El Observatorio Internacional de Rayos X ( IXO ) es un telescopio de rayos X cancelado que se lanzaría en 2021 como un esfuerzo conjunto de la NASA , la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón ( JAXA ). En mayo de 2008, la ESA y la NASA establecieron un grupo de coordinación en el que participaban 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). Este 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 Alta Energía como parte del programa Visión Cósmica . [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 , violentas explosiones e intensas fuerzas gravitacionales . Las fuentes de rayos X en el cielo también están asociadas con las diferentes fases de la evolución estelar, como los restos de supernovas , las estrellas de neutrones y los agujeros negros . [7]
IXO habría explorado el Universo de rayos X y habría abordado las siguientes cuestiones fundamentales y oportunas en astrofísica :
Para abordar estas cuestiones científicas, IXO habría trazado órbitas cercanas al horizonte de sucesos de los agujeros negros, habría medido el giro de los agujeros negros durante varios cientos de núcleos galácticos activos (AGN), habría utilizado espectroscopia para caracterizar los flujos de salida y el entorno de los AGN durante su actividad máxima, habría buscado para agujeros negros supermasivos con desplazamiento al rojo z = 10, mapear movimientos masivos y turbulencias en cúmulos de galaxias , encontrar los bariones que faltan en la red cósmica utilizando cuásares de fondo y observar el proceso de retroalimentación cósmica donde los agujeros negros inyectan energía a 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 restringido 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 lograr estos objetivos científicos, IXO requiere un área de recolección extremadamente grande combinada con una buena resolución angular para ofrecer sensibilidades incomparables para el estudio del Universo de alta z y para la espectroscopia de alta precisión de fuentes brillantes de rayos X. [15]
Se requiere una gran área de recolección porque, en astronomía , los telescopios recolectan luz y producen imágenes cazando y contando 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 distancia 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 y maximizar 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 haces de rayos X serían absorbidos en el espejo. En cambio, los espejos de IXO, como todos los telescopios de rayos X anteriores , utilizarán incidencias rasantes, dispersándose en un ángulo muy superficial. Por ello, los telescopios de rayos X constan de carcasas cilíndricas encajadas, siendo su superficie interior 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 enfocarse. Esto implica distancias 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 distancia focal de 20 m. Se seleccionó una distancia 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 caber en un observatorio de 20 metros de largo, IXO tiene una estructura de medición desplegable entre el bus de la nave espacial y el módulo de instrumentos.
Los objetivos científicos de IXO requieren recopilar mucha información utilizando diferentes técnicas como espectroscopia , sincronización, imágenes y polarimetría . Por lo tanto, IXO habría llevado una gama de detectores, que habrían proporcionado datos complementarios de espectroscopía, imágenes , sincronización y polarimetría sobre fuentes de rayos X cósmicos para ayudar a desenredar 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 el paso de banda 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, composición y velocidad de los plasmas en el Universo. Además, el estudio de características espectrales de rayos X específicas sondea las condiciones de la materia en campos de gravedad extremos, como alrededor de agujeros negros supermasivos . La variabilidad del flujo añade 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) del 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 oscurecidos, los detectores de imágenes de campo amplio y de imágenes de rayos X duros (WFI/HXI) juntos habrían fotografiado el cielo hasta 18 minutos de arco. campo de visión (FOV) con una resolución moderada (<150 eV hasta 6 keV y <1 keV (FWHM) a 40 keV). [20]
El polarímetro de imágenes de rayos X de IXO habría sido una poderosa herramienta para explorar fuentes como estrellas de neutrones y agujeros negros , midiendo sus propiedades y cómo impactan en su entorno. [21]
Los detectores habrían estado ubicados en dos plataformas de instrumentos: la plataforma de instrumentos móvil (MIP) y la plataforma de instrumentos fija (FIP). La plataforma móvil para instrumentos 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 el 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 habría rotado en el centrarse a su vez. [22]
El espectrómetro de rejilla de rayos X habría estado ubicado en la plataforma fija de instrumentos. 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, 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 de carga acoplada (CCD), que habría funcionado simultáneamente con el instrumento de observación MIP y habría recopilado datos instrumentales de fondo, lo que puede ocurrir cuando un instrumento no está en el foco. posición. Para evitar que las débiles señales astronómicas se vean perturbadas por la radiación del telescopio, es necesario mantener el telescopio y todos sus instrumentos en frío. 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 otro modo 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, espectroscopía profunda y temporización espectroscópica de microsegundos con capacidad de alta tasa de conteo. [7] La mejora de IXO en relación con las misiones de rayos X actuales equivale a una transición del telescopio Palomar de 200 pulgadas a un telescopio de 22 m y, al mismo tiempo, se pasa de la obtención de imágenes de bandas espectrales a un espectrógrafo de campo integral.
La fecha de lanzamiento prevista para IXO era 2021, entrando en una órbita L2 en el Ariane V o el Atlas V. [3]
IXO fue diseñado para funcionar durante un mínimo de 5 años, con un objetivo de 10 años, por lo que se anticipó que las operaciones científicas de IXO durarían de 2021 a 2030. [3]
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