El Observatorio Internacional de Rayos X ( IXO ) es un telescopio de rayos X cancelado que se iba a lanzar en 2021 como un esfuerzo conjunto de la NASA , la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial ( JAXA ). En mayo de 2008, la ESA y la NASA establecieron un grupo de coordinación que involucraba a las tres agencias, con la intención de explorar una misión conjunta que fusionara los proyectos en curso XEUS y el Observatorio Constellation-X (Con-X). Esto propuso el inicio de un estudio conjunto para IXO. [1] [2] [3] [4] [5] La NASA se vio obligada a cancelar el observatorio debido a restricciones presupuestarias en el año fiscal 2012. Sin embargo, la ESA decidió reiniciar la misión por su cuenta desarrollando el Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías como parte del programa Cosmic Vision . [5] [6]
Las observaciones de rayos X son cruciales para comprender la estructura y evolución de las estrellas , las galaxias y el Universo en su conjunto. Las imágenes de rayos X revelan puntos calientes en el Universo: regiones donde las partículas han sido energizadas o elevadas a temperaturas muy altas por fuertes campos magnéticos , explosiones violentas y fuerzas gravitacionales intensas . Las fuentes de rayos X en el cielo también están asociadas con las diferentes fases de la evolución estelar, como los remanentes de supernovas , las estrellas de neutrones y los agujeros negros . [7]
IXO habría explorado el Universo de rayos X y habría abordado las siguientes preguntas fundamentales y actuales en astrofísica :
Para abordar estas cuestiones científicas, IXO habría trazado órbitas cercanas al horizonte de eventos de los agujeros negros, medido el giro de los agujeros negros para varios cientos de núcleos galácticos activos (AGN), utilizado espectroscopia para caracterizar los flujos de salida y el entorno de los AGN durante su actividad máxima, buscado agujeros negros supermasivos hasta el corrimiento al rojo z = 10, mapeado de movimientos masivos y turbulencias en cúmulos de galaxias , encontrado los bariones faltantes en la red cósmica utilizando cuásares de fondo y observado el proceso de retroalimentación cósmica donde los agujeros negros inyectan energía en escalas galácticas e intergalácticas. [8] [9] [10] [11]
Esto permitirá a los astrónomos comprender mejor la historia y la evolución de la materia y la energía, la materia visible y la oscura , así como su interacción durante la formación de las estructuras más grandes.
Más cerca de casa, las observaciones de IXO habrían limitado la ecuación de estado en las estrellas de neutrones, la demografía del giro de los agujeros negros , cuándo y cómo se crearon y dispersaron los elementos en el espacio exterior , y mucho más. [12] [13] [14]
Para alcanzar estos objetivos científicos, IXO requiere un área de recolección extremadamente grande combinada con una buena resolución angular para ofrecer sensibilidades inigualables para el estudio del Universo de alto z y para la espectroscopia de alta precisión de fuentes de rayos X brillantes. [15]
La gran área de recolección requerida porque, en astronomía , los telescopios recogen luz y producen imágenes mediante la búsqueda y el conteo de fotones . La cantidad de fotones recolectados pone el límite a nuestro conocimiento sobre el tamaño, la energía o la masa de un objeto detectado. Más fotones recolectados significa mejores imágenes y mejores espectros y, por lo tanto, ofrece mejores posibilidades para comprender los procesos cósmicos. [7]
El corazón de la misión IXO era un único gran espejo de rayos X con hasta 3 metros cuadrados de área de recolección y una resolución angular de 5 segundos de arco , que se logra con un banco óptico extensible con una longitud focal de 20 m. [3] [16]
Una característica clave del diseño del espejo IXO es un conjunto de espejo único (Flight Mirror Assembly, FMA), que está optimizado para minimizar la masa mientras maximiza el área de recolección, y un banco óptico extensible. [17]
A diferencia de la luz visible , los rayos X no pueden enfocarse con una incidencia normal, ya que los rayos X serían absorbidos por el espejo. En cambio, los espejos de IXO, como todos los telescopios de rayos X anteriores , utilizarán incidencias rasantes, dispersando en un ángulo muy superficial. Como resultado, los telescopios de rayos X consisten en carcasas cilíndricas anidadas, siendo su superficie interna la superficie reflectante. Sin embargo, como el objetivo es recolectar tantos fotones como sea posible, IXO tendrá un espejo de más de 3 m de diámetro.
Como el ángulo rasante es una función inversamente proporcional a la energía del fotón, los rayos X de mayor energía requieren ángulos rasantes más pequeños (menos de 2°) para ser enfocados. Esto implica longitudes focales más largas a medida que aumenta la energía del fotón, lo que dificulta la construcción de telescopios de rayos X si se desea enfocar fotones con energías superiores a unos pocos keV. Por ese motivo, IXO cuenta con un banco óptico extensible que ofrece una longitud focal de 20 m. Se seleccionó una longitud focal de 20 metros para IXO como un equilibrio razonable entre las necesidades científicas de una capacidad avanzada de recolección de fotones en los rangos de energía más altos y las limitaciones de ingeniería. Dado que ningún carenado de carga útil es lo suficientemente grande como para acomodar un observatorio de 20 metros de largo, IXO tiene una estructura de medición desplegable entre el bus de la nave espacial y el módulo del instrumento.
Los objetivos científicos de IXO requieren la recopilación de muchos datos mediante diferentes técnicas, como espectroscopia , cronometraje, imágenes y polarimetría . Por lo tanto, IXO habría llevado consigo una serie de detectores que habrían proporcionado datos complementarios de espectroscopia, imágenes , cronometraje y polarimetría sobre las fuentes de rayos X cósmicos para ayudar a desentrañar los procesos físicos que ocurren en ellas. [3]
Dos espectrómetros de alta resolución, un microcalorímetro (XMS o espectrógrafo de imágenes criogénicas (CIS) y un conjunto de rejillas dispersivas (XGS) habrían proporcionado espectros de alta calidad en la banda de paso de 0,1 a 10 keV donde la mayoría de los iones astrofísicamente abundantes tienen líneas de rayos X. [18]
La espectroscopia detallada de estos instrumentos habría permitido a los astrónomos de alta energía aprender sobre la temperatura, la composición y la velocidad de los plasmas en el Universo. Además, el estudio de características espectrales específicas de rayos X investiga las condiciones de la materia en campos de gravedad extremos, como alrededor de agujeros negros supermasivos . La variabilidad del flujo agrega una dimensión adicional al vincular la emisión con el tamaño de la región emisora y su evolución en el tiempo; el espectrómetro de alta resolución temporal (HTRS) en IXO habría permitido este tipo de estudios en un amplio rango de energía y con alta sensibilidad. [19]
Para ampliar nuestra visión del Universo de alta energía a los rayos X duros y encontrar los agujeros negros más ocultos, los detectores de imágenes de campo amplio y de rayos X duros (WFI/HXI) juntos habrían obtenido imágenes del cielo hasta un campo de visión (FOV) de 18 arcmin con una resolución moderada (<150 eV hasta 6 keV y <1 keV (FWHM) a 40 keV). [20]
El polarímetro de rayos X de IXO habría sido una herramienta poderosa para explorar fuentes como estrellas de neutrones y agujeros negros , midiendo sus propiedades y cómo impactan su entorno. [21]
Los detectores se habrían ubicado en dos plataformas de instrumentos: la Plataforma de Instrumentos Móvil (MIP) y la Plataforma de Instrumentos Fijos (FIP). La Plataforma de Instrumentos Móvil es necesaria porque los telescopios de rayos X no se pueden plegar como se puede hacer con los telescopios de espectro visible. Por lo tanto, IXO habría utilizado la MIP que contiene los siguientes detectores: un detector de imágenes de campo amplio y de rayos X duros, un espectrómetro de imágenes de alta resolución espectral, un espectrómetro de alta resolución temporal y un polarímetro, y los gira hacia el foco uno por uno. [22]
El espectrómetro de rejilla de rayos X se habría ubicado en la plataforma de instrumentos fija. Se trata de un espectrómetro de dispersión de longitud de onda que habría proporcionado una alta resolución espectral en la banda de rayos X suaves. Puede utilizarse para determinar las propiedades del medio intergaláctico cálido-caliente, los flujos de salida de los núcleos galácticos activos y las emisiones de plasma de las coronas estelares. [23]
Una fracción del haz del espejo se habría dispersado a una cámara con dispositivo acoplado a carga (CCD), que habría funcionado simultáneamente con el instrumento MIP de observación y habría recopilado datos de fondo instrumentales, lo que puede ocurrir cuando un instrumento no está en la posición focal. Para evitar que las señales astronómicas muy débiles interfieran con la radiación del telescopio, el propio telescopio y todos sus instrumentos deben mantenerse fríos. Por lo tanto, la plataforma de instrumentos IXO habría contado con un gran escudo que bloquea la luz del Sol , la Tierra y la Luna , que de lo contrario calentaría el telescopio e interferiría con las observaciones.
La óptica y la instrumentación de IXO proporcionarán un aumento de hasta 100 veces en el área efectiva para espectroscopia de alta resolución, espectroscopia profunda y sincronización espectroscópica de microsegundos con capacidad de alta tasa de conteo. [7] La mejora de IXO en relación con las misiones de rayos X actuales es equivalente a una transición del telescopio Palomar de 200 pulgadas a un telescopio de 22 m mientras que al mismo tiempo se pasa de la obtención de imágenes de banda espectral a un espectrógrafo de campo integral.
La fecha de lanzamiento prevista para IXO era 2021, y entraría en una órbita L2 en el Ariane V o el Atlas V. [ 3]
IXO fue diseñado para operar durante un mínimo de 5 años, con un objetivo de 10 años, por lo que se anticipó que las operaciones científicas de IXO durarían desde 2021 hasta 2030. [3]
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