钱德拉x射线天文台（深度解析NASA钱德拉X射线天文台）

钱德拉X射线天文台

美国宇航局的钱德拉X射线天文台于1999年7月23日由哥伦比亚号航天飞机发射和部署，是迄今为止建造的最先进的X射线天文台。

蟹状星云

左图是来自Rontgensatellite（Rosat）的高分辨率成像仪，这是Chandra之前成像能力最好的天文台。由Chandra上的高级CCD成像光谱仪（ACIS）拍摄的右侧图像比左侧图像的分辨率高约五十倍（像素面积小五十倍或更多倍）。在钱德拉图像中，脉冲星周围区域的新细节 - 环形和射流 - 为了解脉冲星如何将能量传递给整个星云提供了有价值的信息。

钱德拉设计用于观察宇宙高能区域的X射线，例如爆炸恒星的残余物。上图显示的蟹状星云超新星遗迹及其脉冲星的两幅图像说明了高分辨率如何揭示重要的新特征。

计划和建造望远镜需要非凡的精确性，这些望远镜将被放置在太空中，在恶劣的温度波动和真空环境中，在不受控制的发射狂暴影响的情况下，由遥控操作。整个过程通常要花费许多年的时间，在实施意外变更时需要创造力。钱德拉天文台于1976年首次向美国宇航局提出，资助始于1977年，当时美国宇航局的马歇尔太空飞行中心开始对望远镜进行定义研究。

1992年，天文台进行了一次重大改组。NASA决定为了降低成本，将把镜子的数量从12个减少到8个，6个科学仪器中只有4个将被使用。在这一点上，计划的轨道从低轨道变为高轨道，以保持钱德拉的科学能力。

在过去的20年里，科学家、工程师、技术人员和管理人员在许多政府中心、大学和公司工作，他们一直在建造和组装钱德拉。这些敬业的男男女女中的许多人从项目一开始就参与其中。

运行轨道

钱德拉不寻常的轨道是通过内置的推进系统实现的，该系统将天文台提升到高地球轨道。这个轨道形状像一个椭圆，在返回地球之前，它会把宇宙飞船带到离地球最近的1.6万公里的轨道上。完成一个轨道的时间是64小时18分钟。

太空船85%的轨道都在环绕地球的带电粒子带之上。可以进行长达55小时的不间断观测，有效观测时间的总体百分比要比大多数卫星使用的几百公里的低地球轨道大得多。

硬件组成

钱德拉主要构件示意图

望远镜系统：由四副镜子及其支撑结构组成。x射线望远镜必须与光学望远镜非常不同。由于它们的高能量，x射线光子穿透镜子的方式与子弹撞击墙壁的方式差不多。同样，就像子弹以掠射角度击中墙壁时弹跳一样，x射线也会弹跳出镜子。

这些镜子必须有精美的形状，与射入的x射线几乎平行。因此，它们看起来更像玻璃桶，而不是人们所熟悉的光学望远镜的碟形。

钱德拉组件在光学涂层实验室被制造

想象一下，让地球表面如此光滑，以至于最高的山不到两米高！位于康涅狄格州丹伯里的雷神光学系统公司(Raytheon Optical Systems)的科学家和工程师们在更小的范围内完成了一项类似的壮举，他们打磨了四对钱德拉镜，使其光洁度达到了几个原子的水平。位于加州圣罗莎的光学涂层实验室的科学家和工程师们也不甘落后，他们也超过了预期。在镜子被小心翼翼地搬到加州后，他们经过一辆载气的搬运车，经过了精心的清洗——相当于在你电脑屏幕的面积上，最多有一粒灰尘。然后他们被镀上一层高度反射的稀有金属铱。它们是有史以来最光滑、最干净的镜子。

这些镜子被重新搬到了到纽约州罗切斯特市的伊士曼柯达公司(Eastman Kodak Company)，在那里它们被组装成一种被称为高分辨率镜面总成的支撑结构，并以精密的精度对准。从镜子组件的一端到另一端2.7米，镜子的排列精确到1.3微米，或者是人类头发的五十分之一。1996年9月在伊士曼柯达公司成功地完成了高分辨率镜面组装，这是钱德拉发展的主要成就之一。

科学仪器：能够尽可能准确地记录进入的X射线的数量，位置和能量，以便制作X射线图像并研究其来源的其他性质，例如其温度。

钱德拉接收X射线示意图

钱德拉x射线天文台将这些镜子与四种科学仪器结合在一起，捕捉和探测来自天文来源的x射线。入射的x射线被镜子聚焦到焦点平面上的一个小点(大约有人类头发的一半宽)，距离约30英尺。

先进CCD成像光谱仪（ACIS）

高分辨率相机（HRC）

聚焦平面科学仪器，ACIS和HRC，很好地匹配了捕捉镜面形成的清晰图像，并提供了关于入射x射线的信息：它们的数量、位置、能量和到达时间。

原理图

低能量光栅（LETG）特写图

组装高能光栅（HETG）光谱仪和低能光栅（LETG）光谱仪

另外两个科学仪器提供了关于x射线能量的详细信息，LETG和HETG光谱仪。这些是光栅阵列，可以翻转到镜子后面的x射线路径上，在那里，它们根据能量改变x射线的方向(衍射)。

x射线的位置由HRC或ACIS测量，因此可以确定确切的能量。科学仪器具有记录和分析天体x射线图像并以前所未有的精确度探测天体物理状况的互补能力。

航天器：提供望远镜和科学仪器作为观测台所需的支持结构和环境。

推进器

为了给天文台提供运动，钱德拉有两套不同的推进器：一套用于推进，另一套用于动量卸载。推进推进器在发射后立即被用于推动钱德拉进入它的最终轨道，它是椭圆形的，高度非常高。动量卸载推进器被周期性地用于在钱德拉上施加力矩，从而降低其反应轮中累积的动量，用来控制钱德拉的高度。

为了控制关键部件的温度，钱德拉的热控制系统由冷却散热器、绝缘体、加热器和恒温器组成。特别重要的是，要控制好x光反射镜附近的温度，以使反射镜保持聚焦。航天器的许多部分的温度不断被监测，并报告给任务控制中心。

钱德拉没有单一的操作温度，因为有很多变化。航天器最冷的部分之一是先进的CCD成像光谱仪(ACIS)焦距面，它在零下120度被ACIS散热器被动冷却，后者直接面对寒冷的空间，甚至比零下120度还要冷。高分辨率的镜面集(HRMA)保持在一个非常稳定的温度，温度为华氏71度，误差1度左右。例如，精密的太阳传感器(安装在航天器的面向太阳的外部)从30华氏度到近200华氏度，有时在几个小时内！

钱德拉的电力来自它的太阳能电池阵列。这些能量随后被储存在三排电池中，由电力系统以一种谨慎的方式分配给天文台。太阳能阵列为加热器、科学仪器、计算机、发射机等产生大约2千瓦的电力。

遮阳门

位于航天器前部的辐射进入望远镜，遮阳门是航天器系统中最基本和重要的元素之一。遮阳门一直关闭，直到钱德拉在轨道上实现指向控制。现在它被打开了，它遮住了望远镜的入口，使其与太阳接近45度。

指向控制和确定系统的方面包括陀螺仪，方位相机，地球和太阳传感器以及反射轮，以在望远镜指向任何给定时刻的情况下以非常高的精度进行监视和控制。就好像你可以把目标定位在一公里（0.6英里）以外的目标上，精确到三毫米 - 大约是一个针头的大小。该系统还可以使天文台进入不同程度的非活动状态，在紧急情况下被称为“安全模式”。

低增益天线

通信，控制和数据管理系统是天文台的神经中枢。它跟踪航天器在轨道上的位置，监测航天器传感器，接收和处理天文台操作的地面命令，并存储和处理来自仪器的数据，以便将其传输到地面。

钱德拉有两个低增益天线，其中任何一个都可用于与钱德拉的运营控制中心（OCC）进行双向通信。所有来自钱德拉的地面命令以及通过构成其深空网络的三个美国宇航局地面站发送的遥测数据 - 通过这些天线之一发送，通常大约每八小时一次。

深空网络站点地图

数据传输链路

数据从深空网络站传输到喷气推进实验室，并从那里传输到位于 马萨诸塞州剑桥的钱德拉X射线中心（CXC）的操作控制中心。那里的数据被处理并提供给科学家，并最终放入公共档案。

主要参与钱德拉项目的组织

整体计划管理

• 美国宇航局马歇尔太空飞行中心

主承包商

• TRW（现在的NGST） - 航天器的建造和集成

主要分包商

• 休斯/丹伯里光学系统（现在的古德里奇光学和空间系统） - 镜面研磨和抛光
• Optical Coating Laboratories，Inc. - 镜面涂层和清洁
• 伊士曼柯达公司 - 镜子组装
• Ball航空航天技术公司 - 科学仪器模块和外观系统

科学仪器

• 先进的CCD成像光谱仪（ACIS） - 宾州州立大学和麻省理工学院（MIT）
• 高分辨率摄像机（HRC） - 史密森天体物理观测站（SAO）
• 高能传输光栅 - 麻省理工学院
• 低能传输光栅 - 荷兰空间研究所和德国马克斯普朗克研究所

望远镜科学家

• 莱昂VanSpeybroeck博士，SAO

任务支持团队

• 史密森天体物理观测站（SAO）

钱德拉X射线中心

• 史密森天体物理观测站（SAO）（与麻省理工学院 和NGST人员）
• 科学支持
• 运营控制中心

钱德拉天文台的十个事实

1. 钱德拉的飞行高度是哈勃的200倍，是到达月球的1/3。
2. 钱德拉望远镜可以观察到巨大的气体云的x射线，这些气体云从一边到另一边要花上500万年的时间。
3. 在从一个目标到下一个目标的机动过程中，钱德拉的速度比时钟上的分针慢得多。
4. 钱德拉号有45英尺长，是航天飞机发射过的最大的卫星。
5. 如果科罗拉多像钱德拉的镜子一样光滑，派克峰将不到一英寸高！
6. 钱德拉的分辨率相当于在12英里的距离上阅读一个停车标志的能力。
7. 操作钱德拉飞船和仪器所需的电力是2千瓦，和干发器的功率差不多。
8. 钱德拉观测到的一些类星体发出的光将在太空中穿行100亿年
9. 部署钱德拉号的航天任务是NASA的第一个由女性指挥的航天任务
10. 钱德拉可以在粒子落入黑洞前观察x射线，直到最后一秒!!

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