空間物理與空間環境

中子星內部組成探測器NICER

時間:2017-03-02  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

 

中子星內部組成探測器NICER(原計劃2016年發射至國際空間站)主要科學焦點是中子星深度調查(星體壓縮到兩個太陽質量而體積只有一個城市大小),通過0.2~12 keVX射線實現,熱、磁和轉動能恒星輻射的電磁波段。NICER可以實現X射線定時和導航技術空間站探測(SEXTANT,驗證飛船脈沖星導航。

1. 引言

為實現長期存在和公認的天體物理研究目標, NASA的中子星內部組成探測器NICERNeutron star Interior Composition Explorer)有機會對中子星和實驗室不可能產生的物理環境中的奇異天體進行綜合研究。通過軟(0.2~12 keVX射線時間分辨光譜儀, NICER可以對中子星內部結構、高時變現象和強大磁層高能輻射進行探索。NASA戈達德航天中心GSFCGoddard Space Flight Center)為NICER提供了科學和工程領導,并與MIT Kavli研究所和工業伙伴合作。NICERX射線定時儀XTIX-ray Timing Instrument)(由56個相互對齊X射線“聚焦”光學器件與相關硅偏移探測器組成的陣列)具有高吞吐量和背景輻射低敏感性,其模塊化設計也隨之降低了風險可能性。GPS接收器提供所需的位置和時間參考,需要結合時間標記光子探測,使X射線測光和光譜獲得前所未有的時間分辨率和靈敏度。NICER也使史無前例的技術演示變得可能,包括:利用NICER關鍵科學目標、毫秒周期脈沖星,作為天文導航信標,進行實時在軌軌道確定。憑借其革新的X射線計時功能,NICER隨時準備回答核物理和中子星天體物理的基本問題,通過改進基于脈沖星的航天器導航使未來探索變得可能。

NICER通過對恒星半徑和質量測量探測中子星內部構成。通常,這些源自高質量光變曲線(X射線亮度調制隨星體旋轉,受到相對光線彎曲和多普勒頻移的影響),以及中子星雙星系統中所觀察脈沖到達時間的相對變動。NICER對快速自旋中子星實施旋轉分辨光譜分析,利用解決恒星模型的獨特能力實現光變曲線分析。預期科學成果是區分中子星狀態方程EOSstar equation of state)建議模型族和對核物理基本未知量的獨特約束,例如大塊核物質的不可壓縮性、三體相互作用勢和依賴密度的核對稱能量。

NICER也對時變現象進行調查,即中子星系統觀察的動態行為,從揭示新發現天體的基本自旋速率和描述自旋變化(源于內部和外部過程),到根據熾烈誕生推斷中子星冷卻的時間尺度。預期科學結果是,通過脈沖計時使質量和半徑測量成為可能,限制中子星最大旋轉速率、支持脈沖星計時陣列(Pulsar Timing Array)引力波搜索的長期時鐘穩定性、打開中子星震學新窗口等。

NICER通過旋轉相位相關光譜,探測到磁性層粒子加速和輻射過程。預期科學成果是超強磁場和引力場輻射模型有價值的新測試。

這些測量需要高精度、絕對時間、以及有效收集面積和任務總體曝光時間相結合,這些要求一起使累積光變曲線獲得前所未有的信噪比,以及合適的光譜覆蓋范圍和分辨率。已挑選出為基本科學項目確定的目標,最容易憑借其已知相關屬性使科學調查變得可能,例如亮度、自轉周期、時間穩定性、磁場強度等。另外,目前所未知, 由于持續的中子星搜索, NICER目標是可實現的,尤其射電、γ射線波段及其NICER自身。

2. 任務需求

NICER中子星結構、動力學、能量的科學目標推動了一系列測量和設計需求,確保任務成功執行。范圍包括整個任務周期階段,促進了有效載荷設計考慮(包括適應國際空間站和發射)、任務操作中心和科學運行。

 

 

1. NICER有效載荷示意圖

遮陽用藍色標記,置于指向和部署系統DAPSPointing and Deploy System)頂上。低一些位置吊桿附著在標準的飛行可拆除連接機構FRAMFlight Releasable Attachment Mechanism),連接國際空間站S3 ELC(ExPRESS Logistic Carrier)

NICER任務由兩個主要部分組成:飛行和地面。飛行部分包括NICER載荷及其host(圖1),后者位于國際空間站 ELC頂端的有效載荷。ELC要求提供結構支撐、電源、從地面上行指令的能力,以及數據處理、存儲和下行。地面部分由NASA機構基礎設施和任務專門要素組成。NASA MSFC的載荷運行集成中心POICPayload Operations Integration Center)通過NASA約翰遜航天中心JSC和空間網絡(Space Network),提供從地面到載荷的通信鏈路。NASA戈達德宇航中心GSFC的科學和任務操作中心SMOCScience and Mission Operations Center)作為NICER控制中心,提供載荷指揮、監控和所有數據處理(包括獲取、處理、存儲和產品分發到位于高能天體物理科學檔案研究中心HEASARCHigh Energy Astrophysics Science Archive Research Center)的NICER存儲庫)。

2.1 基本科學要求

NICER的頂層科學目標要求使半徑和質量測量達到5–10%量級,對于最少三個中子星而言;確定至少20個候選脈沖星的X射線通量調制特性;描述旋轉變化和爆發(例如脈沖星“glitches”時);月到年時間尺度建立毫秒脈沖星的內在旋轉穩定性;確定粒子加速的絕對旋轉相位和中子星磁層的輻射區域。

通過指定一組技術性能要求可使這些測量成為可能,也共同促進了儀器和任務設計。NICER的要求是:

·測量能量依賴X射線光變曲線形狀,累積足夠光子(通常105–6)來獲得5%半徑測量;

·測量Shapiro延遲效應,對于適當雙星系統(例如傾角≥ 80o,和/或伴隨質量≥ 0.5 M¤)脈沖星,其量級小到50 μs

·搜尋毫秒和亞毫秒時間尺度的周期和準周期脈動,其限制在1×10–14 erg/cm2/sec 0.5~10 keV通量;

·測量脈沖到達時間≤ 1 μs RMS,至少一月1次持續18個月,間隔小于3個月;

·光譜上區分熱和非熱X射線脈沖光譜,并測量其絕對相位,精度達到100 μs

2.2 設計原理和所選低級別要求

高級科學需求驅動著任務基本功能,此外,NICER實現所需功能,將國際空間站ISS帶來的較低風險和成本進行全面任務科學的機會看作有效載荷的任務機遇。

NICER的最高優先級科學源于對分布于天空少量目標進行的熱X射線脈沖光變曲線分析。模擬表明,根據光變曲線形狀細節信息,每個目標需要收集105-6個光子;可以通過有效收集面積和曝光時間的適當平衡來完成。旋轉動力脈沖星的熱釋放在1 keV以下達到能量峰值,因而需要低至0.2 keV條件的光子探測能力。在軟X射線,宇宙背景X射線在大于幾十arcmin2天區的散射光變得重要。需要窄視場FOVfield-of-view)儀器(不需要成像能力)NICER視場大小28 arcmin2,涉及光變曲線模型和搜尋先前未知脈沖的靈敏性研究。反過來,視場FOV的大小控制著收集X射線光學系統的性能、指向儀器的機動能力和獲得所需深度曝光的操作計劃。例如,NICER指向系統須將儀器觀測軸維持在目標66角秒之內,機械調整保證視光學/探測器瞄準在觀測軸54角秒之內。

一年臨界任務和保守假設33%運行效率,利用足夠時間(10 Msec=11/3)為三個中子星的光變曲線模型累計所需光子數(并完成剩余部分臨界任務),每個總曝光≤1.5 Msec。所需最低峰值有效收集面積Aeff ≥ 1333 cm2,類似于PSR j0437-4715,光子通量≥ 0.5 cts/ksec/cm2(對應0.2~2 keV能量通量,1MK黑體和1021 cm–2中性氫吸收柱約為1×10–13 erg/s/cm2)。因此,為滿足儀器級峰值Aeff要求,X射線采集系統必須全任務周期為1.5keVX射線提供≥4000 cm2的幾何收集面積和≥48%的效率。NICER的掠入射箔聚光器,光路具有合適的熱過濾器,滿足這項需求(見圖2)。幾何收集區域容納于國際空間站ISSELC有效載荷體積包絡,強制最大焦距;而焦距和收集區域通過X射線反射率的考慮,決定NICER儀器(56組聚光器/探測器對)模塊化:在掠角1.35°,最外面聚光器箔在0.2 keV提供 82%反射率,但在10 keV反射率低于0.1%。最后,滿足了整體收集效率要求,包括探測器屬性:為滿足儀器級峰值Aeff要求,X射線探測系統必須在整個任務期在1.5 keV提供≥ 67%量子效率。在探測器上,低能量效率通過適當薄的熱和光遮擋過濾器實現,而高能量要求是通過適當厚探測器滿足的。用一個冷卻硅設備來滿足探測器的能量分辨率要求(1 keV以下100 eV FWHM1 keV10 keV間是200 eV)。軌道額外背景源的降低(粒子和滲透電磁輻射)需要將否決能力(例如脈沖高度和上升時間辨別)和X射線探測器物理緊湊的事實相結合。

2. NICER預期有效面積與X射線光子能量的關系

XMM-Newton望遠鏡可計時PN照相機對比。峰值Aeff將近1,900 cm2,以增幅42%超過所要求最小量。

 

NICER長期脈沖時鐘穩定性測量目標強加了光子探測時間標記要求,需達到100 ns RMS,意味著探測器及其讀出系統、在軌載荷時間保持、NICER位置都最終與太陽系質心有關。計時誤差分配(表1)分解了組成成分的貢獻。硅偏移探測器的設計選擇滿足探測器分配,而在軌GPS接收機滿足絕對時間分配和位置不確定性。

1. NICER任務頂層光子time-tagging誤差分配達100 ns RMS全局不確定性

配置,RMSns

GPS位置

35.0

GPS時間參考

55.0

探測器(SDD/FPM)輸出事件時間

70.0

探測器讀出(MPU)時間戳

28.0

Harness電纜

7.0

總計(假設零相關)

100.0

為了避免任務脈沖時鐘穩定性測量長于3個月,具體說明了太陽回避Sun-avoidance的要求:NICER必須具備調整太陽角與儀器觀測軸低至45°的能力。

3. 運行設想

3.1 發射與安裝

SpaceX已證實將NICER送到國際空間站ISS,使用獵鷹9(Falcon 9)火箭和飛龍(Dragon)運載工具進行任務補給。一旦運載工具停泊到國際空間站ISSNICER將進行完全機器人安裝,沒有任何宇航員協助,其操作序列高度精確設計,涉及空間站遠程操縱系統(Space Station Remote Manipulator SystemSSRMSrobot arm”)和專用靈巧操縱器(Special Purpose Dexterous ManipulatorSPDM或“Dexter”)。預期有效載荷有幾次電力供應中斷—NICER設計能至少6個小時在未上電狀態下存活,假設“預熱”時期有充分的通告和足夠電源。飛龍運載工具的不耐壓Trunk和國際空間站ISS臨時集結區能給機器人傳送提供必要的預熱電源優先權,包括暫停生存加熱操作。最終,NICER被運載到ELC2(國際空間站頂端,參見圖3)位置7(舷外,ram),有效載荷的Active FRAMELCPassive FRAM相匹配,固定在該位置并加電。

 

3.國際空間站ISS機器臂所獲照片展示ELC2位置7(紅圈表示)(未來NICER載荷將安裝對接的位置)

3.2 初始檢驗、部署和校準

有效載荷健康與安全的初始工程評估將包括與NICERavionics通信,主電子盒MEBMain Electronics Box)與其它電氣子系統間的名義通信驗證,包括:星跟蹤數據處理單元ST-DPUStar Tracker Data Processing Unit)、X射線探測器測量/供電單元MPUMeasurement/Power Units)和平衡控制電子學GCEGimbal Control Electronics)。探測器將在NICER暴露太空探測背景事件前被激活。當科學和任務操作中心SMOC的操作員驗證完基本指令和電路連通性后,NICER的一次性啟動鎖(由四個FrangiboltsTiNi Aerospace, Inc.)組成)將在SMOC連續實時監測下解開。在確認所有啟動鎖脫離后,NICER將進行首次部署,而電機激活需要對安全條件和多條命令進行評估。

部署序列包括1)激活自鎖驅動器來打開部署執行器,2)旋轉部署執行器擺動吊桿指向天頂方向,3)激活自鎖驅動器,在部署配置中鎖定部署執行機構,4)激活提升執行機構旋轉XTIELC上,便于星體跟蹤器、GPS天線和X射線光學的一覽無遺天空視角。

初始校準包括:

·使用包括工程遙測的偽距數據,同時在軌和地面后處理中驗證時間和定位的GPS解決方案;

·使用遙測四元數和圖像幀驗證星體跟蹤器性能;

·通過對亮的緊湊X射線源(如蟹狀星云)實施掃描,驗證星跟蹤器是否在X射線觀測軸對準。記錄所有56個探測器上X射線計數率作為指向函數,通過分析經驗判斷與星體跟蹤器視軸相關的最佳儀器觀測軸。

3.3 觀測策略

NICER科學團隊保留一份目標清單,并在基本任務過程中更新。這份目標清單通告NICER觀測的長期(提前1-3個月)計劃。長時間尺度上,目標可見性受到太陽回避帶Sun-avoidance cone(圖4)和國際空間站ISS軌道平面進動影響。

 

4. NICER目標廣布天空

圖中采用黃道坐標系,藍色標記代表200個已知感興趣天體目標,包括校正目標,綠色標記模擬50個隨機分布的機會目標。3個月周期太陽路徑集中在冬至(1221日),圖中用寬箭頭表示。對于太陽45°回避角,開始禁區(黃色)、中間(橘色)、和結束(紅色)的周期為長虛線邊框,而深紫色輪廓圍住這3個月將受太陽影響的整個區域。不受影響目標始終可見,圖中用實心圓圈表示;空心圓圈是受限可視目標。銀河系中心位置用淡藍色十字叉表示由于目標集中在銀河系內區,此區間描繪Sun avoidance代表NICER目標收集可視性的最差影響。

 

在更短期(幾天到1周),科學團隊成員和SMOC員工根據科學優先次序、目標可視度、ISS操作(例如飛船到達或離開、宇航員艙外活動、軌道重置等)來制定觀測計劃。這些計劃通常受NICER關鍵科學目標(毫秒脈沖星,例如J0437–4715J0030+0451)主導,也監測其它長期變化(例如磁星)或爆炸行為。考慮到即時感興趣目標,例如爆發中吸積雙星系統或即將近期爆發的尚在冷卻狀態的雙星系統。最后,對目標(例如蟹狀星云)進行校準監測和trending在例行計劃安排中也具有重要作用。

通常一天NICERSMOC有多次機會上行命令,但實際上,每隔幾天上行一次,除非發現感興趣的瞬態目標(通過其它任務或地面望遠鏡),這時可以授權打斷NICER預先計劃安排。正常上行時,將大量命令時間線和跟蹤目標坐標發送到有效載荷。設計該時間線以最大化觀測效率。對給定軌道,NICER通常觀測三個天體目標。首先跟蹤第一個天體目標,直到遇到觀測約束(太陽角、地球角或ISS障礙)。接下來,NICER將轉到下一新目標,直到再次遇到觀測約束。然后,NICER將轉到第三個目標,并在有效持續時間內進行跟蹤。重復這個過程直到累積達到預定曝光時間。隨著原始目標觀測效率下降,新目標將進入計劃日程安排。

通過對太陽、地球、月亮,以及國際空間站ISS結構干擾對X射線或星體跟蹤器視場FOVs的可視性分析,表明僅基于可視性的觀測效率很高(大約80%),受目標之間回轉定位耗時的無效事件影響。而其它對觀測效率的影響(比如國際空間站ISS運行、通過高輻射軌道環境與不適宜熱環境等),估計將NICER科學運行整體效率降低到54%,但也遠比最低要求33%要高。

3.4 遙測數據

NICER載荷收集的至少90%科學數據需要傳輸并存檔到地面。實際上對數據的完整性期望會更高。這些科學數據通過以太網連接傳輸下來,大約80%時間,國際空間站ISS通過中繼星TDRSSTracking and Data Relay Satellite System)與地面實時聯系。如果以太網不可用,NICER將使用MIL-STD-1553串行鏈路來進行上行指令,以及housekeeping數據下行(科學數據記錄于在軌存儲器)。國際空間站ISS在通信間隙存儲數據,并在下次聯系時回放數據。數據延遲通常遠小于1小時,數據完整性通常> 99.5%。如果數據丟失了, SMOC將要求從POICNICER在軌數據存儲器上重新傳輸。

NICER將以CCSDS格式(“0級”)下行緩沖科學數據。SMOC將校正和處理數據,生成高級產品:1級產品將被校正為根據不同目標組織的“事件列表”;2級產品是篩選排除不良數據的事件列表;3級產品包含自動從篩選事件列表中提取的光變曲線和光譜。

 

5. 載荷結構示意圖

根據星跟蹤器向導,NICER載荷利用DAPS系統萬向高度方位角(elevation-over-azimuthEl/Az)執行器,來指導面向天體目標的XTIDAPS系統通過部署和封鎖執行機構固定在活動FRAM上。通過高功率開關(High Power SwitchHiPoS)盒來管理有效載荷電源。

 

4.1 機械/結構

除了國際空間站ISS FRAM載荷要求的質量與體積限制,機械設計受限于發射負載、發射和處置的最小結構模態頻率、XTI運動質量慣性矩、星跟蹤器之間對準偏差維持、X射線聚光器光學(X-ray concentrator optics, XRCs)、探測器、集成過程以及在軌各種熱條件。定義了XTI和其它關鍵組件之間接口,例如FRAMDAPS、星體定位跟蹤器、電子學盒、探測器MPUs。根據廣泛分析,對具體設計進行選擇,包括發射鎖結構、XRC和探測器焦平面模塊(Focal Plane ModuleFPM)結構、遮陽篷。XRCFPM結構的工程模型已經制造出來,并已接受性能和振動測試。

4.2 指向

NICER最復雜的子系統負責將高質量和慣性矩的XTI精確指向慣性目標,補償國際空間站ISS1角分水平的軌道運動,這種場合包括國際空間站ISS振動抖動和其他干擾(如步進電機抖動、諧波驅動缺陷和控制回路限制)。部署和指向系統DAPSDeploy and Pointing System)有關鍵機械、電氣、熱,以及XTIFRAM飛行軟件接口;重要的是,它使XTI重新裝載到一個類似發射時的緊湊裝置,消除任何潛在的NICER對國際空間站ISS操作的影響。重要分析已經通告了執行器硬件、控制電器、星體跟蹤器、指向飛行軟件的性能規范定義。多種工程模型的測試正在進行中。

NICERDAPS硬件是由Moog, Inc. (Chatsworth Operations)提供的。NICER的星跟蹤器,即微先進恒星羅盤(Micro Advanced Stellar Compass),包括一個合適擋板,由Technical University of Denmark提供。

4.3 電子

國際空間站ISSELC有效載荷generous功率調節簡化了NICER的電學設計(某些情況下需要以復雜熱設計作為代價)。國際空間站ISS要求的對早期電氣結構的更改,包括接地變動來隔離ISS結構體returns,以及從ELC管理電源的高功率switching能力的設計。

NICER主電子器件盒MEB(提供飛行指令和數據處理avionicsGPS接收機和處理器、功率分布)及平衡控制電子學(Gimbal Control Electronics)主要由Moog, Inc.(Broad Reach)提供。

4.4

存儲熱能以便電子器件在延長斷電期間(6個小時)保持生存溫度,這是一個重要的設計驅動,需要將相變材料集成到電子器件deck結構。減緩集成光學試驗臺(Integrated Optical Bench)的溫度梯度,最小化鋁結構熱機械變形,是NICER指向安排中的關鍵組成部分,整個過程通過光學和探測器平板上軟件控制的加熱器完成。熱硬件、覆蓋和涂料配置是基于國際空間站ISS軌道大范圍β角度和多個現實目標跟蹤序列的分析,模擬XTI上的太陽照度。

4.5 X射線光學

基于不需成像的事實,NICER單反射X-ray concentrators代表high-heritage掠入射光學的簡化,相比包含兩種(主鏡和次鏡)反射的傳統安排,可獲得效率的顯著提高。NICER光學設計另一新穎地方是賦予復制、鍍金鋁箔的拋物線圖,優化XRCs的環繞能量函數。許多工程模型XRCs已配備并測試了性能,滿足或者超越了包括振動測試的環境測試前后的要求。

4.6 X射線探測器

模擬和數字探測器讀出電路可以生成X射線光子探測事件的空前時間戳和近似最佳的硅探測器能量測量。一個新穎的雙通道讀出方法也可鑒別遠離探測器中心的光子,提供一種區分光學聚焦宇宙X射線和輻射背景事件的方法。MITNoqsi Aerospace, Inc.提供探測器焦平面模塊FPM/供電單元MPU子系統,并與Amptek, Inc.提供的適當定制硅偏移探測器結合在一起。

4.7 SEXTANT

NICERXTI和操作概念為脈沖星飛船導航SEXTANT演示提供一個理想平臺。SEXTANT團隊受NASA空間技術任務董事會資助,正在對NICER在軌處理光子事件的飛行軟件進行研發改進,并期望實時獲得110千米軌道解決方案。

SEXTANT系統測試開始于2014年后半年,利用戈達德航天中心GSFCXNAV實驗室測試脈沖仿真器,向NICERXTI提供X射線stimulus,調制出現,雖然載荷已在軌觀測一系列毫秒脈沖星。

 

 

文獻來源:Z. Arzoumanian, K. C. Gendreaua, C. L. Baker, et al., The Neutron star Interior Composition Explorer (NICER): mission definition, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 914420.

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