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中子星内部组成探测器NICER
中子星内部组成探测器NICER(原计划2016年发射至国际空间站)的主要科学焦点是中子星深度调查（星体压缩到两个太阳质量而体积只有一个城市大小），通过0.2~12 keV的X射线实现，热、磁和转动能恒星辐射的电磁波段。NICER可以实现X射线定时和导航技术空间站探测（SEXTANT），验证飞船脉冲星导航。 1. 引言 为实现长期存在和公认的天体物理研究目标， NASA的中子星内部组成探测器NICER（Neutron star Interior Composition Explorer）有机会对中子星和实验室不可能产生的物理环境中的奇异天体进行综合研究。通过软（0.2~12 keV）X射线时间分辨光谱仪， NICER可以对中子星内部结构、高时变现象和强大磁层高能辐射进行探索。NASA戈达德航天中心GSFC（Goddard Space Flight Center）为NICER提供了科学和工程领导，并与MIT Kavli研究所和工业伙伴合作。NICER的X射线定时仪XTI（X-ray Timing Instrument）（由56个相互对齐X射线“聚焦”光学器件与相关硅偏移探测器组成的阵列）具有高吞吐量和背景辐射低敏感性，其模块化设计也随之降低了风险可能性。GPS接收器提供所需的位置和时间参考，需要结合时间标记光子探测，使X射线测光和光谱获得前所未有的时间分辨率和灵敏度。NICER也使史无前例的技术演示变得可能，包括：利用NICER关键科学目标、毫秒周期脉冲星，作为天文导航信标，进行实时在轨轨道确定。凭借其革新的X射线计时功能，NICER随时准备回答核物理和中子星天体物理的基本问题，通过改进基于脉冲星的航天器导航使未来探索变得可能。 NICER通过对恒星半径和质量测量探测中子星内部构成。通常，这些源自高质量光变曲线（X射线亮度调制随星体旋转，受到相对光线弯曲和多普勒频移的影响），以及中子星双星系统中所观察脉冲到达时间的相对变动。NICER对快速自旋中子星实施旋转分辨光谱分析，利用解决恒星模型的独特能力实现光变曲线分析。预期科学成果是区分中子星状态方程EOS（star equation of state）建议模型族和对核物理基本未知量的独特约束，例如大块核物质的不可压缩性、三体相互作用势和依赖密度的核对称能量。 NICER也对时变现象进行调查，即中子星系统观察的动态行为，从揭示新发现天体的基本自旋速率和描述自旋变化（源于内部和外部过程），到根据炽烈诞生推断中子星冷却的时间尺度。预期科学结果是，通过脉冲计时使质量和半径测量成为可能，限制中子星最大旋转速率、支持脉冲星计时阵列(Pulsar Timing Array)引力波搜索的长期时钟稳定性、打开中子星震学新窗口等。 NICER通过旋转相位相关光谱，探测到磁性层粒子加速和辐射过程。预期科学成果是超强磁场和引力场辐射模型有价值的新测试。 这些测量需要高精度、绝对时间、以及有效收集面积和任务总体曝光时间相结合，这些要求一起使累积光变曲线获得前所未有的信噪比，以及合适的光谱覆盖范围和分辨率。已挑选出为基本科学项目确定的目标，最容易凭借其已知相关属性使科学调查变得可能，例如亮度、自转周期、时间稳定性、磁场强度等。另外，目前所未知， 由于持续的中子星搜索， NICER目标是可实现的，尤其射电、γ射线波段及其NICER自身。 2. 任务需求 NICER关于中子星结构、动力学、能量的科学目标推动了一系列测量和设计需求，确保任务成功执行。范围包括整个任务周期阶段，促进了有效载荷设计考虑（包括适应国际空间站和发射）、任务操作中心和科学运行。
图1. NICER有效载荷示意图 遮阳用蓝色标记，置于指向和部署系统DAPS（Pointing and Deploy System）顶上。低一些位置吊杆附着在标准的飞行可拆除连接机构FRAM（Flight Releasable Attachment Mechanism），连接国际空间站S3 ELC(ExPRESS Logistic Carrier)。 NICER任务由两个主要部分组成：飞行和地面。飞行部分包括NICER载荷及其host（图1），后者位于国际空间站 ELC顶端的有效载荷。ELC要求提供结构支撑、电源、从地面上行指令的能力，以及数据处理、存储和下行。地面部分由NASA机构基础设施和任务专门要素组成。NASA MSFC的载荷运行集成中心POIC（Payload Operations Integration Center）通过NASA约翰逊航天中心JSC和空间网络(Space Network)，提供从地面到载荷的通信链路。NASA戈达德宇航中心GSFC的科学和任务操作中心SMOC（Science and Mission Operations Center）作为NICER控制中心，提供载荷指挥、监控和所有数据处理（包括获取、处理、存储和产品分发到位于高能天体物理科学档案研究中心HEASARC（High Energy Astrophysics Science Archive Research Center）的NICER存储库）。 2.1 基本科学要求 NICER的顶层科学目标要求使半径和质量测量达到5–10%量级，对于最少三个中子星而言；确定至少20个候选脉冲星的X射线通量调制特性；描述旋转变化和爆发（例如脉冲星“glitches”时）；月到年时间尺度建立毫秒脉冲星的内在旋转稳定性；确定粒子加速的绝对旋转相位和中子星磁层的辐射区域。 通过指定一组技术性能要求可使这些测量成为可能，也共同促进了仪器和任务设计。NICER的要求是： ·测量能量依赖X射线光变曲线形状，累积足够光子（通常105–6）来获得5%半径测量； ·测量Shapiro延迟效应，对于适当双星系统（例如倾角≥ 80º，和/或伴随质量≥ 0.5 M¤）脉冲星，其量级小到50 μs； ·搜寻毫秒和亚毫秒时间尺度的周期和准周期脉动，其限制在1×10–14 erg/cm2/sec有 0.5~10 keV通量； ·测量脉冲到达时间≤ 1 μs RMS，至少一月1次持续18个月，间隔小于3个月； ·光谱上区分热和非热X射线脉冲光谱，并测量其绝对相位，精度达到100 μs。 2.2 设计原理和所选低级别要求 高级科学需求驱动着任务基本功能，此外，NICER实现所需功能，将国际空间站ISS带来的较低风险和成本进行全面任务科学的机会看作有效载荷的任务机遇。 NICER的最高优先级科学源于对分布于天空少量目标进行的热X射线脉冲光变曲线分析。模拟表明，根据光变曲线形状细节信息，每个目标需要收集105-6个光子；可以通过有效收集面积和曝光时间的适当平衡来完成。旋转动力脉冲星的热释放在1 keV以下达到能量峰值，因而需要低至0.2 keV条件的光子探测能力。在软X射线，宇宙背景X射线在大于几十arcmin2天区的散射光变得重要。需要窄视场FOV（field-of-view）仪器(不需要成像能力)，NICER视场大小28 arcmin2，涉及光变曲线模型和搜寻先前未知脉冲的灵敏性研究。反过来，视场FOV的大小控制着收集X射线光学系统的性能、指向仪器的机动能力和获得所需深度曝光的操作计划。例如，NICER指向系统须将仪器观测轴维持在目标66角秒之内，机械调整保证视光学/探测器瞄准在观测轴54角秒之内。 一年临界任务和保守假设33%运行效率，利用足够时间（10 Msec=1年1/3）为三个中子星的光变曲线模型累计所需光子数（并完成剩余部分临界任务），每个总曝光≤1.5 Msec。所需最低峰值有效收集面积Aeff ≥ 1333 cm2，类似于PSR j0437-4715，光子通量≥ 0.5 cts/ksec/cm2（对应0.2~2 keV能量通量，1MK黑体和1021 cm–2中性氢吸收柱约为1×10–13 erg/s/cm2）。因此，为满足仪器级峰值Aeff要求，X射线采集系统必须全任务周期为1.5keV的X射线提供≥4000 cm2的几何收集面积和≥48%的效率。NICER的掠入射箔聚光器，光路具有合适的热过滤器，满足这项需求（见图2）。几何收集区域容纳于国际空间站ISSELC有效载荷体积包络，强制最大焦距；而焦距和收集区域通过X射线反射率的考虑，决定NICER仪器（56组聚光器/探测器对）模块化：在掠角1.35°，最外面聚光器箔在0.2 keV提供 82%反射率，但在10 keV反射率低于0.1%。最后，满足了整体收集效率要求，包括探测器属性：为满足仪器级峰值Aeff要求，X射线探测系统必须在整个任务期在1.5 keV提供≥ 67%量子效率。在探测器上，低能量效率通过适当薄的热和光遮挡过滤器实现，而高能量要求是通过适当厚探测器满足的。用一个冷却硅设备来满足探测器的能量分辨率要求（1 keV以下100 eV FWHM；1 keV到10 keV间是200 eV）。轨道额外背景源的降低（粒子和渗透电磁辐射）需要将否决能力（例如脉冲高度和上升时间辨别）和X射线探测器物理紧凑的事实相结合。
图2. NICER预期有效面积与X射线光子能量的关系 与XMM-Newton望远镜可计时PN照相机对比。峰值Aeff将近1,900 cm2，以增幅42%超过所要求最小量。
NICER长期脉冲时钟稳定性测量目标强加了光子探测时间标记要求，需达到100 ns RMS，意味着探测器及其读出系统、在轨载荷时间保持、NICER位置都最终与太阳系质心有关。计时误差分配（表1）分解了组成成分的贡献。硅偏移探测器的设计选择满足探测器分配，而在轨GPS接收机满足绝对时间分配和位置不确定性。 表1. NICER任务顶层光子time-tagging误差分配达100 ns RMS全局不确定性
为了避免任务脉冲时钟稳定性测量长于3个月，具体说明了太阳回避Sun-avoidance的要求：NICER必须具备调整太阳角与仪器观测轴低至45°的能力。 3. 运行设想 3.1 发射与安装 SpaceX已证实将NICER送到国际空间站ISS，使用猎鹰9号(Falcon 9)火箭和飞龙(Dragon)运载工具进行任务补给。一旦运载工具停泊到国际空间站ISS，NICER将进行完全机器人安装，没有任何宇航员协助，其操作序列高度精确设计，涉及空间站远程操纵系统（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS“robot arm”）和专用灵巧操纵器（Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM或“Dexter”）。预期有效载荷有几次电力供应中断—NICER设计能至少6个小时在未上电状态下存活，假设“预热”时期有充分的通告和足够电源。飞龙运载工具的不耐压Trunk和国际空间站ISS临时集结区能给机器人传送提供必要的预热电源优先权，包括暂停生存加热操作。最终，NICER被运载到ELC2（国际空间站顶端，参见图3）位置7（舷外，ram），有效载荷的Active FRAM与ELC的Passive FRAM相匹配，固定在该位置并加电。
图3.国际空间站ISS机器臂所获照片展示ELC2位置7（红圈表示）（未来NICER载荷将安装对接的位置） 3.2 初始检验、部署和校准 有效载荷健康与安全的初始工程评估将包括与NICER的avionics通信，主电子盒MEB（Main Electronics Box）与其它电气子系统间的名义通信验证，包括：星跟踪数据处理单元ST-DPU（Star Tracker Data Processing Unit）、X射线探测器测量/供电单元MPU（Measurement/Power Units）和平衡控制电子学GCE（Gimbal Control Electronics）。探测器将在NICER暴露太空探测背景事件前被激活。当科学和任务操作中心SMOC的操作员验证完基本指令和电路连通性后，NICER的一次性启动锁（由四个Frangibolts（TiNi Aerospace, Inc.）组成）将在SMOC连续实时监测下解开。在确认所有启动锁脱离后，NICER将进行首次部署，而电机激活需要对安全条件和多条命令进行评估。 部署序列包括1）激活自锁驱动器来打开部署执行器，2）旋转部署执行器摆动吊杆指向天顶方向，3）激活自锁驱动器，在部署配置中锁定部署执行机构，4）激活提升执行机构旋转XTI到ELC上，便于星体跟踪器、GPS天线和X射线光学的一览无遗天空视角。 初始校准包括： ·使用包括工程遥测的伪距数据，同时在轨和地面后处理中验证时间和定位的GPS解决方案； ·使用遥测四元数和图像帧验证星体跟踪器性能； ·通过对亮的紧凑X射线源（如蟹状星云）实施扫描，验证星跟踪器是否在X射线观测轴对准。记录所有56个探测器上X射线计数率作为指向函数，通过分析经验判断与星体跟踪器视轴相关的最佳仪器观测轴。 3.3 观测策略 NICER科学团队保留一份目标清单，并在基本任务过程中更新。这份目标清单通告NICER观测的长期（提前1-3个月）计划。长时间尺度上，目标可见性受到太阳回避带Sun-avoidance cone（图4）和国际空间站ISS轨道平面进动影响。 图4. NICER目标广布天空 图中采用黄道坐标系，蓝色标记代表200个已知感兴趣天体目标，包括校正目标，绿色标记模拟50个随机分布的机会目标。3个月周期太阳路径集中在冬至（12月21日），图中用宽箭头表示。对于太阳45°回避角，开始禁区（黄色）、中间（橘色）、和结束（红色）的周期为长虚线边框，而深紫色轮廓围住这3个月将受太阳影响的整个区域。不受影响目标始终可见，图中用实心圆圈表示；空心圆圈是受限可视目标。银河系中心位置用淡蓝色十字叉表示—由于目标集中在银河系内区，此区间描绘Sun avoidance代表NICER目标收集可视性的最差影响。
在更短期（几天到1周），科学团队成员和SMOC员工根据科学优先次序、目标可视度、ISS操作（例如飞船到达或离开、宇航员舱外活动、轨道重置等）来制定观测计划。这些计划通常受NICER关键科学目标（毫秒脉冲星，例如J0437–4715和J0030+0451）主导，也监测其它长期变化（例如磁星）或爆炸行为。考虑到即时感兴趣目标，例如爆发中吸积双星系统或即将近期爆发的尚在冷却状态的双星系统。最后，对目标（例如蟹状星云）进行校准监测和trending在例行计划安排中也具有重要作用。 通常一天NICER的SMOC有多次机会上行命令，但实际上，每隔几天上行一次，除非发现感兴趣的瞬态目标（通过其它任务或地面望远镜），这时可以授权打断NICER预先计划安排。正常上行时，将大量命令时间线和跟踪目标坐标发送到有效载荷。设计该时间线以最大化观测效率。对给定轨道，NICER通常观测三个天体目标。首先跟踪第一个天体目标，直到遇到观测约束（太阳角、地球角或ISS障碍）。接下来，NICER将转到下一新目标，直到再次遇到观测约束。然后，NICER将转到第三个目标，并在有效持续时间内进行跟踪。重复这个过程直到累积达到预定曝光时间。随着原始目标观测效率下降，新目标将进入计划日程安排。 通过对太阳、地球、月亮，以及国际空间站ISS结构干扰对X射线或星体跟踪器视场FOVs的可视性分析，表明仅基于可视性的观测效率很高（大约80%），受目标之间回转定位耗时的无效事件影响。而其它对观测效率的影响（比如国际空间站ISS运行、通过高辐射轨道环境与不适宜热环境等），估计将NICER科学运行整体效率降低到54%，但也远比最低要求33%要高。 3.4 遥测数据 NICER载荷收集的至少90%科学数据需要传输并存档到地面。实际上对数据的完整性期望会更高。这些科学数据通过以太网连接传输下来，大约80%时间，国际空间站ISS通过中继星TDRSS（Tracking and Data Relay Satellite System）与地面实时联系。如果以太网不可用，NICER将使用MIL-STD-1553串行链路来进行上行指令，以及housekeeping数据下行（科学数据记录于在轨存储器）。国际空间站ISS在通信间隙存储数据，并在下次联系时回放数据。数据延迟通常远小于1小时，数据完整性通常> 99.5%。如果数据丢失了， SMOC将要求从POIC或NICER在轨数据存储器上重新传输。 NICER将以CCSDS格式（“0级”）下行缓冲科学数据。SMOC将校正和处理数据，生成高级产品：1级产品将被校正为根据不同目标组织的“事件列表”；2级产品是筛选排除不良数据的事件列表；3级产品包含自动从筛选事件列表中提取的光变曲线和光谱。
图5. 载荷结构示意图 根据星跟踪器向导，NICER载荷利用DAPS系统万向高度方位角（elevation-over-azimuth，El/Az）执行器，来指导面向天体目标的XTI，DAPS系统通过部署和封锁执行机构固定在活动FRAM上。通过高功率开关（High Power Switch，HiPoS）盒来管理有效载荷电源。
4.1 机械/结构 除了国际空间站ISS FRAM载荷要求的质量与体积限制，机械设计受限于发射负载、发射和处置的最小结构模态频率、XTI运动质量惯性矩、星跟踪器之间对准偏差维持、X射线聚光器光学（X-ray concentrator optics, XRCs）、探测器、集成过程以及在轨各种热条件。定义了XTI和其它关键组件之间接口，例如FRAM、DAPS、星体定位跟踪器、电子学盒、探测器MPUs。根据广泛分析，对具体设计进行选择，包括发射锁结构、XRC和探测器焦平面模块（Focal Plane Module，FPM）结构、遮阳篷。XRC和FPM结构的工程模型已经制造出来，并已接受性能和振动测试。 4.2 指向 NICER最复杂的子系统负责将高质量和惯性矩的XTI精确指向惯性目标，补偿国际空间站ISS在1角分水平的轨道运动，这种场合包括国际空间站ISS振动抖动和其他干扰（如步进电机抖动、谐波驱动缺陷和控制回路限制）。部署和指向系统DAPS（Deploy and Pointing System）有关键机械、电气、热，以及XTI与FRAM飞行软件接口；重要的是，它使XTI重新装载到一个类似发射时的紧凑装置，消除任何潜在的NICER对国际空间站ISS操作的影响。重要分析已经通告了执行器硬件、控制电器、星体跟踪器、指向飞行软件的性能规范定义。多种工程模型的测试正在进行中。 NICER的DAPS硬件是由Moog, Inc. (Chatsworth Operations)提供的。NICER的星跟踪器，即微先进恒星罗盘(Micro Advanced Stellar Compass)，包括一个合适挡板，由Technical University of Denmark提供。 4.3 电子 国际空间站ISS的ELC有效载荷generous功率调节简化了NICER的电学设计（某些情况下需要以复杂热设计作为代价）。国际空间站ISS要求的对早期电气结构的更改，包括接地变动来隔离ISS结构体returns，以及从ELC管理电源的高功率switching能力的设计。 NICER主电子器件盒MEB（提供飞行指令和数据处理avionics、GPS接收机和处理器、功率分布）及平衡控制电子学(Gimbal Control Electronics)主要由Moog, Inc.(Broad Reach)提供。 4.4 热 存储热能以便电子器件在延长断电期间(达6个小时)保持生存温度，这是一个重要的设计驱动，需要将相变材料集成到电子器件deck结构。减缓集成光学试验台(Integrated Optical Bench)的温度梯度，最小化铝结构热机械变形，是NICER指向安排中的关键组成部分，整个过程通过光学和探测器平板上软件控制的加热器完成。热硬件、覆盖和涂料配置是基于国际空间站ISS轨道大范围β角度和多个现实目标跟踪序列的分析，模拟XTI上的太阳照度。 4.5 X射线光学 基于不需成像的事实，NICER单反射X-ray concentrators代表high-heritage掠入射光学的简化，相比包含两种（主镜和次镜）反射的传统安排，可获得效率的显著提高。NICER光学设计另一新颖地方是赋予复制、镀金铝箔的抛物线图，优化XRCs的环绕能量函数。许多工程模型XRCs已配备并测试了性能，满足或者超越了包括振动测试的环境测试前后的要求。 4.6 X射线探测器 模拟和数字探测器读出电路可以生成X射线光子探测事件的空前时间戳和近似最佳的硅探测器能量测量。一个新颖的双通道读出方法也可鉴别远离探测器中心的光子，提供一种区分光学聚焦宇宙X射线和辐射背景事件的方法。MIT和Noqsi Aerospace, Inc.提供探测器焦平面模块FPM/供电单元MPU子系统，并与Amptek, Inc.提供的适当定制硅偏移探测器结合在一起。 4.7 SEXTANT NICER的XTI和操作概念为脉冲星飞船导航的SEXTANT演示提供一个理想平台。SEXTANT团队受NASA空间技术任务董事会资助，正在对NICER在轨处理光子事件的飞行软件进行研发改进，并期望实时获得1到10千米轨道解决方案。 SEXTANT系统测试开始于2014年后半年，利用戈达德航天中心GSFC的XNAV实验室测试脉冲仿真器，向NICER的XTI提供X射线stimulus，调制出现，虽然载荷已在轨观测一系列毫秒脉冲星。
文献来源：Z. Arzoumanian, K. C. Gendreaua, C. L. Baker, et al., The Neutron star Interior Composition Explorer (NICER): mission definition, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, Proc. SPIE 9144, Space Telescopes and Instrumentation 2014: Ultraviolet to Gamma Ray, 914420.
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