NuSTAR ( Nuclear Spectroscopic Telescope Array , también llamado Explorer 93 y SMEX-11 ) es un telescopio de rayos X basado en el espacio de la NASA que utiliza una aproximación cónica a un telescopio Wolter para enfocar rayos X de alta energía de fuentes astrofísicas , especialmente para espectroscopia nuclear , y opera en el rango de 3 a 79 keV . [4]
NuSTAR es la undécima misión del programa de satélites Small Explorer (SMEX-11) de la NASA y el primer telescopio espacial de rayos X de imagen directa a energías superiores a las del Observatorio de rayos X Chandra y XMM-Newton . Se lanzó con éxito el 13 de junio de 2012, tras haber sido retrasado desde el 21 de marzo de 2012 debido a problemas de software con el vehículo de lanzamiento. [5] [6]
Los principales objetivos científicos de la misión son realizar un estudio profundo de agujeros negros mil millones de veces más masivos que el Sol, investigar cómo se aceleran las partículas a energías muy altas en galaxias activas y comprender cómo se crean los elementos en las explosiones de estrellas masivas mediante imágenes de restos de supernovas .
Habiendo completado una misión principal de dos años, [7] NuSTAR se encuentra en su duodécimo año de operación.
El predecesor de NuSTAR, el High Energy Focusing Telescope (HEFT), era una versión transportada por globos que transportaba telescopios y detectores construidos con tecnologías similares. En febrero de 2003, la NASA emitió un Anuncio de Oportunidad (AoO) del programa Explorer. En respuesta, NuSTAR fue presentado a la NASA en mayo de 2003, como una de las 36 propuestas de misión que competían por ser la décima y undécima misión Small Explorer. [5] En noviembre de 2003, la NASA seleccionó NuSTAR y otras cuatro propuestas para un estudio de viabilidad de implementación de cinco meses.
En enero de 2005, la NASA seleccionó a NuSTAR para el vuelo en espera de un estudio de viabilidad de un año. [8] El programa fue cancelado en febrero de 2006 como resultado de los recortes a la ciencia en el presupuesto de la NASA de 2007. El 21 de septiembre de 2007, se anunció que el programa había sido reiniciado, con un lanzamiento previsto para agosto de 2011, aunque esto se retrasó posteriormente a junio de 2012. [6] [9] [10] [11]
La investigadora principal es Fiona A. Harrison del Instituto Tecnológico de California (Caltech). Otros socios importantes son el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), la Universidad de California en Berkeley , la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), la Universidad de Columbia , el Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC), la Universidad de Stanford , la Universidad de California en Santa Cruz , la Universidad Estatal de Sonoma , el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Agencia Espacial Italiana (ASI). Los principales socios industriales de NuSTAR son Orbital Sciences Corporation y ATK Space Components .
La NASA contrató a Orbital Sciences Corporation para lanzar NuSTAR (masa de 350 kg (770 lb)) [12] en un vehículo de lanzamiento Pegasus XL el 21 de marzo de 2012. [6] Anteriormente se había planeado para el 15 de agosto de 2011, el 3 de febrero de 2012, el 16 de marzo de 2012 y el 14 de marzo de 2012. [13] Después de una reunión de lanzamiento el 15 de marzo de 2012, el lanzamiento se retrasó aún más para dar tiempo a revisar el software de vuelo utilizado por la computadora de vuelo del vehículo de lanzamiento. [14] El lanzamiento se realizó con éxito a las 16:00:37 UTC el 13 de junio de 2012 [3] a unas 117 millas (188 km) al sur del atolón de Kwajalein . [15] El vehículo de lanzamiento Pegasus fue lanzado desde el avión L-1011 'Stargazer' . [12] [16]
El 22 de junio de 2012, se confirmó que el mástil de 10 m (33 pies) estaba completamente desplegado. [17]
A diferencia de los telescopios de luz visible, que emplean espejos o lentes que funcionan con incidencia normal, NuSTAR tiene que emplear una óptica de incidencia rasante para poder enfocar los rayos X. Para ello, se colocan en el extremo de un mástil desplegable dos ópticas de aproximación cónica de diseño Wolter con una longitud focal de 10,15 m (33,3 pies) . Se utiliza un sistema de metrología láser para determinar las posiciones relativas exactas de la óptica y el plano focal en todo momento, de modo que cada fotón detectado pueda ser mapeado de nuevo en el punto correcto del cielo, incluso si la óptica y el plano focal se mueven uno con respecto al otro durante una exposición.
Cada óptica de enfoque consta de 133 capas concéntricas. Una innovación particular que permite el funcionamiento de NuSTAR es que estas capas están recubiertas con multicapas graduadas en profundidad (capas atómicamente delgadas alternadas de un material de alta y baja densidad); con la elección de NuSTAR de multicapas de Pt/SiC y W/Si, esto permite una reflectividad de hasta 79 keV (la energía del borde K del platino ). [18] [19]
La óptica se fabricó en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard calentando láminas delgadas (210 μm (0,0083 pulgadas)) de vidrio flexible en un horno para que cayeran sobre mandriles de cuarzo cilíndricos pulidos con precisión y con el radio adecuado. Los recubrimientos fueron aplicados por un grupo de la Universidad Técnica Danesa .
Las carcasas se ensamblaron en los Laboratorios Nevis de la Universidad de Columbia, utilizando espaciadores de grafito mecanizados para limitar la forma cónica del vidrio y unidos por resina epoxi. Hay 4680 segmentos de espejo en total (las 65 carcasas internas comprenden seis segmentos cada una y las 65 carcasas externas, doce; hay segmentos superiores e inferiores en cada carcasa, y hay dos telescopios); hay cinco espaciadores por segmento. Como la resina epoxi tarda 24 horas en curarse, se ensambla una carcasa por día; se necesitaron cuatro meses para construir una óptica.
El telescopio actual consta de dos módulos de plano focal (FPM) separados, denominados FPMA y FPMB. Estos dos FPM están diseñados para ser similares, aunque no son idénticos. Según la fuente y la observación, uno de los módulos suele informar recuentos más altos. Esto se corrige en el paso de resultados científicos, normalmente aplicando un multiplicador constante durante el ajuste espectral y el análisis de la curva de luz. [20]
La función de dispersión de puntos esperada para los espejos de vuelo es de 43 segundos de arco , lo que da un tamaño de punto de aproximadamente dos milímetros en el plano focal; esta es una resolución sin precedentes para enfocar la óptica de rayos X duros, aunque es aproximadamente cien veces peor que la mejor resolución lograda en longitudes de onda más largas por el Observatorio de rayos X Chandra .
Cada óptica de enfoque tiene su propio módulo de plano focal, que consiste en un detector de píxeles de telururo de cadmio y zinc (CdZnTe) de estado sólido [21] rodeado por un escudo anti-coincidencia de yoduro de cesio (CsI) . Una unidad de detector, o plano focal, comprende cuatro detectores (dos por dos), fabricados por eV Products. Cada detector es un cristal rectangular de dimensión 20 × 20 mm (0,79 × 0,79 pulgadas) y espesor ~2 mm (0,079 pulgadas) que se han cuadriculado en 32 × 32 × 0,6 mm (1,260 × 1,260 × 0,024 pulgadas) píxeles (cada píxel subtiende 12,3 segundos de arco) y proporciona un campo de visión (FoV) total de 12 minutos de arco para cada módulo de plano focal.
Los detectores de telururo de cadmio y zinc (CdZnTe) son semiconductores de última generación a temperatura ambiente que son muy eficientes para convertir fotones de alta energía en electrones . Los electrones se registran digitalmente utilizando circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC) personalizados diseñados por el equipo de plano focal del Instituto de Tecnología de California (CalTech) de NuSTAR. Cada píxel tiene un discriminador independiente y las interacciones individuales de rayos X activan el proceso de lectura. Los procesadores integrados, uno para cada telescopio, identifican la fila y la columna con la mayor altura de pulso y leen la información de altura de pulso de este píxel, así como de sus ocho vecinos. El tiempo del evento se registra con una precisión de 2 μs en relación con el reloj integrado. La ubicación del evento, la energía y la profundidad de interacción en el detector se calculan a partir de las señales de nueve píxeles. [22] [23]
Los planos focales están protegidos por cristales de yoduro de cesio (CsI) que rodean las carcasas de los detectores. Los cristales protectores, fabricados por Saint-Gobain , registran fotones de alta energía y rayos cósmicos que cruzan el plano focal desde direcciones distintas a las del eje óptico de NuSTAR. Dichos eventos son el fondo primario de NuSTAR y deben identificarse y restarse correctamente para identificar fotones de alta energía de fuentes cósmicas. El blindaje activo de NuSTAR garantiza que se ignore cualquier evento del detector CZT que coincida con un evento de blindaje activo.
NuSTAR ha demostrado su versatilidad, abriendo el camino a muchos nuevos descubrimientos en una amplia variedad de áreas de investigación astrofísica desde su lanzamiento.
En febrero de 2013, la NASA reveló que NuSTAR, junto con el observatorio espacial XMM-Newton , había medido la velocidad de giro del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia NGC 1365. [ 24] Al medir el cambio de frecuencia de la luz de rayos X emitida por la corona del agujero negro, NuSTAR pudo ver cómo el material de la corona se acercaba al horizonte de sucesos . Esto hizo que las partes internas del disco de acreción del agujero negro se iluminaran con rayos X, lo que permitió que los astrónomos estudiaran esta esquiva región para determinar las velocidades de giro. [24]
Uno de los principales objetivos de NuSTAR es caracterizar las explosiones de estrellas mediante el mapeo del material radiactivo en los remanentes de una supernova . El mapa de NuSTAR de Cassiopeia A muestra el isótopo titanio-44 concentrado en grupos en el centro del remanente y apunta a una posible solución al misterio de cómo explotó la estrella. Cuando los investigadores simulan explosiones de supernova con computadoras, cuando una estrella masiva muere y colapsa, la onda de choque principal a menudo se detiene y la estrella no se rompe. Los últimos hallazgos sugieren firmemente que la estrella que explotó literalmente se agitó, reenergizando la onda de choque detenida y permitiendo que la estrella finalmente se desprenda de sus capas externas. [26]
En enero de 2017, investigadores de la Universidad de Durham y la Universidad de Southampton , liderando una coalición de agencias que utilizan datos de NuSTAR, anunciaron el descubrimiento de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias cercanas NGC 1448 e IC 3639. [27] [28] [29]
El 2 de marzo de 2017, NuSTAR publicó un artículo en Nature que detalla las observaciones de las variaciones de temperatura del viento alrededor del AGN IRAS 13224−3809 . Al detectar ausencias periódicas de líneas de absorción en el espectro de rayos X de los vientos del disco de acreción, NuSTAR y XMM-Newton observaron ciclos de calentamiento y enfriamiento de los vientos relativistas que abandonaban el disco de acreción . [30] [31]
NuSTAR y XMM-Newton detectaron rayos X emitidos detrás del agujero negro supermasivo dentro de la galaxia Seyfert 1 I Zwicky 1. Al estudiar los destellos de luz emitidos por la corona del agujero negro, los investigadores notaron que parte de la luz detectada llegó al detector más tarde que el resto, con un cambio correspondiente en la frecuencia . El equipo de científicos de la Universidad de Stanford que dirigió el estudio concluyó que este cambio era directamente atribuible a la radiación del destello que se reflejaba en el disco de acreción en el lado opuesto del agujero negro. La trayectoria de esta luz reflejada fue doblada por la alta curvatura del espacio-tiempo, dirigida al detector después del destello inicial. [32] [33]
El 6 de abril de 2023, el equipo NuSTAR confirmó que la estrella de neutrones M82 X-2 estaba emitiendo más radiación de la que se creía físicamente posible debido al límite de Eddington , etiquetándola oficialmente como una fuente de rayos X ultraluminosos (ULX). [34] [35]
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