核光谱望远镜阵列卫星

美国研制的望远镜

“核光谱望远镜阵列” (Nuclear Speetroscopic Telescope Array，NuSTAR)是美国研制的Wolter Ⅰ型X射线空间望远镜，首次采用掠射技术对5～80keV的硬X射线源(尤其是核光谱)直接成像，于2012年6月13日在夸贾林岛用飞马座XL(Pegasus-XL)火箭发射。NuSTAR是美国国家航空航天局(NASA)“小型探险者”(SMEX)计划中的第11个任务(SMEX-11)，平台由美国轨道科学公司制造，星载设备由加州理工学院、喷气推进实验室、加州大学伯克利分校、哥伦比亚大学、NASA戈达德航天飞行中心、劳伦斯利佛莫尔国家实验室及丹麦技术大学等机构提供。

发展背景

核光谱望远镜阵列（NuSTAR）可以看到其他望远镜无法看见的高能X射线，为研究最古老黑洞和最年轻超新星提供了一条新的途径。

千百年来，天文学家仅用自己的眼晴来审视我们的宇宙。虽然对我们来说相当有用，但肉眼只能探测到一种类型的电磁辐射——可见光。人类花了很长时间，才把目光移到了这个有限的波长范围之外。1800年，生于德国的英国天文学家威廉·赫歇尔发现了红外辐射；次年，德国物理学家约翰·威廉·里特发现了紫外线。在这之后，微波（1864年)、射电波（1887年)、X射线（1895年）和γ射线（1900年）相继被发现。每当在电磁波中开辟出新的领域，新的发现就会接踵而至。

在过去的一个世纪里，天文学家已经研究了所有形式的辐射，但始终无法在高能X射线波段获得清晰的影像，科学家们用电子伏特来定量描述辐射的能量可见光的能量在1.6〜3.4个电子伏特之间。高能X射线的能量要高得多，在3000电子伏特79000电子伏特。观测这些“硬” X射线辐射正是核光谱望远镜阵列（NuSTAR）的专长。

发展历程

地球的大气层会完全吸收掉这些高能的辐射--对我们来说是幸运的事情！但对天文观测来说，就得另辟蹊径。科学家们多年来一直使用高空气球、探空火箭以及卫星来摆脱大气层的干扰。

在NuSTAR之前，人类已经发射了一系列观测高能射线的空间望远镜，包括1978年发射的爱因斯坦天文台、伦琴X射线天文台（1990年发射）、钱德拉X射线天文台（1999年发射）和牛顿X射线多镜面望远镜（1999年发射）。不过，这些望远镜中的探测器只能探测能量在100电子伏特〜10000电子伏特之间的X射线辐射。鲜有卫星能在既不产生相当大的背景干扰又具有足够灵敏度的情况下观测到能量更高的X射线。

2005年，美国航宇局批准了NuSTAR项目，但一年后却由于预算削减而被取消。差一点就胎死腹中。幸运的是NuSTAR的团队最终说服了美国航宇局。

2012年6月13日，搭乘一枚“飞马” XL空射火箭，NuSTAR发射升空。现在，有几十个科学家和工程师团队正在通过NuSTAR所打开的这扇窗口来望宇宙。

科学目标

NuSTAR的主要科学目标是探测质量超过太阳1010倍的宇宙黑洞，了解活动星系核中粒子的加速机制，并研究超新星遗迹。NuSTAR已拍摄到银河系中心一个超大质量黑洞的第一批图像。

银河系的核心是NuSTAR的首批观测目标。可见光望远镜无法穿透银心附近区域中的气体和尘埃云。幸运的是，高能X射线可以轻易地穿过所有这些物质，让NuSTAR能看到它们。

天文学家把NuSTAR指向了——但并没有直接对准——银河系的中心，那里潜藏着一个超大质量黑洞。它被称为人马A*,质量是太阳的大约400万倍。

科学家们也会使用NuSTAR来寻找位于其他星系中的黑洞。它首先会观测那些已经发现可见光和红外对应体的目标，即它们的位置和X射线源相重合。X射线单独无法告诉天文学家很多有关这些天体的信息，但其他波长的辐射例如可见光则可以。

主要性能参数

NuSTAR质量350kg，设计工作寿命2年，运行在高度550km、倾角约6°的轨道上。

NuSTAR使用两组掠射式聚焦光学系统，每组包括130个同心锥体。光学系统由丹麦技术大学和哥伦比亚大学开发。总长度为450mm，最大半径为191mm，焦距为10.15mm。2台掠射镜分别对同一目标成像，然后经地面处理后合并成所需图像。2台掠射镜的焦平面各有4个32×32像素的镉锌碲半导体敏感元件，其外壳用碘化铯晶体作为屏蔽，排除背景干扰。

NuSTAR采用折叠结构，掠射镜与焦平面/探测器之间用伸缩杆相连，以减小体积和质量。伸缩杆在发射时呈折叠状态放置，入轨后依据地面指令逐级展开伸长至10m，掠射镜一端指向探测器的2台星载激光测量仪，在全过程中精确校准光路。

特点分析

NuSTAR是一种掠射式望远镜，由两个对齐的沃尔特望远镜构成。这是因为普通的望远镜镜面要么会吸收X射线，要么对X射线来说是透明的。 NuSTAR的镜面具有特殊的镀膜，对于入射的辐射其倾角不超过2°。于是，X射线会在反射镜上以很小的角度被反射。它每一个光学组件的焦距都长达10.2米，位于一根长桅杆的端部。NuSTAR进入轨道之后，桅杆就会伸展开。

为了聚焦X射线，除了需要小角度反射之外，还要使用特殊的材料。在此前的任务中采用黄金和铂金这样的高密度元素作为涂层材料，但对于高能量X射线而言它们的效果并不理想。因此，对于NuSTAR,工程师为其涂覆了 400层超薄材料，高密度（铂和钨）和低密度（硅和碳化硅）的材料交替出现。相比于之前的X射线望远镜，它在高能段上的灵敏度更高，分辨率也比以往提高了10倍。

NuSTAR每个光学聚焦器件实际上是一组由内而外相互嵌套的130个同心壳层。工程师在壳层之间放置了石墨垫片，并用环氧树脂将它们束缚在一起。65个内壳层各有6个反光镜面，而65个外壳则每个含有12个镜面。

按计划，NuSTAR主任务阶段只有2年，美国航宇局现在已经延长其工作时间。科学家们将用它来研究不可见的高能宇宙，尤其是天文学所钟爱的黑洞、耀变体和超新星。

卫星发射情况

据美国航空航天局网站报道,NASA的“核光谱望远镜阵列”(NuSTAR)于2012年6月13日从太平洋中部海域发射入轨，该卫星将研究黑洞等宇宙秘密。

NuSTAR将向NASA的大型任务提供补充数据，这些大型任务包括费明（Fermi）、钱德拉(Chandra)、哈勃(Hubble )和斯必泽(Spitzer)。

NuSTAR将使用独特的设备观测宇宙爆发的最高能X射线。这个观测台能够穿透气体与尘埃，揭示银河系内及遥远银河系内隐藏的黑洞。

发射时,先由轨道科学公司的L-1011“占星者”载机将“飞马座”火箭及火箭前端的NuSTAR卫星一起运至空中。它们悬挂在飞机机腹下方。2012年6月13日12时火箭抛落，自由坠落5秒后，启动第一级火箭发动机。之后，星箭分离，卫星进人预定的低地球轨道。12时14分，收到航天器发出的首个信号。

望远镜采用的独特设计包括一根10 m左右的桅杆，发射时折叠存放。发射后7天左右，工程师们将展开桅杆，使望远镜准确聚焦。大约23天后,按计划开始科学观测任务。

除了黑洞及其强大的喷射，NuSTAR还将研究宇宙中许多高能天体。

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