Ziua de 13 iunie a adus lansarea unei noi misiuni stiintifice americane. Este vorba de NuSTAR sau ‘Nuclear Spectroscopic Telescope Array’, un satelit construit si lansat de Orbital Sciences Corporation, dar operat de ‘California Institute of Technology’ pentru NASA.
Continuam articolul nostru despre NuStar, cu partea a doua, prezentarea satelitului propriu zis si a ceea ce comunitatea stiintifica doreste sa realizeze cu ajutorul lui.
NuStar este al 11-lea satelit din programul SMEX-“NASA Small Explorer” si a costat agentia spatiala americana aproximativ 180 de milioane de dolari. In februarie 2003 NASA deschidea un program pentru selectia a doua din misiunile sale SMEX. In luna mai a aceluiasi an, NuStar a fost propus alaturi de alte 36 de idei, iar in ianuarie 2005 era ales. In februarie 2006, proiectul a trecut printr-o faza dificila, cand, din cauza reducerilor de costuri ale agentiei era anulat. In septembrie 2007 proiectul gasea din nou sprijin financiar si era aprobat pentru o lansare in august 2011, care in final s-a amanat pentru iunie 2012.
NuStar a fost construit pe platforma LeoStar 2 a companiei Orbital, o platforma mica spre medie, folosita de sateliti din clasele SMEX, MIDEX, ESSP sau Discovery. Platformele LeoStar sunt lansate de rachetele Pegasus, Taurus, Minotaur sau Delta in orbite de obicei LEO (450-1000 km altitudine si 28-110 grade inclinatie), dar nu numai (spre exemplu misiunea interplanetara Dawn).
Greutatea satelitilor variaza intre 225 si 1000 kg, cu o greutate totala a instrumentatiei stiintifice de pana la 550 kg.
Comunicatia se realizeaza in banda S pentru comenzi (2-128 kbps) si telemetrie (2 Mbps), cu o optiune separata de descarcare de date stiintifice in banda X (300 Mbps).
Satelitii sunt stabilizati triaxial-ca performante acuratete peste 1 arcsec/s si viteza de rotatie intre 1 si 3 grade/s pentru fiecare axa. La bord exista camere stelare, giroscoape si receptori GPS. Controlul satelitului se face cu ajutorul unui sistem de volanti de reactie si a unui sistem de motoare (4 de cate 220 N si 5 de cate 5 N) pe baza de hidrazina.
Durata de viata poate ajunge pana la 10 ani.
NuStar are cateva obiective stiintifice clare:
-sa observe indeaproape gaurile negre si sa vada cum sunt ele distribuite in spatiu
-sa studieze exploziile supernovelor tinere, cum se nasc elementele chimice si cum explodeaza stelele
-sa studieze conceptul acceleratoarelor cosmice si mecanismul care alimenteaza cele mai active galaxii
-sa identifice sursele de energie ridicata din galaxia noastra
-sa identifice exploziile de tip ‘gamma ray burst’
-sa fotografieze micile explozii solare
-sa studieze originea radiatiei cosmice
Cum functioneaza insa NuStar?
NuStar este un telescop spatial ce va detecta radiatia electromagnetica de tip X din spatiul cosmic- adica cea cu lungimi de unda intre 0.01 si 10 nm, frecvente intre 3×1016 Hz si 3×1019 Hz si energii intre 100eV si 100keV.
Nu este primul telescop spatial in gama X , alte 2 misiuni au scris deja istorie in acest domeniu –XMM si Chandra, dar spre deosebire de acestea, NuStar se va concentra pe un spectru diferit-radiatia cu energie cuprinsa intre 5 si 80keV. Fata de predecesoarele sale terestre care au operat in acest spectru, NuStar va imbunatati sensibilitatea observatiilor cu un factor de 50-100. O buna parte din tehnologie este preluata tocmai de la acestea-poate cel mai apropiat exemplu fiind High-Energy Focusing Telescope (HEFT), un experiment al NASA care folosea un balon pe care se montau un telescop si detectoarele aferente.
Pe viitor alte doua misiuni spatiale i se vor alatura lui Nustar: cea japoneza Astro-H si cea americana GEMS (Gravity and Extreme Magnetism SMEX).
Prin natura lor, observatiile radiatiei X implica tehnologii speciale, pentru ca aici interactiunea particulelor, cu energie mare, se traduce in cresterea semnalului de fond la nivelul detectorului.
In mod obisnuit, la telescoapele traditionale vorbim despre un factor de 1:1000 intre aria detectorului si aria colectorului pentru ca acolo, eficienta depinde in directa masura de cantitatea de radiatie colectata.
La telescoapele gen NuStar insa, doar 50% din suprafata detectorului ajunge sa fie folosita in mod practic. Aici, unghiul de reflectie este in directa corelare cu energia radiatiei, ceea ce inseamna ca pentru a lasa cat mai multa radiatie sa treaca spre detector, avem nevoie de un unghi de reflectie cat mai mic. Din pacate insa, unghiul de reflectie mic inseamna in acelasi timp un camp vizual mic, ceea ce nu este de dorit.
Detectorul trebuie construit din materiale cu numere atomice mari, pentru o defocusare corecta este nevoie de o lungime focala mare, iar optica trebuie bine izolata si sa ofere unghiuri de reflectie foarte mici, lasand totusi un camp vizual rezonabil.
Care a fost asadar solutia aleasa de proiectanti pentru NuStar?
Tabelul de mai sus listeaza parametrii cei mai importanti ai telescopului de pe NuStar. El are trei componente principale: partea optica, suportul telescopului si detectorul.
Detectorul, produs de eV Products, consta in 4 arii a cate 32x32 de pixeli construiti din CdZnTe. Sunt de fapt 2 detectoare, cate unul pentru fiecare element optic, ce produc simultan doua imagini ale aceleiasi portiuni de cer. Imaginile sunt apoi prelucrate si combinate la sol.
Detectoarele sunt montate in doua tuburi ceramice – cristale de Cesium-Iodine (CsI), produse de compania Saint-Gobain, la randul lor protejate de o carcasa speciala. Tuburile ceramice sunt de fapt o componenta activa pentru ca au rolul de a masura fotonii cu energie ridicata sau radiatia cosmica ce traverseaza detectorul din alta directie decat axa optica si care constituie radiatia de fond ce trebuie filtrata cand se citeste semnalul.
Suportul telescopului este construit de ATK Space Systems Goleta dupa un proiect similar folosit de sistemul “Shuttle Radar Topography Mission” (SRTM) pe naveta spatiala Endeavor in februarie 2000. Acela avea o lungime de 60 m, dar in cazul lui NuStar nu a fost nevoie decat de 10.15 m.
Alinierea opticii cu detectorul se face in zbor, cu ajutorul unui mecanism special si in urma unei campanii speciale de calibrare.
In acest fel se rezolva problema distantei focale mari (de-focalizarii) pe o platforma mica si usoara- spre comparatie cu XMM sau Chandra, sateliti masivi de 4 tone si cu lungimi de 10 m.
Optica (de fapt compusa din doua elemente distincte) incorporeaza 133 de straturi concentrice din sticla tip D263 (cu raza variind de la 51 mm pentru straturile interioare pana la 191 mm pt straturile exterioare, o lungime de 225 mm si o grosime de 0.21 mm), cu un numar total de 4680 de segmente optice Wolter 1 de tip hiperbola-parabola, pe care se aplica straturi succesive de protectie din materiale cu densitate mare si materiale cu densitate mica pentru a imbunatati reflectia (Pt/SiC si W/Si).
http://www.x-ray-optics.de/index.php?option=com_content&view=article&id=59&Itemid=71&lang=en#Wolter_opticsStraturile sunt fixate prin lipire cu solutie F131 epoxy pe o structura din grafit tip DS-4 care le asigura rigiditatea, iar aceasta se ataseaza tot prin lipire carcasei de titaniu a instrumentului.
Tabelul de mai jos rezuma caracteristicile tehnice ale opticii telescopului NuStar.
NuStar va zbura intr-o orbita 575 km x 600 km x 6 grade inclinatie orbitala, aleasa special pentru a ii oferi o durata de viata rezonabila (estimat 5 ani) dar si pentru a evita expunerea directa la Soare sau la radiatia Pamantului. Nu este un ‘scanner’ ci un telescop stabilizat triaxial care in principiu va oferi observatii punctuale asupra unor tinte prestabilite inainte de programul deja ales de astronomi. Va exista insa si posibilitatea unor reprogramari rapide in cazul unor evenimente astronomice importante care merita observate. In plus, satelitul va avea si capacitate ‘follow-up’ adica detectia autonoma a unui eveniment cosmic si urmarirea lui indeaproape. In acest caz agenda normala de observatii pentru care telescopul era programat in avans va fi suspendata temporar si va fi reluata doar dupa consumarea evenimentului.
Cititi si articolul nostru mai vechi:
De la telescoapele terestre la cele spatiale- astronomie in infrarosu si nu numaihttp://www.spacealliance.ro/articles/view.aspx?id=20111108094042Credithttp://www.nustar.caltech.eduhttp://science.nasa.gov/missions/nustar/The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR)- Fiona A. Harrison, Steven Boggs, Finn Christensen, William Craig
The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR): Optics Overview and Current Status- Charles J. Hailey, HongJun An, Kenneth L. Blaedel