不可思议！小到100毫米的立方体卫星，也能成为X射线天文台！

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在太空做研究是非常昂贵的，一旦天基仪器被提出，研究人员就想从它身上获得尽可能多的价值。拟议中的卫星在仪器和能力方面迅速增长，必须使用昂贵的防辐射部件，但这笔费用使卫星仪器平台超出了大多数研究预算的范围。所以开启立方体卫星(CubeSat)时代吧，这是航天行业的平板家具，因为便宜易用的立方体卫星使空间科学民主化。


立方体卫星边长是可以小到100毫米的立方体，重量可以不到一公斤，由于立方体卫星又小又轻，不能容纳太多的仪器，所以成本很低。而且，因为立方体卫星被放置在低地球轨道上，其使用寿命相对较短，所以不需要防辐射的电子设备。Larocca和同事在国际光学和光子学协会《Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems》上发表了新研究，详细介绍了名为HaloSat的立方体卫星开发过程。
物美价廉的X射线天文台
该立方体卫星旨在测量漫射源（如银河系周围的光晕）发出的氧X射线辐射，这些卫星不会成像，但它会以一定的空间分辨率计算来自特定方向和选定能量带的X射线。为了实现这一点，研究人员使用了硅漂移检测器，其输出被放大并发送到信号处理板。机载电子设备能够快速存储来自三个探测器的X射线能量和计数。探测器本身没有光学装置，这是一个问题，因为研究人员需要确保X射线来自目标源。


（上图所示）NASA喷气推进实验室工程师乔尔·斯泰克劳斯利用太阳光测试火星立方体一号(MarCO)飞船上的太阳能电池板。图片：NASA/JPL-Caltech
为了解决这个问题，探测器被放置在卫星内部相当深的地方，并有一个准直管通往外部世界。然后，通过扫描卫星在目标上方的方位，建立X射线发射的粗略地图。整个科学仪器重量不到3公斤，消耗约4W，控制系统使包裹达到12公斤，而整个卫星大约有一本厚书的大小。HaloSat立方体卫星于2018年发射，任务延长至2020年年中。到目前为止，它已经绘制了银河系和蟹状星云的X射线发射图。


测绘光谱仪提供了非常干净的数据，这将使几年的分析和洞察成为可能。由于阻力，HaloSat立方体卫星将在2020年底之前脱离轨道，因此任务不能延长太久，这样的时间限制是立方体卫星生命的一部分。问题不是卫星的寿命是否会更长，而是能否从如此短暂的任务中获得有用的科学成果。现在、研究人员已经证明了这一点：低成本、短寿命的卫星任务可以带来有用成果。CubeSat另一个方面是开发时间表，HaloSat的资金于2016年到位。


该仪器已完成，与卫星的其余部分集成，并于2018年年中发射，这真是快得令人难以置信。为了更好地了解开发时间，GRACE-FO任务（重力恢复和气候实验）的概念性工作于2012年开始，最终于2018年启动，GRACE-FO任务是最初GRACE任务的改进副本。这项研究还证明了立方体卫星的局限性，与所有立方体卫星一样，HaloSat只能做一件事，而且时间相对较短。如果研究人员有想要跟进的结果，那么不太可能用同一颗卫星做到这一点。


如果数据显示需要不同类型的仪器，研究人员将不得不等待新卫星发射。这突显出，尽管立方体卫星正在让太空变得更容易进入，但研究人员需要有一个非常周密的计划和重点的任务，才能使其取得成功，HaloSat演示了如何做到这一点。立方体卫星2.5年的快速发展、集成和发射计划肯定会引起天体物理学领域更多的兴趣，因为它既是新技术的试验台，也是专注任务的平台。HaloSat可能是第一批立方体物理立方体卫星之一，但它不会是最后一颗。


博科园｜研究/来自：国际光学和光子学协会
参考期刊《Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems》
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