// 10 mの焦点距離で、原子数個の鏡面精度を空の0.5秒角へ · 1999-040B
チャンドラX線観測衛星
Chandra X-ray Observatory
X線は普通の鏡へ正面から当てても像にならない。Chandraは4対の筒状鏡へ浅く二度反射させ、ACISまたはHRCへ集光する。必要ならHETGかLETGを光路へ入れ、同じ天体を画像だけでなく高分散スペクトルとして読む。
01基本情報
巨大な望遠鏡を長時間観測へ変える、軌道・光学・電源・データの公称値。
| 打上げ | 1999-07-23Space Shuttle Columbia / STS-93 |
|---|---|
| 国際標識 | 1999-040B旧称 AXAF |
| 投入方式 | IUS 2回噴射 + IPS 5回噴射1999-07-24〜08-07に自機のIntegral Propulsion Systemで昇軌 |
| 質量 | 約4,830 kg乾燥質量4,790 kg、搭載推進剤40 kg |
| 光学系 | 4対 Wolter-I / Ir coating最大直径1.2 m、焦点距離10 m |
| 観測帯域 | およそ0.1〜10 keV撮像と透過型回折格子分光 |
| 運用軌道 | 63.5時間の高楕円軌道軌道要素は月・太陽摂動で長期変化 |
|---|---|
| 2025年半ば | 高度 約6,680×142,000 km離心率約0.84。2023年には近地点1,045 kmまで低下 |
| 観測可能区間 | 一周の約70〜75%近地点の高放射線区間では科学観測を停止 |
| 電力 | 2翼×3枚 + NiH₂電池3基公称運用電力800〜1,100 W |
| 記録 | 1.8 Gbit × 2科学ストリーム24 kbps、全体32 kbps |
| 地上通信 | 低利得アンテナ2基 / DSN通常8時間ごと、45〜75分の交信 |
02ミッション
鏡・回折格子・焦点面・姿勢決定を一つの座標系へ結び、0.5秒角級のX線像と高分散スペクトルを作る。
浅く二度反射してX線を集める
High Resolution Mirror Assemblyは、放物面と双曲面を組にしたWolter-I鏡を4層入れ子にする。X線は各面へほとんど平行に触れ、二度反射して10 m先の焦点へ集まる。イリジウム被膜と小さな入射角により、鉄輝線を含む高エネルギー側まで有効面積を確保した。軸上像は0.5秒角級で、混み合う銀河中心や超新星残骸の細部を別々のX線源として分けられる。
一つの焦点を、二つの検出器で使い分ける
Science Instrument Moduleは横移動し、ACISまたはHRCの一方を光軸へ置く。ACISはCCD上の位置と光子エネルギーを同時に測り、広がった天体の各場所からスペクトルを得る。HRCはmicrochannel plateで到来位置と時刻を細かく測り、鏡の空間分解能を生かす。焦点調整と検出器選択を同じ可動台で行うため、観測モードを変えても光学基準を保てる。
回折格子は必要な観測だけ光路へ入る
HETGとLETGはHRMA直後へ選択的に挿入される。HETGは主にACIS-Sと組み、高エネルギー側をHEGとMEGの二方向へ分散する。LETGは主にHRC-Sと組み、低エネルギーX線を高分解能で分光する。観測目的に応じて、格子なし撮像、HETG分光、LETG分光の光学構成を選ぶ。
高楕円軌道を長い露光時間へ変える
Columbiaから放出後、IUSの2回噴射とChandra自身のIPSによる5回噴射で高楕円軌道へ上がった。遠地点側では地球の放射線帯から離れ、63.5時間の一周の大部分を連続観測に使える。近地点へ向かうと粒子線量が上がるため科学データ取得を止め、装置を保護する。軌道要素は長期的に変わりながら、近地点通過から次の遠地点側観測区間へ一続きの周回を重ねる。
姿勢履歴まで含めて0.5秒角の画像になる
Aspect Cameraが恒星を追跡し、焦点面近くのfiducial lightを同じカメラへ写す。これにより恒星座標とX線検出器の位置関係を観測後にも再構成できる。IRU、6基のreaction wheel、太陽センサー、MUPSのmomentum unloadingが指向を保ち、ACIS/HRCのevent、宇宙機時刻、姿勢、較正値を地上で統合する。NASAは2026年もChandraをActive Missionとして掲げ、新規観測と公開アーカイブを運用している。
- 1999-07-23Columbiaから放出STS-93の貨物室からIUS付きで展開。
- 1999-07-24〜08-075回のIPS噴射IUSの2回噴射に続き、高楕円の観測軌道を形成。
- 1999-08First lightCassiopeia A中心の点源を含む高分解能像を取得。
- 1999-11通常運用開始軌道上較正を経て公募観測へ。
- 2018-10Safe modeから復帰異常なジャイロ値を特定し、別構成で科学運用を再開。
- 2023-07近地点が長期最小月・太陽摂動で高度約1,045 km、遠地点約148,000 kmへ。
- 2025 mid軌道の離心率が低下近地点約6,680 km、遠地点約142,000 km。
- 2026Active MissionCycle 28の観測計画とアーカイブ較正を継続。
03エピソード
高い楕円軌道へ届くまで、鏡が生んだ想定外、十九年目の三秒を、運用設計の物語として読む。
Shuttleから放した後にも、5回の山があった
Chandraは1999年7月23日にColumbiaから放出され、IUSが2回燃焼しただけでは最終軌道に届かなかった。そこで観測所自身のIPSが7月24日から8月7日まで5回噴射し、放射線帯の外に長く滞在できる約63.5時間周期の高楕円軌道を作った。投入後は強力なIPSを安全上の理由で永久停止し、通常のreaction wheel除荷は小型のMUPSだけへ分離した。打上げ推進系を観測運用から切り離す判断が、長寿命望遠鏡の故障範囲を狭めた。
X線の鏡が、陽子までCCDへ集めてしまった
1999年の軌道上試験で鏡の汚染coverを開いた後、放射線帯を数回通るとACISのfront-illuminated CCDだけに位置依存のenergy resolution低下とCTI増加が現れた。これは斜入射鏡がX線だけでなく低energy protonも焦点面へ導いたために生じた放射線損傷で、back-illuminated CCDは影響を免れた。チームは通過時にACISを焦点から退避させる保護手順と追加較正へ切り替え、初期損傷を隠さず応答modelへ組み込み、その後の劣化を打上げ前予測の範囲まで抑えた。
十九年目、3秒の誤値を一台のgyroへ閉じ込める
2018年10月10日09時55分EDT、Chandraは突然safe modeへ入った。原因は一つのgyroが3秒間だけ誤データを出し、機上計算機がmomentumを誤算したことだった。NASA運用チームは機体を太陽電池優先姿勢で保護したまま原因を切り分け、そのgyroを予備へ回し、別構成と事前試験済みsoftware patchを選んだ。10月21日夜には姿勢maneuverで健全性を確認して科学観測へ復帰し、5年設計の機体を十九年目にも全損させなかった。
04軌道
投入時の段階的な昇軌と、完成後の63.5時間周回を分けて読む。運用軌道では地球を焦点の一つに置き、近地点通過から遠地点側の観測区間までを一続きの周回として描く。
- 01Columbiaから放出低地球軌道でIUS付きChandraを貨物室から展開した。
- 02IUS 2回噴射放出約1時間後の二段燃焼で遠地点を大きく引き上げた。
- 03IPS 5回噴射7月24日から8月7日に近地点を段階的に上げ、観測軌道を完成した。
- 04放射線帯を離脱粒子環境が下がると選択した焦点面装置を使い科学データ取得を始める。
- 05遠地点側で観測ゆっくり進む外側区間を、長時間露光とDSN通信へ配分する。
- 06近地点で装置保護近地点を通過し、粒子環境が下がる次の観測区間へ進む。
05搭載機器
四つの観測モードは、焦点面と回折格子の選択で組み合わせる。
High Resolution Mirror Assembly
4対のparaboloid–hyperboloid鏡が0.1〜10 keVのX線を10 m先へ集光。
Advanced CCD Imaging Spectrometer
ACIS-I 4枚とACIS-S 6枚のCCDで、位置と光子エネルギーを同時測定。
High Resolution Camera
HRC-IとHRC-Sのmicrochannel plateで高空間・高時間分解能観測。
High Energy Transmission Grating
HEGとMEGを一体で挿入し、主にACIS-Sへ高分散スペクトルを形成。
Low Energy Transmission Grating
全鏡殻の低エネルギーX線を分散し、主にHRC-Sで読み出す。
Pointing Control & Aspect Determination
Aspect Camera、IRU、fiducial light、reaction wheelで指向と画像座標を再構成。
06設計
前方のHRMAから10 m後方の可動焦点面へX線を通す。電力、姿勢、推進、記録、通信は、その一本の光軸と別の機能系として支える。
長い一本の光軸
前方のHRMAと後方のSIMを約10 mのcomposite optical benchで離した。鏡、baffle、格子、焦点面の相対位置がわずかにずれるだけで像が広がるため、構体の温度を受動断熱と電気heaterで管理する。最大径1.2 mの4対の鏡は同心に並び、各鏡殻のparaboloidとhyperboloidで二度反射する。前後のcontamination coverは軌道上で開かれ、前方coverはsunshadeとして残る。
撮像と分光を選択する機構
HETGとLETGはHRMAの後ろに搭載され、分光観測時だけどちらか一方を光路へ入れる。焦点面ではSIMがACISまたはHRCを選び、焦点方向にも微調整する。direct imagingはHRMAから選択検出器へ、HETG spectroscopyは主にACIS-Sへ、LETG spectroscopyは主にHRC-Sへ進み、観測目的に合う光学構成を作る。
恒星とX線検出器を同じ座標へ
Aspect Camera Assemblyは恒星を撮像し、Fiducial Transfer Systemを介してACIS/HRC近くのfiducial lightも見る。IRUの角速度と合わせ、地上でX線eventの到来方向を再構成する。6基のreaction wheelが観測中の指向を制御し、MUPSが蓄積momentumをthrusterで下ろす。初期昇軌用IPSは最終軌道完成後に停止され、通常運用のMUPSとは役割も作動時期も異なる。
長時間観測を記録して短い交信で戻す
選択中のACISまたはHRCは24 kbpsのscience streamをCCDMへ渡す。二台の1.8 Gbit solid-state recorderが地上局不可視時間を埋め、通常8時間ごとのDSN passで最大1024 kbps再生する。低利得アンテナ2基はcommand、ranging、telemetryを担い、OCCが宇宙機運用、CXCが観測計画・較正・解析支援・archiveをつなぐ。
電力と熱が観測順を決める
2翼各3枚の太陽電池arrayが電力を作り、三基のNiH₂ batteryがまれな地球・月食をまたぐ。経年した断熱材により、同じ天体でも太陽pitch angleと直前の姿勢で機器温度が変わる。現在のscheduleは科学優先度だけでなく、ACIS electronics、HRC electronics、spacecraft panelを次の観測までに冷却できるかを見て組む。光学性能を保つ最後の制御要素は、観測の並べ方そのものになっている。
07写真・図版
長大な光学ベンチと焦点面機器を、実機資料で確認する。
08関連文献
現行運用、軌道、光学・焦点面、地上系まで追える公式資料。
- Chandra X-ray Observatory
- Chandra Proposers’ Observatory Guide — Mission Overview
- Chandra Proposers’ Observatory Guide — Spacecraft and Operations
- Chandra Proposers’ Observatory Guide — Visibility and Constraints