小龍蝦這輩子也沒(méi)想到自己對(duì)天文學(xué)有這么大的作用-基于龍蝦眼的X射線天文學(xué)
掠入射X射線空間望遠(yuǎn)鏡在天體物理學(xué)研究中至關(guān)重要，這些望遠(yuǎn)鏡的工作能量通常在100 eV到10 keV之間。旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的Wolter鏡光學(xué)系統(tǒng)至今仍被廣泛使用，它能夠以大約1°的視場(chǎng)進(jìn)行X射線成像，但這類(lèi)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是觀測(cè)角度小，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天空。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是使用龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的小型衛(wèi)星(CubeSat)，它可以確認(rèn)觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)或者監(jiān)測(cè)宇宙中的瞬時(shí)輻射。
龍蝦眼透鏡也是一種掠入射光學(xué)裝置，主要優(yōu)點(diǎn)是大視場(chǎng)，原則上可以達(dá)到全角度，并且有效地提高探測(cè)微弱信號(hào)的靈敏度。它使用一組與球面垂直排列的方形截面通道，以聚焦入射光，模仿了長(zhǎng)體甲殼動(dòng)物(如龍蝦和小龍蝦)的眼睛結(jié)構(gòu)。光子可以從一個(gè)或多個(gè)通道壁反射并傳播到球形成像表面，也可以直接通過(guò)通道壁，也可以被通道壁吸收。
目前有兩種常見(jiàn)的龍蝦眼制造方式，一種是利用MCP技術(shù)(Angel型)，但MCP是作為平板生產(chǎn)的，需要額外的處理來(lái)創(chuàng)建所需的曲率，這降低了透鏡的成像質(zhì)量。另一種是平面MTO技術(shù)(Schmidt型)，把非常薄和精確定位的金屬鍍?cè)诓ＡЩ騍i襯底上，不需要額外增加曲率但通道間距更大。由于金屬對(duì)X射線的反射率非常低，除了掠入射時(shí)，大部分光子會(huì)被吸收。通常龍蝦眼透鏡需要非常高的深寬比。例如，由鎳構(gòu)成的透鏡將有效聚焦6 keV的X射線光子，大約137:1的深寬比。
RITE和ADVACAM的合作開(kāi)發(fā) VZLUSAT-1
2017年6月由捷克航空航天中心主導(dǎo)的2U立方星VZLUSAT-1發(fā)射，衛(wèi)星載荷包含了一個(gè)微型X射線天文望遠(yuǎn)鏡。光學(xué)系統(tǒng)是Schmidt型1D平面龍蝦眼透鏡，具有3°的視場(chǎng)，由捷克Rigaku Innovative Technologies Europe s.r.o.（RITE）公司提供。焦平面的成像探測(cè)器是帶有300um Si傳感器的Timepix探測(cè)器，能對(duì)3-60 keV的X射線成像，由捷克ADVACAM s.r.o.公司提供。由于這項(xiàng)技術(shù)從未在低地球軌道上使用過(guò)，因此選擇了明亮的X射線輻射源—太陽(yáng)，進(jìn)行成像測(cè)試和技術(shù)演示。如果任務(wù)成功，更多的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)緊隨其后，具有更大的光學(xué)系統(tǒng)，更高的靈敏度和更好的角分辨率。
2017年9月VZLUSAT-1觀測(cè)到了近10年來(lái)最強(qiáng)的日冕物質(zhì)拋射事件—太陽(yáng)耀斑X9.2。將X9.2事件前后3段時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，此事件引起了遠(yuǎn)離極地和SAA以及美洲中部上空的輻射強(qiáng)度增加，即使在事件發(fā)生幾天后仍可觀察到。此外，增加的輻射成分表明重帶電粒子(質(zhì)子)強(qiáng)度的增加。VZLUSAT-1自在軌以來(lái)，還為近地軌道的環(huán)境和輻射研究采集了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。
VZLUSAT-2
由于VZLUSAT-1的成功，2022年1月3U立方星VZLUSAT-2發(fā)射。RITE和Advacam繼續(xù)合作研發(fā)了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，由分段2D龍蝦眼透鏡耦合到配備了2000um CdTe傳感器的Timepix探測(cè)器。此望遠(yuǎn)鏡旨在對(duì)來(lái)自天體和大氣的高能瞬時(shí)輻射進(jìn)行觀測(cè)(地球伽瑪閃或伽瑪射線暴)，能對(duì)5-500 keV的X射線或伽瑪射線進(jìn)行高分辨率和高靈敏度成像，并提供60°的大視場(chǎng)。目前，VZLUSAT-2已經(jīng)運(yùn)行了一年，收集了足夠多的數(shù)據(jù)來(lái)繪制地球輻射地圖，并且觀測(cè)到多個(gè)宇宙瞬時(shí)輻射。值得一提的是，如此低成本的立方星可以提供和價(jià)值高達(dá)1億歐元的衛(wèi)星一樣的輻射地圖信息。
由VZLUSAT-2收集到的數(shù)據(jù)繪制的地球輻射圖
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