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先進高能天體物理學望遠鏡

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先進高能天體物理學望遠鏡
Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics
名稱雅典娜號(Athena)
任務類型空間望遠鏡
運營方歐洲空間局 (ESA)
網站www.the-athena-x-ray-observatory.eu
任務時長4 年 (計劃)
任務開始
發射日期2034年 (計劃)[1]
運載火箭阿麗亞娜6型運載火箭
發射場圭亞那航天中心
承包方阿麗亞娜太空公司
軌道參數
參照系日-地拉格朗日點2 (基線)
主望遠鏡
類型X射線望遠鏡
焦距12米（39英尺）

先進高能天體物理望遠鏡（英語：Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics），又名雅典娜號（英語：Athena）[1][2]是歐洲航天局在其宇宙願景計劃中選擇的一項X射線觀測任務[3]，以實現對熾熱而活躍宇宙的科學探索。「雅典娜號」將在0.2-12千電子伏特能量範圍內運行，並提供光譜和成像能力，在多個空間參數上同時超過當前運行的錢德拉和牛頓等X射線天文衛星至少一個數量級。

任務

該任務的主要目標是繪製熱氣體結構圖，測定其物理性質，並搜索超大質量黑洞。

歷史與發展

該任務起源於21世紀初的兩項概念，即歐空局的X射線演變宇宙光譜任務（英語：XEUS）（XEUS）和美國宇航局的星座X射線天文觀測台（Con-X）。2008年前後，該兩項提案合併為美國宇航局/歐空局/日本宇宙航空研究開發機構的國際X射線天文台（英語：International X-ray Observatory）（IXO）聯合提案。2011年，國際X射線天文台項目被撤消，隨後歐空局決定對該提案進行成本縮減修改，成為後來的「雅典娜號」[4]。「雅典娜號」於2014年被選為第二項大型（L2）宇宙願景任務[5]，以探究熾熱而活躍的宇宙科學主題。

「雅典娜號」任務的科學建議由「雅典娜號」科研團隊（ASST）提供，該團隊由來自社會的專家科學家組成。歐空局于于2014年7月16日任命了「雅典娜號」科研團隊。歐空局的研究科學家和研究經理分別是馬迪奧·瓜納塞勒斯（Matteo Guainazzi）博士和馬克·艾爾博士。「雅典娜號」於2019年11月12日成功完成了A輪任務制定審查，下一關鍵點預計是在2023年，歐空局科學計劃委員會（SPC）准予在2034年的發射[1]。

軌道

2034 年，阿麗亞娜6型運載火箭 將把「雅典娜號」發射到環繞日-地系統拉格朗日點2附近的大振幅暈輪軌道[6][1]。選擇環日-地拉格朗日點2的軌道是由於那裏熱環境穩定，空中能見度好，觀測效率高。「雅典娜」每年將對多達 300 顆天體進行預定的觀測，而特殊的「機會目標」模式將允許在4小時內對天空中50%隨機發生的任何事件進行重新定位機動。

光學器件和儀器

「雅典娜」X射線天文台由一台12米焦距的X射線望遠鏡構成[7][8]，其有效面積約1.4米2（1千電子伏時），同軸空間解像度為5弧秒，在離軸30弧分時，空間解像度下降至10弧秒以下。其反射鏡基於歐空局的矽孔光學（SPO）技術[9][10]，矽孔光學能提供極好的收集面與質量比，同時仍然提供了良好的角解像度，它還得益於高技術儲備水平和模塊化設計，非常適合批量生產，以實現前所未有的望遠鏡探測區域。可移動反射鏡組件可在任何給定時間將X射線聚焦到「雅典娜」兩台儀器（廣角相機和X射線積分視場單元，見下文）中的任何一個。

廣角相機和X射線積分視場單元分別於2018年10月31日和2019年4月11日都成功通過了初步要求審查。

廣角相機(WFI)

廣角相機(WFI) [11][12][13]是一台基於馬克斯·普朗克學會半導體實驗室所開發的獨特矽P溝道耗盡型場效應電晶體技術[失效連結]製作的大視場光譜成像相機。P溝道耗盡型場效應電晶體(DEPFETs)具有出色的能量解像度（<170電子伏特，7千電子伏特）、低噪聲、快速讀出和高時間解像度，以及良好的耐輻射性。該儀器結合了針對40'x 40'瞬時天空區域寬視場觀測優化過的大型探測器陣列，配備有一台獨立的快速檢測器，專門觀測天空中最亮的X射線點源，具有高通量和低積存能力，加上「雅典娜」望遠鏡史無前例的有效面積和大視場，將在X射線成像光譜學方面提供突破性的能力。

廣角相機由歐空局成員國組成的跨國聯盟所開發，它由馬克斯·普朗克地外物理研究所（DEU）牽頭，合作夥伴包括德國（圖賓根國際宇航科學院）、奧地利（維也納大學）、丹麥（丹麥技術大學）、法國（斯特拉斯堡薩克雷核研究中心、意大利（博洛尼亞和巴勒莫意大利國家天文物理研究所）、波蘭（波蘭科學院空間研究中心和尼古拉斯·哥白尼天文中心）、英國（萊斯特大學、開放大學）、美國（賓夕法尼亞州立大學、斯拉克國家加速器實驗室、麻省理工學院、史密松天體物理台）、瑞士（日內瓦大學）、葡萄牙（IA）和希臘（克里特大學、雅典天文台）。首席研究員為馬克斯·普朗克地外物理研究所高能組主任基帕爾·南德拉(Kirpal Nandra)教授。

X射線積分視場單元(X-IFU)

X射線積分視場單元[14][15][16]是「雅典娜號」的低溫X射線光譜儀，X射線積分視場單元將在5弧分（等效直徑）六角視場上提供光譜解像度要求為2.5電子伏特至7千電子伏特的空間解像度X射線光譜。X射線積分視場單元的主探測器是由鉬金超導轉變邊沿傳感器製成的大尺寸陣列，耦合金和鉍質吸收體，以提供所需的阻止能力。像素尺寸對應於略小於5弧秒天空，因此與X射線光學器件的角解像度相匹配。與X射線積分視場單元相關的「雅典娜」探測目標，很大一部分有賴於對微弱擴展源的觀測（如通過對星系團中熱氣體的觀察以測量主體運動和湍流或其化學成分），並儘可能低的消除儀器背景，這主要通過在主焦平面陣列下添加第二台低溫探測器來實現的。通過這種方式，可利用兩台探測器同時探測到能量的時間一致性來排除粒子等非X射線事件。焦平面陣列、傳感器和冷前端電子設備通過多級低溫鏈在低於0.1K的穩定溫度下冷卻，多級低溫鏈由一系列機械冷卻器組裝而成，接口溫度分別為15K、4K、2K和0.3K，預冷卻是一台由氦3吸附式冷卻器和一台隔熱消磁冰箱 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）構成的亞開爾文冷卻器。每次觀察時會通過自動調節X射線源，同步進行數據校準，以達到目標光譜解像度所需的能量標準。雖然每一像素都提供了一個高解像度X射線光譜的積分視場單元，但「雅典娜號」反射鏡的散焦能力能使聚焦光束分佈在數百個傳感器上。因此，X射線積分視場單元將能夠觀察到非常明亮的X射線源。它或將以此作為標稱解像度，用於探測被認為存在於暖-熱星系間介質中的重子，使用明亮的伽馬射線爆餘輝，作為背景源照射宇宙網；或以3-10電子伏特的光譜解像度，用於測量明亮X射線雙星的自旋並描述在光譜特徵最強（超過5千電子伏特）能量下的氣流和流出物。

截至2018年12月，當歐洲航天局正式認定X射線積分視場單元聯盟為「雅典娜號」儀器提供方時，該聯盟已聚集了11個歐洲國家（比利時、捷克共和國、芬蘭、法國、德國、愛爾蘭、意大利、荷蘭、波蘭、西班牙、瑞士），加上日本和美國，涉及50多家研究機構。其首席研究員為圖盧茲（法國國家太空研究中心/圖盧茲第三大學天體物理學和行星學研究所）主任迪迪埃·巴雷特(Didier Barret)博士，荷蘭空間研究所簡·威廉·登·赫德(Jan Willem den Herder)博士和意大利國家天文物理研究所下轄空間天體物理學和行星學研究所的路易吉·皮羅(Luigi Piro)博士則為聯合首席研究員。法國國家太空研究中心管理該項目，並代表聯合體負責向歐空局交付儀器。

「雅典娜號」科學目標

「熾熱而活躍宇宙」的科學主題[17]圍繞天體物理學中兩個基本問題展開：普通物質如何構成了我們今天所看到的大規模結構？黑洞如何成長和塑造宇宙？這兩個問題只能通過靈敏的X射線空間天文台來回答。它的科學性能組合在有效面積、弱感光度、測量速度等數種空間參數上超過任何現有或已計劃的X射線任務一個數量級以上，僅舉幾例。「雅典娜號」將對大範圍天體進行非常靈敏的測量。它將探究瀰漫在星系團星系際空間的熱等離子體化學演化、搜尋暖-熱星系間介質難以捉摸的觀測特徵、調查吸積黑洞在全質譜中噴出的強勁外流，研究它們對宿主星系的影響，並確定活動星系核（AGN）相對稀少種群的大尺度樣本，這些樣本是理解吸積黑洞和星系並行宇宙演化的關鍵，其中包括高度模糊和高紅移（z≥6）活動星系核。此外，「雅典娜號」將是一台向整個天文界開放的X射線天文台，具有發現未知和意外現象的巨大潛力，旨在現代天體物理學幾乎所有領域提供廣泛的發現。它代表了X射線對將於2030年後投入運行的大型觀測設施的貢獻（包括平方千米陣、歐洲極大望遠鏡、阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列、麗莎號…）。

雅典娜社區辦公室

「雅典娜號」科學研究團隊（ASST）成立了「雅典娜號」社區辦公室（ACO）[18]以獲取在執行歐空局所分配任務時的支持，尤其是作為「廣大科學界利益協調中心」助理的角色。目前，該社區由分佈於世界各地的800多名會員組成。

雅典娜社區辦公室旨在成為促進「雅典娜」活動與整個科技界之間科學交流的協調中心，並向公眾傳播「雅典娜號」的科學目標。雅典娜社區辦公室的主要任務可分為三類：

  • 組織和優化社區工作，在多個方面協助「雅典娜號」科學研究團隊，例如通過舉辦會議和研討會或協助製作科學研究團隊的文件，在研究領域幫助提升「雅典娜號」的科研能力，包括確定20世紀30年代早期「雅典娜號」與其他觀測設施之間科學協作關係的白皮書。
  • 定期在「雅典娜」入門網站和社交渠道上發佈時事通訊 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）、簡要新聞、每周動態，讓「雅典娜」社區了解項目的狀態。
  • 開展趣味交流和外展服務，即「雅典娜」金塊 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。

雅典娜社區辦公室由坎塔布里亞物理研究 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）所主持，其它參與方有日內瓦大學、馬克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)。

另請查看

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Athena: Mission Summary. ESA. 8 November 2021 [10 November 2021]. （原始內容存檔於2021-11-10）. 
  2. ^ The Athena X-ray Observatory: Community Support Portal. ESA. 8 March 2021 [14 March 2021]. 
  3. ^ ESA's new vision to study the invisible universe. ESA. 8 March 2021 [14 March 2021]. （原始內容存檔於2019-10-08）. 
  4. ^ About ATHENA. ESA. 1 September 2019 [14 March 2021]. （原始內容存檔於2014-09-10）. 
  5. ^ ESA Science & Technology: Athena to study the hot and energetic Universe. ESA. 27 June 2014 [14 March 2021]. （原始內容存檔於2019-08-13）. 
  6. ^ Athena mission. Athena Community Office. [10 November 2021]. （原始內容存檔於2022-02-06）. 
  7. ^ Bavdaz M, Wille E, Ayre M. Development of the ATHENA mirror (PDF). Proc. SPIE 10699, Space Telescopes and Instrumentation 2018: Ultraviolet to Gamma Ray. DTU: 32. 4 October 2018 [14 March 2021]. Bibcode:2018SPIE10699E..0XB. ISBN 9781510619517. S2CID 54028845. doi:10.1117/12.2313296. （原始內容存檔 (PDF)於2022-03-08）.  參數|journal=與模板{{cite web}}不匹配（建議改用{{cite journal}}或|website=） (幫助); |volume=被忽略 (幫助)
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  16. ^ Barret, Didier. The Athena X-ray Integral Field Unit (X-IFU) Talk at the 2nd Athena Conference, Palermo, Italy (PDF). IRAP. 25 September 2018 [14 March 2021]. （原始內容存檔 (PDF)於2022-03-08）. 
  17. ^ Barcons X, Barret D, Decourchelle A. ATHENA: ESA's X‐ray observatory for the late 2020s. Astronomische Nachrichten. ads: 153–158. 21 March 2017 [14 March 2021]. Bibcode:2017AN....338..153B. doi:10.1002/asna.201713323. （原始內容存檔於2022-05-31）.  參數|journal=與模板{{cite web}}不匹配（建議改用{{cite journal}}或|website=） (幫助); |volume=被忽略 (幫助); |issue=被忽略 (幫助)
  18. ^ The Athena Community Office Talk at the 2nd Athena conference, Palermo, Italy (PDF). ACO home page. 26 September 2018 [14 March 2021]. （原始內容存檔 (PDF)於2022-03-08）. 

外部連結

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