NASA马歇尔太空飞行中心开发高性能X射线聚焦光学系统，推动天体物理学研究进展

对天体 X 射线发射的研究揭示了宇宙在最大和最小空间尺度上的秘密。天体 X 射线是由黑洞吞噬附近恒星产生的，由追踪星系间结构的百万度气体发射，可用于预测恒星是否能够容纳适合生命生存的行星。X 射线观测表明，宇宙中大多数可见物质都以星系间热气体的形式存在，并最终证明“暗物质”的存在对于解释星系团动力学是必要的，暗物质主导着星系团的质量，并控制着宇宙的膨胀。

X 射线观测还使我们能够在最小尺度上探索宇宙的奥秘。对白矮星、中子星和黑洞等致密物体进行 X 射线观测使我们能够将宇宙用作物理实验室，研究密度、压力、温度和磁场强度比地球上任何环境都要极端的条件。在这个天体物理实验室中，研究人员希望通过开展诸如探索中子星状态方程和通过观测中子星大气来测试量子电动力学等研究，揭示亚原子尺度的新物理学。在美国宇航局马歇尔太空飞行中心，一支由科学家和工程师组成的团队正在建造、测试和试飞创新的光学系统，使宇宙的 X 射线之谜更加清晰。

与通过以接近 90 度角（法向入射）反射或折射光线来成像的光学望远镜不同，聚焦 X 射线光学器件必须设计为以非常小的角度（掠射）反射光线。在法向入射时，X 射线要么被镜面吸收，要么完全穿透镜面。然而，在掠射角入射时，由于一种称为全外反射的效应，X 射线反射非常有效。在掠射时，X 射线从镜面反射，就像石头在池塘表面跳跃一样。

天文掠入射光学器件的经典设计是 Wolter-I 方案，它由两个反射面组成，一个抛物线和一个双曲线。该光学方案围绕光轴旋转，形成一个全壳镜（即镜子覆盖整个圆周），类似于一个逐渐变细的圆锥体。为了增加聚光面积，制造了多个直径逐渐增大且焦点相同的镜壳，并以同心方式嵌套，组成一个镜模块组件 (MMA)。

聚焦光学系统对于研究 X 射线宇宙至关重要，因为与其他光学系统（如准直器或编码掩模版）相比，聚焦光学系统可产生高信噪比图像，背景噪声较低。表征 X 射线光学系统性能的两个关键指标是角分辨率（即光学系统区分近距离物体的能力）和有效面积（即望远镜的聚光面积，通常以 cm2 为单位）。角分辨率通常以角秒为单位测量聚焦点的半功率直径 (HPD)。HPD 包围聚焦点中一半的入射光子，并测量最终图像的清晰度；数字越小越好。 

美国宇航局马歇尔太空飞行中心 (MSFC) 三十多年来一直在制造和飞行轻型全壳聚焦 X 射线光学器件，始终满足或超过角分辨率和有效面积要求。MSFC 利用电铸镍复制 (ENR) 技术用镍合金制造这些薄型全壳 X 射线光学器件。

MSFC 的 X 射线光学开发始于 20 世纪 90 年代初，当时制造了光学器件来支持 NASA 的先进 X 射线天体物理设施 (AXAF-S)，随后通过 Constellation-X 技术开发计划继续进行。2001 年，MSFC 发射了一个气球有效载荷，其中包括两个模块，每个模块有三面镜子，通过对天鹅座 X-1、GRS 1915 和蟹状星云进行成像，生成了天体物理源的首批聚焦硬 X 射线 (>10 keV) 图像。这项初步努力导致了接下来 12 年的几次后续任务，并被称为高能复制光学 (HERO) 气球计划。

2012 年，聚焦光学 X 射线太阳成像仪 (FOXSI) 的四次探空火箭飞行中，第一次搭载 MSFC 光学系统，产生了能量大于 5 keV 的太阳聚焦图像。2019 年，光谱-伦琴-伽马任务中的天文伦琴望远镜 X 射线聚光器 (ART-XC) 仪器发射升空，搭载了七个 MSFC 制造的 X 射线 MMA，每个 MMA 包含 28 个镜壳。ART-XC 目前正在绘制 4-30 keV 硬 X 射线能量范围内的天空地图，研究我们自己星系中的中子星等奇异物体以及遍布可见宇宙的活跃星系核。 2021 年，成像 X 射线偏振测量探测器 (IXPE) 首次飞行，目前正在与 MSFC 领导的团队使用内部制造和校准的三个 24 壳 MMA 进行非凡的科学研究。

最近，在 2024 年，第四次 FOXSI 探空火箭发射，搭载高分辨率 MSFC MMA。该光学器件在飞行前测试中实现了 9.5 角秒 HPD 角分辨率，在无重力飞行中预计达到 7 角秒 HPD，这是使用镍复制 X 射线光学器件进行的最高角分辨率飞行观测。目前，MSFC 正在为软 X 射线火箭实验演示 (REDSoX) 偏振仪制造 MMA，这是一项探空火箭任务，将发射一种新型软 X 射线偏振仪来观察活动星系核。REDSoX MMA 光学器件的直径为 444 毫米，这将使其成为 MSFC 有史以来生产的最大 MMA 和世界上第二大复制镍 X 射线光学器件。

X 射线光学器件的最终性能取决于光学表面的形状、位置和粗糙度误差。为了推动 X 射线光学器件的性能达到更高的角分辨率并实现更宏伟的科学目标，MSFC 目前正致力于基础研究和开发工作，以改进全壳光学器件制造的各个方面。

鉴于这些光学元件是采用电铸镍复制技术制造的，制造过程从创建复制母版（称为心轴）开始，它是所需光学表面的负片。首先，将心轴定型并抛光至规格，然后将一层薄薄的镍合金电铸到心轴表面上。接下来，去除镍合金层以产生复制的光学壳体，最后将薄壳体连接到刚性固定结构上以供使用。

此过程中的每个步骤都会给最终复制的壳体带来一定程度的误差。MSFC 的研发工作目前正致力于减少电铸金属沉积和释放步骤中引起的变形。电铸引起的变形是由电铸材料在沉积到心轴上时产生的材料应力引起的。减少释放引起的变形需要降低壳体和心轴之间的粘合强度，增加壳体材料的强度以防止屈服，并减少释放层中的点缺陷。

此外，验证这些先进光学器件的性能需要世界一流的测试设施。测试专为 X 射线天体物理学设计的光学器件的基本前提是将一个小而明亮的 X 射线源放置在远离光学器件的位置。如果从光学器件的角度来看，光源的角大小小于光学器件的角分辨率，则光源实际上模拟的是 X 射线星光。由于空气吸收 X 射线，整个测试设施光路必须放置在真空室内。

在 MSFC，一群科学家和工程师操作着马歇尔 100 米 X 射线光束线，这是用于飞行和实验室 X 射线光学、仪器和望远镜的世界级端到端测试设施。顾名思义，它由一个 100 米长的真空管、一个 8 米长、3 米直径的仪器室和各种范围从 0.25 到 114 keV 的 X 射线源组成。街对面是 X 射线和低温设备 (XRCF)，这是一条 527 米长的光束线，带有一个 18 米长、6 米直径的仪器室。这些设施可供科学界使用，并凸显了马歇尔以其而闻名的全面光学开发和测试能力。

在 X 射线天体物理学界，对聚焦光学器件的角分辨率和有效面积需求各不相同。鉴于 MSFC 在 X 射线光学领域的悠久历史，MSFC 具有独特的优势，可以满足大、小、中、高角分辨率 X 射线光学器件的需求。为了帮助指导技术发展，天体物理学界每十年召开一次会议，进行一次十年调查。美国国家科学、工程和医学院的报告《2020 年代天文学和天体物理学的发现之路》强烈支持对高角分辨率和高通量的 X 射线光学器件的需求。为了实现这一目标，MSFC 正在继续推进全壳光学器件的最新技术。这项工作将揭开 X 射线宇宙的非凡奥秘。