NuSTAR

NuSTAR ( Nuclear Spectroscopic Telescope Array , también llamado Explorer 93 y SMEX-11 ) es un telescopio de rayos X espacial 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 con energías superiores a las del Observatorio de Rayos X Chandra y el XMM-Newton . Su lanzamiento tuvo éxito el 13 de junio de 2012, tras haber sido retrasado desde el 21 de marzo de 2012 debido a problemas de software en el vehículo de lanzamiento. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Los principales objetivos científicos de la misión son realizar un estudio exhaustivo 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 la obtención de imágenes de los restos de supernovas .

Habiendo completado una misión principal de dos años, ^{[ 7 ]} NuSTAR está en su decimocuarto año de funcionamiento.

El predecesor de NuSTAR, el Telescopio de Enfoque de Alta Energía (HEFT), era una versión transportada por globo que llevaba telescopios y detectores construidos con tecnologías similares. En febrero de 2003, la NASA publicó un Anuncio de Oportunidad (AoO) del programa Explorer. En respuesta, NuSTAR se presentó a la NASA en mayo de 2003, como una de las 36 propuestas de misión que competían por ser la décima y la undécima misiones 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 NuSTAR para su lanzamiento, pendiente 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 para 2007. El 21 de septiembre de 2007, se anunció que el programa se había reiniciado, con un lanzamiento previsto para agosto de 2011, aunque posteriormente se retrasó hasta junio de 2012. ^{[ 6 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

La investigadora principal es Fiona A. Harrison del Instituto Tecnológico de California (Caltech). Otros socios importantes incluyen el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), la Universidad de California, Berkeley , la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), la Universidad de Columbia , el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC), la Universidad de Stanford , la Universidad de California, Santa Cruz , la Universidad Estatal de Sonoma , el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Agencia Espacial Italiana (ASI). Los principales socios industriales de NuSTAR incluyen Orbital Sciences Corporation y ATK Space Components .

La NASA contrató a Orbital Sciences Corporation para lanzar NuSTAR (masa 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 pospuso aún más para permitir tiempo para 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 del 13 de junio de 2012 ^{[ 3 ]} aproximadamente 117 mi (188 km) al sur del atolón de Kwajalein . ^{[ 15 ]} El vehículo de lanzamiento Pegasus fue liberado 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 ]}  

Espejos de rayos X anidados de NuSTAR

Enfoque de rayos X con un sistema óptico Wolter tipo 1

A diferencia de los telescopios de luz visible, que emplean espejos o lentes con incidencia normal, NuSTAR debe utilizar óptica de incidencia rasante para enfocar los rayos X. Para ello, se utilizan dos ópticas cónicas de diseño Wolter con una distancia focal de 10,15 m (33,3 pies) en el extremo de un mástil desplegable . Un sistema de metrología láser determina en todo momento la posición relativa exacta de la óptica y el plano focal, de modo que cada fotón detectado pueda ser mapeado al punto correcto en el cielo, incluso si la óptica y el plano focal se mueven entre sí durante la 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 de densidad variable (capas atómicamente delgadas alternas de un material de alta y baja densidad); con la elección de multicapas de Pt/SiC y W/Si por parte de NuSTAR, esto permite una reflectividad de hasta 79  keV (la energía del borde K del platino ). ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Las lentes se fabricaron en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard calentando láminas delgadas ( 210 μm (0,0083 pulgadas) ) de vidrio flexible en un horno, de modo que se deformaran sobre mandriles cilíndricos de cuarzo pulidos con precisión y del radio adecuado. Los recubrimientos fueron aplicados por un grupo de la Universidad Técnica de Dinamarca .  

Las carcasas se ensamblaron en los Laboratorios Nevis de la Universidad de Columbia, utilizando espaciadores de grafito mecanizados para mantener el vidrio en forma cónica, y se unieron con resina epoxi. En total hay 4680 segmentos de espejo (las 65 carcasas internas constan de seis segmentos cada una y las 65 externas de doce; cada carcasa tiene segmentos superior e inferior, y hay dos telescopios); cada segmento lleva cinco espaciadores. Dado que la resina epoxi tarda 24 horas en curarse, se ensambla una carcasa por día; se necesitaron cuatro meses para construir una óptica.

El telescopio propiamente dicho consta de dos módulos de plano focal (FPM) separados, denominados FPMA y FPMB. Estos dos FPM están construidos para ser similares, aunque no idénticos. Dependiendo de la fuente y de la observación, uno de los módulos suele reportar un mayor número de cuentas. Esto se corrige en la etapa de resultados científicos, generalmente aplicando un multiplicador constante durante el ajuste espectral y el análisis de la curva de luz. ^{[ 20 ]}

La función de dispersión de punto 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 excepcionalmente buena para enfocar ópticas 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 zinc y cadmio (CdZnTe) de estado sólido ^{[ 21 ]} rodeado por un escudo anticoincidencia 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 dimensiones 20 × 20 mm (0,79 × 0,79 pulg.) y espesor ~ 2 mm (0,079 pulg.) que se han cuadriculado en 32 × 32 × 0,6 mm (1,260 × 1,260 × 0,024 pulg.) 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 que funcionan a temperatura ambiente y son muy eficientes en la conversión de fotones de alta energía en electrones . Los electrones se registran digitalmente mediante circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) personalizados, diseñados por el equipo del plano focal de NuSTAR del Instituto Tecnológico de California (Caltech). 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 amplitud de pulso y leen la información de amplitud de pulso de este píxel, así como de sus ocho vecinos. El tiempo del evento se registra con una precisión de 2 μs con respecto al reloj integrado. La ubicación del evento, la energía y la profundidad de interacción en el detector se calculan a partir de las señales de los nueve píxeles. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Los planos focales están protegidos por cristales de yoduro de cesio (CsI) que rodean las carcasas de los detectores. Estos cristales, fabricados por Saint-Gobain , registran fotones de alta energía y rayos cósmicos que atraviesan el plano focal desde direcciones distintas al eje óptico de NuSTAR. Dichos eventos constituyen el fondo principal de NuSTAR y deben identificarse y restarse correctamente para poder detectar fotones de alta energía procedentes de fuentes cósmicas. El blindaje activo de NuSTAR garantiza que cualquier evento del detector CZT que coincida con un evento del blindaje activo sea ignorado.

Desde su lanzamiento, NuSTAR ha realizado numerosos descubrimientos en una amplia variedad de áreas de la investigación astrofísica.

Medición del espín de un agujero negro supermasivo

En febrero de 2013, la NASA reveló que NuSTAR, junto con el observatorio espacial XMM-Newton , había medido la velocidad de rotación 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 observar cómo el material de la corona se acercaba al horizonte de sucesos . Esto provocó que las porciones internas del disco de acreción del agujero negro se iluminaran con rayos X , lo que permitió a los astrónomos estudiar esta región esquiva para determinar las velocidades de rotación. ^{[ 24 ]}

El telescopio NuSTAR ha capturado estas primeras imágenes nítidas del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, utilizando luz de rayos X de alta energía.

Agujero negro con corona, una fuente de rayos X (concepto artístico) ^{[ 25 ]}

Desenfoque de rayos X cerca de un agujero negro (NuSTAR; 12 de agosto de 2014) ^{[ 25 ]}

Seguimiento de la radiactividad en un remanente de supernova

Uno de los principales objetivos de NuSTAR es caracterizar las explosiones estelares mediante el mapeo del material radiactivo en los remanentes de supernovas . El mapa de NuSTAR de Cassiopeia A muestra el isótopo titanio-44 concentrado en cúmulos en el centro del remanente y apunta a una posible solución al misterio de cómo explotó la estrella. Cuando los investigadores simulan explosiones de supernovas con computadoras, a medida que una estrella masiva muere y colapsa, la onda de choque principal a menudo se detiene y la estrella no se fragmenta. Los hallazgos más recientes sugieren firmemente que la estrella en explosión literalmente se agitó, reenergizando la onda de choque detenida y permitiendo que la estrella finalmente expulsara sus capas exteriores. ^{[ 26 ]}

Detección de luz reflejada detrás de un agujero negro

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 llegaba 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 se curvaba debido a la alta curvatura del espacio-tiempo, dirigiéndose al detector después del destello inicial. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

Estrella de neutrones ultraluminosa que viola el límite de Eddington.

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 ultraluminosa (ULX). ^{[ 34 ] [ 35 ]}

• Programa Explorador
• Gravedad y magnetismo extremo , telescopio de rayos X duros que medía la polarización (cancelado en 2012)
• Telescopio espacial James Webb , telescopio infrarrojo lanzado el 25 de diciembre de 2021.
• XRISM , telescopio de rayos X conjunto japonés-estadounidense
• Lista de telescopios espaciales de rayos X

• Sitio web de NuSTAR en nasa.gov
• Sitio web de NuSTAR en caltech.edu
• Construcción, lanzamiento y uso del observatorio de rayos X NuSTAR , charla de Melania Nynka del Instituto Kavli del MIT.

Lecturas adicionales

• Craig, David J. (Primavera de 2010). "Especificaciones de rayos X" (PDF) . Universidad de Columbia : 24–27 .
• Harrison, Fiona A.; Boggs, Steve; Christensen, Finn; Craig, William; Hailey, Charles; et  al. (29 de julio de 2010). Arnaud, Monique; Murray, Stephen S.; Takahashi, Tadayuki (eds.). El conjunto de telescopios espectroscópicos nucleares (NuSTAR) (PDF) . Telescopios e instrumentación espacial 2010: ultravioleta a rayos gamma. Vol.  7732. pág.  77320S. arXiv : 1008.1362 . Bibcode : 2010SPIE.7732E..0SH . doi : 10.1117/12.858065 . S2CID 121923451. Archivado del original (PDF) el 17 de julio de 2011.