , el consorcio X-IFU reunía a 11 países europeos ( Bélgica , República Checa , Finlandia , Francia, Alemania, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, España, Suiza), además de Japón y Estados Unidos. Más de 50 institutos de investigación participan en el consorcio X-IFU. El investigador principal de X-IFU es el Dr. Didier Barret, director de investigación en el instituto de investigación en astrofísica y planetología de Toulouse ( IRAP -OMP, CNRS UT3-Paul Sabatier/ CNES , Francia). El Dr. Jan-Willem den Herder ( SRON , Países Bajos) y el Dr. Luigi Piro ( INAF -IAPS, Italia) son coinvestigadores principales de X-IFU. El CNES gestiona el proyecto y, en nombre del consorcio X-IFU, es responsable de la entrega del instrumento a la ESA.
El tema científico "Universo caliente y energético" [17] gira en torno a dos cuestiones fundamentales de la astrofísica : ¿cómo se ensambla la materia ordinaria en las estructuras a gran escala que vemos hoy? ¿Y cómo crecen los agujeros negros y dan forma al Universo ? Ambas preguntas solo pueden responderse utilizando un observatorio espacial de rayos X sensible. Su combinación de rendimiento científico supera cualquier misión de rayos X existente o planificada en más de un orden de magnitud en varios espacios de parámetros: área efectiva, sensibilidad de línea débil, velocidad de estudio, solo por mencionar algunos. Athena realizará mediciones muy sensibles en una amplia gama de objetos celestes. Investigará la evolución química del plasma caliente que permea el espacio intergaláctico en cúmulos de galaxias, buscará características observacionales esquivas del Medio Intergaláctico Cálido-Caliente , investigará potentes flujos expulsados de agujeros negros en acreción a lo largo de todo su espectro de masas, y estudiará su impacto en la galaxia anfitriona, e identificará muestras considerables de poblaciones comparativamente raras de Núcleos Galácticos Activos (AGN) que son clave para comprender la evolución cosmológica concurrente de agujeros negros y galaxias en acreción. Entre ellos se encuentran AGN altamente oscurecidos y de alto corrimiento al rojo (z≥6). Además, Athena será un observatorio de rayos X abierto a toda la comunidad astronómica, preparado para proporcionar descubrimientos de amplio alcance en casi todos los campos de la astrofísica moderna, con un gran potencial de descubrimiento de fenómenos aún desconocidos e inesperados. Representa la contribución de rayos X a la flota de instalaciones de observación a gran escala que estarán operativas en la década de 2030 (incluidos SKA , ELT , ALMA , LISA ...).
El Equipo de Estudio Científico de Athena (ASST) creó la Oficina de la Comunidad Athena (ACO) [18] para obtener apoyo en el desempeño de las tareas que le asigna la ESA, y más especialmente en el papel de la ASST como "punto focal de los intereses de la amplia comunidad científica". Actualmente, esta comunidad está formada por más de 800 miembros repartidos por todo el mundo.
La ACO tiene como objetivo convertirse en un punto focal para facilitar el intercambio científico entre las actividades de Athena y la comunidad científica en general, y difundir los objetivos científicos de Athena entre el público en general. Las principales tareas de la ACO se pueden dividir en tres categorías:
La ACO está liderada por el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC). Otros contribuyentes de la ACO son la Universidad de Genève , el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) y el Instituto de Investigación en Astrofísica y Planétología (IRAP).
