Die Untersuchung der Röntgenemission astronomischer Objekte enthüllt Geheimnisse über das Universum auf der größten und kleinsten räumlichen Skala. Himmlische Röntgenstrahlen werden von Schwarzen Löchern erzeugt, die nahegelegene Sterne verzehren. Sie werden von dem Millionen-Grad-Gas emittiert, das die Struktur zwischen Galaxien nachzeichnet, und können zur Vorhersage verwendet werden, ob Sterne in der Lage sein könnten, lebensfreundliche Planeten zu beherbergen.
Röntgenbeobachtungen haben gezeigt, dass der Großteil der sichtbaren Materie im Universum als heißes Gas zwischen Galaxien existiert, und haben schlüssig gezeigt, dass das Vorhandensein von „dunkler Materie“ zur Erklärung der Galaxienhaufendynamik erforderlich ist und dass dunkle Materie die Masse von Galaxienhaufen dominiert und dass es die Expansion des Kosmos regelt.
Röntgenbeobachtungen ermöglichen es uns auch, die Geheimnisse des Universums auf kleinsten Skalen zu erforschen. Röntgenbeobachtungen kompakter Objekte wie Weißer Zwerge, Neutronensterne und Schwarzer Löcher ermöglichen es uns, das Universum als physikalisches Labor zu nutzen, um Bedingungen zu untersuchen, die in Bezug auf Dichte, Druck, Temperatur und Magnetfeld um Größenordnungen extremer sind Kraft als alles, was auf der Erde produziert werden kann. In diesem astrophysikalischen Labor wollen Forscher neue Physik auf subatomarer Ebene aufdecken, indem sie beispielsweise die Zustandsgleichung von Neutronensternen untersuchen und die Quantenelektrodynamik anhand von Beobachtungen von Neutronensternatmosphären testen.
Im Marshall Space Flight Center der NASA baut, testet und fliegt ein Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren innovative Optiken, die die Röntgengeheimnisse des Universums schärfer hervorheben.
Im Gegensatz zu optischen Teleskopen, die Bilder durch Reflektion oder Brechung von Licht in Winkeln von nahezu 90 Grad (normaler Einfall) erzeugen, müssen fokussierende Röntgenoptiken so konstruiert sein, dass sie Licht in sehr kleinen Winkeln (streifender Einfall) reflektieren. Bei normalem Einfall werden Röntgenstrahlen entweder von der Oberfläche eines Spiegels absorbiert oder durchdringen diese vollständig. Bei streifenden Einfallswinkeln werden Röntgenstrahlen jedoch aufgrund eines Effekts, der als Totalreflexion bezeichnet wird, sehr effizient reflektiert. Beim streifenden Einfall werden Röntgenstrahlen von der Oberfläche eines Spiegels reflektiert, wie Steine, die auf der Oberfläche eines Teiches hüpfen.
Ein klassisches Design für astronomische Optiken mit streifendem Einfall ist die Wolter-I-Rezeptur, die aus zwei reflektierenden Oberflächen besteht, einer Parabel und einer Hyperbel. Dieses optische Rezept wird um die optische Achse gedreht, um einen Vollschalenspiegel (dh der Spiegel überspannt den gesamten Umfang) zu erzeugen, der einem leicht verjüngten Kegel ähnelt. Um die Lichtsammelfläche zu vergrößern, werden mehrere Spiegelschalen mit zunehmend größeren Durchmessern und einem gemeinsamen Fokus hergestellt und konzentrisch verschachtelt, um eine Spiegelmodulbaugruppe (MMA) zu bilden.
Fokussierende Optiken sind für die Untersuchung des Röntgenuniversums von entscheidender Bedeutung, da sie im Gegensatz zu anderen optischen Systemen wie Kollimatoren oder codierten Masken Bilder mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis und geringem Hintergrundrauschen erzeugen.
Zwei wichtige Kennzahlen, die die Leistung von Röntgenoptiken charakterisieren, sind die Winkelauflösung, also die Fähigkeit eines optischen Systems, zwischen nahe beieinander liegenden Objekten zu unterscheiden, und die effektive Fläche, also die Lichtsammelfläche des Teleskops, die typischerweise in Einheiten von angegeben wird cm2. Die Winkelauflösung wird typischerweise als Halbwertsdurchmesser (HPD) eines fokussierten Punkts in Einheiten von Bogensekunden gemessen. Das HPD umkreist die Hälfte der einfallenden Photonen an einem fokussierten Punkt und misst die Schärfe des endgültigen Bildes; eine kleinere Zahl ist besser.
Das NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) baut und fliegt seit mehr als drei Jahrzehnten leichte, vollschalige, fokussierende Röntgenoptiken, die stets die Anforderungen an Winkelauflösung und effektive Fläche erfüllen oder übertreffen. MSFC nutzt eine elektrogeformte Nickelreplikationstechnik (ENR), um diese dünnen Vollschalen-Röntgenoptiken aus einer Nickellegierung herzustellen.
Die Entwicklung von Röntgenoptiken am MSFC begann in den frühen 1990er Jahren mit der Herstellung von Optiken zur Unterstützung der Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF-S) der NASA und wurde dann über die Constellation-X-Technologieentwicklungsprogramme fortgesetzt. Im Jahr 2001 startete MSFC eine Ballonnutzlast, die aus zwei Modulen mit jeweils drei Spiegeln bestand und die ersten fokussierten harten Röntgenbilder (>10 keV) einer astrophysikalischen Quelle durch Abbildungen von Cygnus X-1, GRS 1915 und dem Krebsnebel erzeugte . Dieser anfängliche Versuch führte in den nächsten 12 Jahren zu mehreren Folgemissionen und wurde als „High Energy Replicated Optics“ (HERO)-Ballonprogramm bekannt.
Im Jahr 2012 flog der erste von vier Höhenforschungsraketenflügen des Focusing Optics X-ray Solar Imager (FOXSI) mit MSFC-Optik an Bord und erzeugte die ersten fokussierten Bilder der Sonne bei Energien über 5 keV. Im Jahr 2019 wurde das Astronomical Roentgen Telescope X-ray Concentrator (ART-XC)-Instrument der Spectr-Roentgen-Gamma-Mission mit sieben von MSFC hergestellten Röntgen-MMAs gestartet, die jeweils 28 Spiegelschalen enthalten.
ART-XC kartiert derzeit den Himmel im harten Röntgenenergiebereich von 4 bis 30 keV und untersucht exotische Objekte wie Neutronensterne in unserer eigenen Galaxie sowie aktive galaktische Kerne, die über das sichtbare Universum verteilt sind. Im Jahr 2021 flog der Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) und führt nun mit einem von der MSFC geleiteten Team außergewöhnliche wissenschaftliche Arbeiten unter Verwendung von drei 24-Schalen-MMAs durch, die im eigenen Haus hergestellt und kalibriert wurden.
Zuletzt wurde im Jahr 2024 die vierte FOXSI-Höhenforschungsraketenkampagne mit einem hochauflösenden MSFC MMA gestartet. Die Optik erreichte bei einem Test vor dem Flug eine Winkelauflösung von 9,5 Bogensekunden HPD mit einer erwarteten HPD von 7 Bogensekunden im schwerkraftfreien Flug, was dies zur Flugbeobachtung mit der höchsten Winkelauflösung macht, die mit einer Nickel-replizierten Röntgenoptik durchgeführt wurde.
Derzeit fertigt MSFC ein MMA für das Rocket Experiment Demonstration of a Soft X-ray (REDSoX) Polarimeter, eine Höhenforschungsraketenmission, die ein neuartiges Polarimeter-Instrument für weiche Röntgenstrahlen fliegen wird, um aktive galaktische Kerne zu beobachten. Die REDSoX MMA-Optik wird einen Durchmesser von 444 mm haben und damit die größte jemals von MSFC hergestellte MMA und die zweitgrößte nachgebildete Nickel-Röntgenoptik der Welt sein.
Die endgültige Leistung einer Röntgenoptik wird durch Fehler in Form, Position und Rauheit der optischen Oberfläche bestimmt. Um die Leistung von Röntgenoptiken in Richtung einer noch höheren Winkelauflösung zu steigern und ehrgeizigere wissenschaftliche Ziele zu erreichen, betreibt MSFC derzeit grundlegende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zur Verbesserung aller Aspekte der Herstellung von Vollschalenoptiken.
Da diese Optiken mit der elektrogeformten Nickel-Replikationstechnik hergestellt werden, beginnt der Herstellungsprozess mit der Erstellung eines Replikationsmasters, des sogenannten Dorns, der ein Negativ der gewünschten optischen Oberfläche darstellt. Zuerst wird der Dorn entsprechend den Spezifikationen geformt und poliert, dann wird eine dünne Schicht einer Nickellegierung elektrogeformt auf die Dornoberfläche aufgetragen. Als nächstes wird die Nickellegierungsschicht entfernt, um eine nachgebildete optische Hülle zu erzeugen, und schließlich wird die dünne Hülle zur Verwendung an einer steifen Haltestruktur befestigt.
Jeder Schritt in diesem Prozess führt zu einem gewissen Grad an Fehlern in der endgültigen replizierten Shell. Die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen bei MSFC konzentrieren sich derzeit auf die Reduzierung von Verzerrungen, die während der Metallabscheidungs- und -freisetzungsschritte durch Elektroformung entstehen. Durch die Elektroformung verursachte Verformungen werden durch Materialspannungen verursacht, die im elektrogeformten Material entstehen, wenn es sich auf dem Dorn ablagert. Bei der Verringerung der durch die Freisetzung verursachten Verformung geht es darum, die Haftfestigkeit zwischen Schale und Dorn zu verringern, die Festigkeit des Schalenmaterials zu erhöhen, um ein Nachgeben zu verhindern, und Punktdefekte in der Trennschicht zu reduzieren.
Darüber hinaus erfordert die Überprüfung der Leistung dieser fortschrittlichen Optik erstklassige Testeinrichtungen. Die Grundvoraussetzung beim Testen einer für die Röntgenastrophysik entwickelten Optik besteht darin, eine kleine, helle Röntgenquelle weit entfernt von der Optik zu platzieren. Wenn die Winkelgröße der Quelle aus Sicht der Optik kleiner ist als die Winkelauflösung der Optik, simuliert die Quelle tatsächlich Röntgensternlicht. Aufgrund der Absorption von Röntgenstrahlen durch Luft muss der gesamte Lichtweg der Prüfanlage in einer Vakuumkammer untergebracht werden.
Am MSFC betreibt eine Gruppe von Wissenschaftlern und Ingenieuren die Marshall 100-Meter-Röntgenstrahllinie, eine erstklassige End-to-End-Testanlage für Flug- und Labor-Röntgenoptiken, Instrumente und Teleskope. Wie der Name schon sagt, besteht es aus einer 100 Meter langen Vakuumröhre mit einer 8 Meter langen Instrumentenkammer mit 3 Metern Durchmesser und einer Vielzahl von Röntgenquellen im Bereich von 0,25 bis 114 keV. Auf der anderen Straßenseite befindet sich die X-Ray and Cryogenic Facility (XRCF), eine 527 Meter lange Strahlanlage mit einer 18 Meter langen Instrumentenkammer mit 6 Metern Durchmesser. Diese Einrichtungen stehen der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Nutzung zur Verfügung und unterstreichen die umfassende Optikentwicklungs- und Testkapazität, für die Marshall bekannt ist.
Innerhalb der Röntgenastrophysik-Community gibt es unterschiedliche Winkelauflösungen und effektive Flächenanforderungen für Fokussierungsoptiken. Aufgrund seiner langen Geschichte in der Röntgenoptik ist MSFC in der einzigartigen Lage, die Anforderungen an große oder kleine Röntgenoptiken mit mittlerer oder hoher Winkelauflösung zu erfüllen.
Um die Technologieentwicklung zu leiten, kommt die Astrophysik-Gemeinschaft einmal pro Jahrzehnt zusammen, um eine dekadische Umfrage zu erstellen. Der Bedarf an Röntgenoptiken mit hoher Winkelauflösung und hohem Durchsatz wird im Bericht „Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s“ der National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine nachdrücklich bekräftigt. Um dieses Ziel zu erreichen, treibt MSFC den Stand der Technik im Bereich der Vollschalenoptik weiter voran. Diese Arbeit wird es ermöglichen, die außergewöhnlichen Geheimnisse des Röntgenuniversums zu enthüllen.