观测炽热宇宙的新型X射线光学系统uf-456

2020-05-23 00:50:01
观测炽热宇宙的新型X射线光学系科普世界 快乐数学统

原文标题:ESA's new X-ray optics for observing the hot Universe

原文来自:ESA Posted: 2014. 5. 16

编译:Melipal 审校:Linq (编译版权所有,未对少儿科普教育论文经许可请勿转载。)

一种使用高度抛光的硅晶片充当望远镜核心的新理念即将揭示更多关于炽热高能宇宙的信息,并追溯它那湍动的历史。

肉眼不可见的X射线可以告诉我们宇宙中极热物质的信息,它们包括黑洞、超新星以及过热的云团。今天的X射线望远镜,如ESA的XMM-牛顿以及NASA的钱德拉X射线天文台,都是在上个世纪发射的,它们还在作出世界级的发现。但它们已经开始变得衰老了。

在X射线波段闪耀的活动星系。(图片版权:ESA/AOE世界上销量最多的科普书籍S Medialab)

为了替换它们,ESA正在计划建造一架能力更强的X射线望远镜,预定它将于2028年发射。这架望远镜可以探测的宇宙要比当代的X射线望远镜深上10到100倍。

ESA未来科学任务技术推进的领导人马科斯·巴弗达兹(Marcos Bavdaz)解释说:“这火车的科普知识需要全新的X射线反射镜结构。为了达到所需的尺度,新望远镜的反射镜要比XMM的轻上10倍,同时还能获取更加锐利的影像。”

问题在于,高能X射线的行为与普通的光波不同,如果试图用普通镜面反射X射线,射线只会被镜面吸收进去。X射线只能以很小的入射角被反射,就好像是石头掠过水面一般。

ESA现役的XMM-牛顿望远镜叠合的反射镜。(图片版权:ESA)

这意味着要建造足够大的望远镜,多重反射镜需要被叠合到一起。XMM拥有174面镀金的镍质反射镜,它们逐一嵌套在一起,就好像是俄罗斯套娃一样。

但是如果要达到ESA下一架X射线望远镜的性能要求,必须要用到数万面密密麻麻层叠在一起的镜面。如何才能做到这一点呢?

人们需要新的技术。ESA开发的“孔隙硅光学系统”利用了来自半导体工业的高科技设备以及材料。

X射线光学开发的光学系统工程师埃里克·威尔(Eric Wille)说:“我们用到了工业级硅晶片,它们通常是用于生产微处理器的。”

“我们利用了它们的硬度以及高度抛光的表面,一次将数十片硅片叠合到一起,组成了单一的‘反射镜模块’。”

孔隙硅光学系统的叠层反射镜。(图片版权:cosine Research)

X射线芝麻 少儿科普望远镜的光学系统将由数百个这样的模块组合而成。

硅片上雕刻有槽纹,这样就有了坚硬的肋骨以及薄如纸片的反射镜,反射镜上随后覆盖有高反射率的金属。为了追求最高的精度,叠合过程运用了半导体生产中的技术。

威尔描述道:“叠合过程是由专门设计的机器人完成的,它的设计目标就是达到微米级的精度。随着机器人技术的改进,我们目睹了质量的重大飞跃。”

“由于微小的尘埃颗粒容易导致叠合反射镜存在较大的变形,叠合是在无尘室内进行的。”

“半导体工业正在提升硅晶片的质量,这会在未来进一步改善反射镜的质量。”

振动测试。(图片版权:ESA)

孔隙硅光学研究小组的负责方——余弦研究公司(cosine Research)成功实现了完整的反射镜模块的常规生产。

数以百计的反射镜镜面正在由Micronit Microfluidics公司定期制造,该公司长于微加工大量的玻璃和硅制品。

研究小组的另一个成员——凯塞—斯雷德(Kayser-Threde)公司已经对单个反射镜模块及其支撑机构进行了振动测试,说明该设计可以挺过发射过程。

无尘室内的叠合反射镜。(图片版权:cosine Research)

ESA观测炽热高能宇宙的新计划

2013年11月,ESA选少儿科普图书市场分析择了“炽热的高能宇宙”作为宇宙视野科学计划中的第二个大型计划(L2),实现它需要使用一架先进的X射线望远镜。

望远镜计划于2028年发射,它将回答两个关键问题,也就是普通物质是如何分布在如今所在的星系和星系团中的,为什么?还有几乎潜藏在所有星系核心的黑洞是如何生长并对周边环境产生影响的?

X射线下的炽热恒星。(图片版权:ESA/XMM世界环境日科普问题-Newton/EPIC/XMM-Newton-SOC/Boulanger)

现在距离望远镜的发射还有很多年,它所需要的基础光学技术正由ESA的技术研究计划(旨在将创新理念转化为可行的原型机)以及科研核心技术计划(旨在为未来的科学任务开发促成技术)联合开发。

(全文完)

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