Røntgenteleskoper & røntgenastronomi

Transkript

1 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 1/36 Røntgenteleskoper & røntgenastronomi Jan-Erik Ovaldsen [email protected] AST Observasjonell astronomi Institutt for teoretisk astrofysikk

2 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 2/36 Temaer: Kort introduksjon og kort historikk over astronomiske røntgenteleskoper Tidlige, ikke-fokuserende avbildningssystemer for røntgenstråler Refleksjonsfysikk, Fresnels lover, refleksjon fra dielektrika og fra metaller Utviklingen av røntgenteleskopet: optikk, koma og Abbes sinus-betingelse Typer av røntgenteleskoper ( gracing incidence ) Praktiske utfordringer ved konstruksjon, samt moderne forbedringer Selve deteksjonen av røntgenstrålingen i brennplanet behandles ikke (jf. foredraget om detektorer)

3 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 3/36 Intro & motivasjon Røntgenstrålingen ble oppdaget av W. Röntgen i 1895 Elektromagnetisk stråling med λ nm kev (1 ev= J ) Observasjoner må gjøres fra verdensrommet siden røntgenstråling absorberes fullstendig av jordatmosfæren. Observasjoner fra raketter og ballonger er delvis mulig. Studier i røntgenområdet gir ny innsikt ift. observasjoner ved lengre bølgelengder, ettersom det ofte er helt andre fysiske prosesser som gir oppgav til slik stråling (elektron-synkrotron-stråling, invers Compton-spredning, fri-fri-overganger, pion-henfall etc.). Kildene er bl.a. Sola, supernovarester, pulsarer, bursters, dobbeltstjernesystemer, kosmisk stråling, det intergalaktiske medium, galakser og kvasarer. Utviklingen i røntgenteleskoper og røntgenastronomi har gått ekstremt raskt raskere enn i noe annet bølgelengdeområde.

4 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 4/36 Intro & motivasjon... Vanskelig å lage teleskoper som samler, fokuserer og detekterer den høyenergiske strålingen. Røntgenstråling som treffer tilnærmet normalt på en overflate reflekteres ikke; den går enten rett gjennom eller absorberes av materialet. Linsesystemer virker ikke, ettersom brytningsindeksen n 1 for alle materialer ved slike λ. Gir upraktisk lange brennvidder. Løsning: optikk med streifende innfall ( grazing incidence ) på metalloverflater NB! Innfallsvinkelen, θ i er altså nesten 90. Ofte brukes betegnelsen streifende vinkel, θ = 90 θ i, som er den lille vinkelen strålen danner med den reflekterende overflaten

5 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 5/36 Intro & motivasjon... Bare en liten del av det elektromagnetiske spektrum når ned til jordoverflaten. Bl.a. røntgenstråling må observeres fra rommet

6 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 6/36 Røntgenteleskoper/-astronomi kort historikk 1949: Det oppdages at Sola er en sterk røntgenkilde vha. et eksperiment på en tysk V2-rakett (Burnight, 1949) tallet: Flere rakett- og ballongbaserte eksperimenter tar ekte røntgenbilder av Sola. Ekstrasolare kilder oppdages også (Giacconi, 1962). I 1963 observeres Sola for første gang med streifende innfall-optikk (Wolter-type) tallet: Systematiske studier av røntgenhimmelen starter, muliggjort av satelitteknologi: Skylab, SAS 1 (Small Astronomical Satellite/Uhuru), HEAO (High Energy Astronomical Observatory) 1 og 2 (Einstein). Sistnevnte var første store teleskop med speil (Wolter type I). Revolusjon : EXOSAT (1983), ROSAT (1990), ASCA (1993), RXTE (1995), BeppoSAX (1996), Chandra (1999), XMM-Newton (1999), HETE-2 (2000)

7 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 7/36 Ikke-fokuserende avbildningssystemer: Kollimator De første avbildningssystemene for røntgenstråling samlet eller fokuserte ikke lyset. Kollimator: anordning som plasseres foran en detektor som dermed registrerer stråling fra en begrenset del av himmelen. Detektoren må ha stort areal for å kunne skjelne svake signaler fra bakgrunnen. (Også kalt rør- eller honeycomb -kollimator.) Synsfeltet kan begrenses til noen bueminutter Prinsippet brukes fortsatt i dag

8 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 8/36 Ikke-fokuserende avbildningssystemer: Lobster eye Lobster eye-kollimator: en slags honeycomb-kollimator der tubene går radielt ut fra en kuleflate. Strålingen reflekteres fra veggene mot et sfærisk brennplan. Bildet forringes av bakgrunnsstøy fra dobbelt- og ikke-reflekterte stråler, og den endelige tykkelsen av tubene medfører noe defokusering. Nesten ubegrenset synsfelt! Oppløsning 1 bueminutt Vanskelig å lage de reflekterende tubene. Ingen slike teleskoper er konstruert, men flere prosjekter utredes. Kilde 2 Kilde 1 Ikke reflektert stråle gir økt bakgrunnsnivå Sfærisk fokalplan Reflekterende flater Prinsippskisse til venstre og nærbilder av hummerøye til høyre

9 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 9/36 Ikke-fokuserende avbildningssystemer: andre typer Modulasjonskollimator (Fourier-transform-teleskop) Coded mask imaging Sammen med den tidligere nevnte rørkollimatoren ble også de to overnevnte avbildningssystemene brukt i tidlig røntgenastronomi. De brukes fortsatt i dag, spesielt for hard røntgenstråling og gammastråling der selv ikke metoden med streifende infall får problemer. Mer om hard røntgen- og gammastråling og tilhørende detektorer i Olavs foredrag.

10 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 10/36 Refleksjonsfysikk På grunn av røntgenstrålingens høye energi kan ikke konvensjonelle optiske systemer benyttes. Stråler tilnærmet normalt på en reflekterende overflate går rett gjennom, spres eller absorberes. Løsningen er å la strålingen så vidt streife metalloverflater. Innfallsvinkelene er bortimot 90 ; streifende vinkel rundt 1. Fokuserende røntgenteleskoper bygger på prinsippet om total ytre refleksjon og Fresnels lover.

11 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 11/36 Refleksjon Fresnels lover Ser først på tilfellet med refleksjon fra et dielektrikum, altså et ikke-ledende medium ( J = 0). De innfallende elektromagnetiske bølgene (A) deles opp i to lineært polariserte komponenter parallelt og vinkelrett på innfallsplanet. For å finne amplitudene til de reflekterte (R) og transmitterte (T ) bølgekomponentene brukes Maxwells ligninger i grensebetingelsene ved grenseflaten mellom de to mediene; vi krever at de parallelle komponentene av det elektiske og magnetiske feltet er kontinuerlige gjennom grenseflaten. For refleksjonen har vi amplitudene: (1) R = R p = ncos θ i cos θ t ncos θ i + cos θ t A = tan(θ i θ t ) tan(θ i + θ t ) A (2) R = R s = cos θ i n cos θ t cos θ i + n cos θ t A = sin(θ i θ t ) sin(θ i + θ t ) A, der n = n 2 /n 1. For normalt innfall, altså med θ i = θ t = 0, får vi (3) R = n 1 n + 1 A ; R = n 1 n + 1 A

12 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 12/36 Fresnels lover De tilsvarende intensitetene er (4) R = tan2 (θ i θ t ) tan 2 (θ i + θ t ) ; R = sin2 (θ i θ t ) sin 2 (θ i + θ t ) Det kan vises at summen av intensiteten til den reflekterte og den transmitterte delen av bølgen er 1, dvs. R + T = 1. Energien er bevart.

13 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 13/36 Fresnels lover Refleksjon fra vanlig glass. a: R, b: 1 2 (R + R ), c: R Når innfallsvinkelen θi blir stor, dvs. går mot 90, vil både R og R gå mot 1. Dette innebærer fullstendig refleksjon ved streifende innfall. Siden reflektiviteten er forskjellig og varierer med innfallsvinkelen for svingeretningene parallelt og vinkelrett på innfallsplanet, vil lyset få endret polarisasjon ved refleksjon (for θ i + θ t = 90 er f.eks. R = 0, jf. fig). Refleksjon medfører også faseendringer.

14 Fresnels lover Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 14/36

15 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 15/36 Refleksjon fra metaller Kompleks brytningsindeks: n = 1 (δ + iβ). Betyr at bølgen absorberes inni metallet. Fresnels likninger kan enkelt generaliseres til ledende medium. Planpolarisert hvitt lys reflektert fra metallflater.

16 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 16/36 Refleksjon fra metaller Figuren viser faseforskjellen mellom de parallelle og vinkelrette komponentene av strålinen for økende innfallsvinkel. Ved refleksjon fra et dielektrikum skjer faseendringen momentant fra 0 til 180 grader ved en gitt vinkel, mens den for metaller skjer gradvis. Refleksjon fra metaller medfører faseforskjell forskjellig fra 0 eller 180 uansett hva innfallsvinkelen er.

17 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 17/36 Utviklingen av røntgenteleskopet: koma Tidlige forsøk på å lage teleskoper med ringformede parabolske speil var mislykkede (f.eks. Trurnit, 1940-tallet). Dype paraboloider gav særdeles sterk aberrasjon i form av koma. Koma er en effekt der objekter som ikke ligger langs den optiske akse får en kometaktig/vifteformet avbildning. Effekten skyldes at hver sirkelsone av speilet/linsen danner et ringformet bilde med ulik radius og forskjøvet radielt i forhold til hverandre i brennplanet. Sonene dvs. de sirkelformede områdene av det optiske system gir altså ulik forstørrelse. Koma er proporsjonal med kvadratet av aperturen og omvendt proporsjonal med brennvidden Alle teleskoper har koma, spesielt mot ytterkantene av synsfeltet Et komafritt system må oppfylle Abbes sinus-betingelse

18 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 18/36 Abbes sinus-betingelse Ethvert optisk system vil danne et koma fritt bilde av et objekt uendelig langt borte kun dersom man for enhver ståle i den parallelle lysbunten fra kilden har at r = h (5) sin α = konstant Her er r avstanden fra brennpunktet til den såkalte principal surface (se nedenfor), h avstanden fra strålen til den optiske akse, og α vinkelen mellom den innkommende og den brutte strålen. principal surface r α h optisk system Betingelsen er ekvivalent med at principal surface er en kuleflate med sentrum i brennpunktet. Principal surface er definert ved flaten hvor de innkommende, paraksiale strålene skjærer (de hypotetiske) strålene som tenkes å stråle radielt ut fra brennpunktet. Dette planet er sfærisk dersom Abbes sinus-betingelse er oppfylt. I så fall oppfører det optiske systemet seg som et sfærisk speil (linse), altså uten koma.

19 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 19/36 Abbes sinus-betingelse... Både prinsippet om samme forstørrelse i alle soner (jf. omtalen av koma tidligere) og prinsippet om samme optiske veilengde for alle stråler kan brukes til å utlede Abbes sinus-betingelse

20 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 20/36 Wolter Hans Wolter prøvde i 1950-årene å konstruere et mikroskop som benyttet røntgenstråler. Hans studier og prinsipper ble benyttet for astronomiske formal av R. Giacconi i Wolter-teleskoper har bl.a. følgende egenskaper: Streifende innfall (selvsagt... ) Kombinasjon av to ulike reflekterende rotasjonsflater, nemlig paraboloide og hyperboloide eller ellipsoide De to flatene er konfokale (har felles fokus) og koaksiale (sentrert rundt samme optiske akse) Konfokal paraboloide & hyperboloide α 2 F F I Reflekterende overflater

21 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 21/36 Wolter vs. Abbes sinus-betingelse Med kombinasjonen av parabolske og hyperbolske/elliptiske speil kunne Wolter utlede et uttrykk for r i Abbes sinus-betingelse, Likn. (5): (6) r = pb2 2(c a) 1 + tan 2 α 2 2 = konstant 1 + tan 2 α 2 2, der α 2 er vinkelen mellom den optiske akse og den siste refleksjonen, se figuren på forrige side. Vi har da at (7) r konstant α 2 1. Altså, r konstant for små α 2, dvs. for slanke eller dype speilsystemer (se figuren). Et Wolterteleskop gir altså en tilnærmet komafri avbildning.

22 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 22/36 Teleskoptyper: Kirkpatrick-Baez (1948) Første system med streifende innfall som dannet ekte bilder (og første til å brukes i ekstrasolar røntgenastronomi) Fokuserer lyset vha. ortogonale speil Relativt enkelt å konstruere: ferdig polerte, plane flater kan mekanisk bøyes til rett form Flere flater kan opplinjeres for å øke den lyssamlende evnen Sterkt plaget av aberrasjoner

23 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 23/36 Teleskoptyper: Wolter type I Konfokal paraboloide og hyperboloide Vanligste type røntgenteleskop. Relativ enkel mekanisk konstruksjon Tillater nesting av flere teleskoper inni hverandre slik at det lyssamlende areal økes. Svært viktig egenskap! Konfokal paraboloide & hyperboloide F F I Reflekterende overflater

24 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 24/36 Teleskoptyper: Wolter type I med nestede speil cxcmirrors.jpg (JPEG Image, 1357x842 pixels) Ved nesting økes teleskopets lyssamlende areal uten at den ytre diameteren og dermed den streifende vinkel θ økes. Teleskopet forblir kompakt og θ holdes liten.

25 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 25/36 Teleskoptyper: Wolter type II Konfokal paraboloide og hyperboloide Lengre brennvidde enn type I pga. refleksjon fra en ytre flate (her: hyberboloiden). Nyttig for f.eks. observasjoner av Sola (SOHO). Relativt lite brukbart synsfelt. Brukes derfor helst for små felt eller sammen med et spektrometer. Mer kompakt enn type I Konfokal paraboloide & hyperboloide F F II

26 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 26/36 Teleskoptyper: Wolter type III Konfokal paraboloide og ellipsoide Én refleksjon er fra en ytre flate, som hos type II Aldri blitt brukt som røntgenteleskop Konfokal ellipsoide & paraboloide F F III

27 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 27/36 Kritisk vinkel Optikk med streifende innfall kan gi høy reflektivitet opp til en viss kritisk vinkel, θ c. For total ytre refleksjon av røntgenstråler fra materialer bestående av tunge grunnstoffer er θ c 1.16 ρ E [ ], der ρ er massetettheten av det reflekterende materialet i g/cm 3 og E er strålingsenergien i kev. Fotonenergier på noen få kev gir θ c 1. Refleksjonsevnen synker kraftig for θ > θc Materialer med høyt atomnummer (Z) reflekterer stråling med høyere energi (for en gitt streifende vinkel); likeledes gir materialer med stor Z en større θ c for en hvilken som helst fotonenergi. Den kritiske vinkel (θc ) er omvendt proporsjonal med fotonenergien. Den streifende vinkel (θ = 90 θ i ) er proporsjonal med forholdet D, der D er f speildiameteren og f er brennvidden. Så ønsket om et kompakt (liten f) romteleskop med stor lyssamlende evne (stor D) betyr at θ fort kan overstige θ c! Og verre blir det jo høye energier man vil observere... Konversjonelle røntgenteleskop har f 10 m, en øvre energisensitivitet på rundt 10 kev og typiske streifende vinkler på 1. Hva er neste skritt i utviklingen?

28 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 28/36 Kritisk vinkel Kritisk vinkel, θ c, for fire metallbelegg ( coatinger ) av speilet som funksjon av energien til den innfallende røntgenstrålingen. (Et bueminutt er 1 60.) Den striplede linjen angir 1. Be: Beryllium (Z=4), Al: Aluminium (Z=13), Ni: Nikkel (Z=28), Au: Gull (Z=79).

29 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 29/36 Kritisk vinkel Refleksjonseffektivitet for ulike metaller (se forrige side) som funksjon av bølgelengde (Ångstrøm).

30 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 30/36 Forbedringer: Multilag Speilene påføres mange svært tynne lag med vekslende (liten og stor) tetthet. Poenget er å få refleksjonene fra de ulike lagene i fase og dermed oppnå konstruktiv interferens i henhold til Braggs lov (som for krystaller): (8) nλ = 2dcos θ ; n = 1, 2,3,... Med såkalte multilag får man økt reflektivitet for θ > θc! Hundrevis av enkeltlag, hver med tykkelse fra noen få hundre nm og oppover. Strålene reflekteres fra lagene med høy tetthet. Lagene med liten tetthet skal bare sørge for korrekt fase og lages derfor av materiale med liten tetthet som ikke absorberer for mye av strålingen.

31 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 31/36 Forbedringer: Multilag Teleskoper med streifende innfall og multilagsteknikk har nettopp pga. konstruktiv interferens begrenset båndpassområde. Kan brukes til sin fordel, f.eks. for å filtrere bort uønskede bølgelengder. Man kan t.o.m. bruke teknikken for vanlige teleskoper, dvs. ved normale innfallsvinkler, helt ned mot EUV- og myk røntgenstråling (λ 10 nm). Ønsker man reflektivitet over et større bølgelengdeintervall, eller å observasjone hard røntgenstråling, har man utviklet såkalte graderte multilag.

32 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 32/36 Forbedringer: Graderte multilag Tykkelsen (d) av lagene varierer ned gjennom coatingen. Dette gir et spektrum av lagtykkelser som tilfredsstiller Bragg-likningen for en hel sekvens av bølgelengder (for en gitt streifende vinkel, θ). Resultatet er at et større bølgelengdeintervall blir reflektert av speilene, i tillegg til at multilagene øker reflektiviteten for θ > θ c. Denne teknikken vil få stor betydning for romteleskoper som konstrueres for å observere hard røntgenstråling ( 10 kev) og t.o.m. gamma-tråling, f.eks. Constellation-X.

33 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 33/36 Forbedringer: Foliespeil Et alternativ til de tykke konvensjonelle speilene, som ikke tillater mer enn noen få nestinger, er å bruke supertynne folier belagt med en glatt, reflekterende coating. Flere hundre slike foilespeil kan nestes inni hverandre. Tykkelsen er typisk mikrometer for tynne til å kunne lages i Wolter-geometri. Kjeglesnitt brukes som tilnærming. Oppløsningen er derfor dårligere enn de konvensjonelle Wolter-teleskopene: i praksis rundt 1 bueminutt. (Dette er for dårlig for f.eks. solstudier, men der er det nok av fluks, så solteleskoper klarer seg med et vanlig Wolter-teleskop uten stor diameter eller nesting) Ettersom foliespeil kan nestes i langt større grad enn tykke, konvensjonelle speil, trenger man ikke så stor ytre speildiameter. Dette betyr små streifende vinkler (og dermed økt reflektivitet/sensitivitet) og dessuten mindre koma (koma aperturdiameteren 2 ) Folieteleskoper er dessuten svært lette (hvert av de fire ASCA-teleskopene veide 10 kg) og produksjonsmetodene er nokså enkle. Begge punktene sparer mye penger.

34 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 34/36 Eksempel på et moderne røntgenteleskop: Swifts XRT XRT er et av instrumentene på Swift-satellitten. Konstruert for å måle fluks, spektra og lyskurver til gamma-ray-bursts (GRBs) med et dynamisk område på mer enn Wolter type I: brennvidde 3.5 m Effektivt lyssamlende areal: 110 cm 2 (tilsvarer mindre lyssamlende areal enn et 12 cm standardspeil ) Synsfelt: 23 bueminutter Detektor: CCD, 600 x 600 pixler Nøyaktighet i posisjonering: 5 buesekunder Energiintervall: kev

35 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 35/36 Røntgenbilde av Melkeveiens sentrum (Chandra) Mosaikk som dekker 400 x 900 lysår rundt Melkeveiens sentrum. Vi ser stråling fra hvite dverger, nøytronstjerner, svarte hull og millioner av grader varm gass. Melkeveiens supermassive svarte hull ligger inni den hvite flekken midt på bildet. Fargene rød/grønn/blå indikerer myk/medium/hard røntgenståling.

36 Røntgenteleskoper og røntgenastronomi / Jan-Erik Ovaldsen / AST5120 p. 36/36 Referanser Spiegelsysteme streifenden Einfalls als abbildende Optiken für Röntgenstrahlen, H. Wolter, Ann. Phys. 1952, 10, Fundamentals of Optics, Jenkins and White, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1957 Principles of physics, Born and Wolf, Pergamon Press, 1959 Internett...