Simbol-X

Simbol-X war ein französisch-italienisch-deutsches Projekt eines Röntgenteleskopes, welches als erstes Instrument überhaupt Photonen mit Energien zwischen 0,5 und 80 keV mit Hilfe eines Wolter-Spiegel-Systems fokussieren sollte. Der ursprüngliche Start des Projektes war für das Jahr 2014 geplant, wurde jedoch frühzeitig im Jahre 2009 wegen zu starker Reduzierung der Finanzierung gestoppt. Das Ziel der Mission war es, ein Instrument zu bauen, das durch seine große Sammelfläche über einen großen Energiebereich, durch einen niedrigen internen Detektor-Hintergrund und durch seine hohe Empfindlichkeit besticht und somit zur Entdeckung vieler bisher unentdeckter schwacher Röntgenquellen führen könnte. Simbol-X hätte durch sein großes Gesichtsfeld, seine hohe Quanteneffizienz, die gute Auflösung und den niedrigen internen Hintergrund zu einem großen Fortschritt im Bereich der Röntgenastrophysik und dem Verständnis kosmischer Teilchenbeschleuniger führen können.

 

Bild: Simbol-X (CNES, Oliver Sattler, März 2006)

 

Instrument:

Simbol-X ist das erste Instrument, welches aus zwei aufeinander ausgerichteten Satelliten besteht, die sich im Formationsflug bewegen. Die Spiegel und der eigentliche Detektor befinden sich dabei auf getrennten Modulen, welche jedoch gemeinsam in die Umlaufbahn befördert werden. Durch die Trennung von Detektor und fokussierender Optik ist es möglich, Photonen mit Energien im bisher nur durch die coded-mask imaging technique erreichten Bereich oberhalb 15 keV zu fokussieren und dadurch abzubilden. Bei hohen Photonenenergien wäre für ein herkömmliches Instrument die Brennweite viel zu groß, um sowohl Detektor als auch die Optik auf ein und demselben Satelliten stabil zu installieren. Simbol-X verwendet als fokussierende Optik Wolter-Spiegel mit einer Brennweite von ca. 20 m, bestehend aus mehrlagigen Spiegelschichten, welche Photonen mit Energien bis zu 80 keV fokussieren können. Dadurch kann die bisher erreichte Empfindlichkeit und Winkelauflösung in diesem Energiebereich um bis zu zwei Größenordnungen verbessert werden. Bei der Spiegel-Entwicklung profitiert man von den vorangegangenen Mission ROSAT und XMM-Newton und der dafür entwickelten Idee von ineinandergeschachtelten Wolter-I Spiegelschalen. Der Hauptunterschied ist, dass für die Simbol-X-Mission Mehrfachbeschichtungen aus Platin und Kohlenstoff verwendet werden, um die nötigen Vorraussetzungen für eine hohe Empfindlichkeit zu schaffen, wodurch noch sehr viel höhere Photonenenergien gebündelt werden können. Bei diesen Mehrfachschichten verwendet man abwechselnd Material mit hoher und mit niedriger Kernadungszahl Z. Dadurch können Photonen, mit Energien von bis zu dreimal der bei Reflektion an Einzelschichten erreichten Werte, effektiv fokussiert werden . Der Durchmesser der Spiegelschalen sollte von 26 cm bis zu 65 cm reichen und das Gewicht ist im Vergleich zu XMM-Newton durch die Verwendung dünnerer Spiegelschalen reduziert. Für die nötige Stabilisation der Spiegel sorgt dabei ein sogenanntes spider wheel, welches die Spiegel jeweils am oberen und unteren Rand des Moduls stabilisiert.

 

Technische Eigenschaften von Simbol-X:

ParameterWert
Fokallänge20 m
Winkelauflösung20''
Gesichtsfeld>12'
Energiebereich0,5-80 keV
Energieauflösung120 eV  @ 6 keV, 1 keV @ 60 keV
Empfindlichkeit1,4 μCrab @ 30 keV
Zeitauflösung128 μs
Missionsdauer3+2 Jahre
effektive Fläche1000 cm² @ 6 keV 
Spiegel-TypWolter-I
Anzahl an Schalen100
Beschichtungmehrlagig Pt/C
Schalen-Durchmesser26 bis 65 cm
Schalen-Dicke0,2 bis 0,6 mm

beobachtete Quellen

(erwartet)

1000+500

Detektor:

Um den gesamten Energiebereich mit einer guten Energieauflösung abzudecken, besitzt Simbol-X sowohl einen Detektor für niedere Energien (Low Energy Detector, LED) als auch einen Detektor für hohe Energien (High Energy Detector, HED), welche im folgenden beschrieben werden.

LED

Der LED wurde am Halbleiterlabor des Max-Planck-Instituts in Neuperlach entwickelt und besteht aus einer Matrix von 128 x 128 Pixeln, welche in vier Quadranten aufgeteilt und in einen monolithischen Siliziumwafer integriert sind. Alle vier Quadranten haben dabei ihre eigene Front-End-Elektronik (CAMEX - Charge Amplifier and MultiplEXer) und werden gleichzeitig innerhalb von 128 μs ausgelesen. Es handelt sich um einen so genannten DePFET (DEpleted P-channel Field Effect Transistor) Detektor.

 

Bild: Wafer-Prototyp mit Montierung, bestehend aus 128 x 128 Pixel (MPI Halbleiter Labor)

 

 

Der DEPFET besteht aus einem großen (8 cm x 8 cm x 450 μm) und vollständig verarmten Siliziumblock mit einem p-MOSFET, welcher sich zentral auf der Vorderseitenoberfläche eines jeden Pixels befindet. Dieser dient dazu, die von der einfallenden Strahlung erzeugten Elektronen zu speichern, zu messen und wieder zu entfernen. Die p-MOSFETs werden von Driftringen umschlossen, um die Ladungen in den Auslesebereich zu befördern. Durch die Flexibilität der Driftringe kann man die Pixelgröße den jeweiligen Anforderungen eines Projektes anpassen und die Größe von 1cm x 1cm bis zu 50 μm x 50 μm variieren, ohne dabei die Energieauflösung zu verändern. Die für die Simbol-X-Mission verwendeten Pixel (Macro Pixel) haben eine Größe von 625 μm x 625 μm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bilder: DEPFET-Modell links: Driftringe auf der Rückseite eines Pixels, rechts: MOSFET Struktur zum Speichern und Auslesen der Ladungsmenge (MPI Halbleiter Labor)

 

Bis zu 105 Elektronen können im internal gate der MOSFETs gesammelt werden, deren Signal als Spannung bei Anlegen des externen gates gemessen werden (signal sampling). Nach der Messung des Signals wird die angesammelte Ladung durch Anlegen einer positiven Ladung gelöscht. Die Spannung kann daraufhin nochmals mit einem leeren internal gate gemessen werden (baseline sampling), wobei die Differenz der Anzahl der während der Integrationszeit gesammelten Elektronen entspricht. Zur Abschirmung gegen optisches Licht wird eine dünne Aluminiumschicht auf das Eintrittsfenster aufgebracht. Um thermisches Rauschen zu reduzieren und eine Energie-Auflösung von < 150 eV FWHM bei 5,9 keV zu erreichen muss die Temperatur am Wafer konstant auf -40°C gehalten werden.

HED

Der HED ist aus 64 einzelnen CALISTE-Kameras, bestehend aus hochqualitativen CdTe Kristallen mit jeweils 16 x 16 Pixeln und Pixelgröße 625 μm zusammengesetzt. Jeder Kristall ist mit seiner eigenen Ausleseelektronik verbunden. Der Energiebereich für den HED beträgt 5 - 80 keV und überlappt somit leicht mit dem Energiebereich des LED. Die Fokalebene ist in acht unabhängige Sektoren aufgeteilt.

 

Bild: Simbol-X HED mit den 2 x 4 Sektoren mit je acht CALISTE-Modulen (CEA/DAPNIA)

 

 

Der HED ist ein selbst-triggernder Detektor und hat daher im Gegensatz zum LED keine frame time. Sobald ein Signal in einem Pixel eine bestimmte Grenze überschreitet wird ein Event-Packet, bestehend aus Zeit, Energie und Pixelinformation generiert.

AC

Beide Detektoren (LED und HED) werden von einem Antikoinzidenzschild umgeben. Dadurch wird der Hintergrund, der von der kosmischen Strahlung erzeugt wird, minimiert. Das active anticoincidence (AC) shield besteht aus einem Plastikszintillator, in welchem auftreffende Strahlung optische Photonen erzeugt. Diese Photonen werden von Photo-Multiplier Tubes (PMTs) detektiert. Signale, die in einer kurzen Zeit sowohl vom Detektor als auch vom Antikoinzidenzschild gemessen werden, können daher aussortiert werden, da sie höchstwahrscheinlich von Hintergund-Ereignissen stammen.

 

Bild: Simbol-X: links: Querschnitt durch die Fokalebene, rechts: Aluminium-Kühlgehäuse für den HED (CEA, Saclay)

 

 

 

Technische Eigenschaften des LED und HED:

ParameterLEDHED

Format

8 cm x 8 cm8,49 cm x 8,57 cm
Pixel-Format128 x 128 Pixel128 x 128 Pixel
Layout

4 unabhängige Quadranten

mit 64 x 64 Pixel

8 x 8 Module mit

jeweils 16 x 16 Pixel

Pixel-Größe625 μm x 625 μm625 μm x 625 μm
DetektormaterialSiliziumCd(Zn)Te
Material-Dicke450 μm1-2 mm
Energieauflösung150 eV bei 6 keVca. 1 keV bei 68 keV
Auslesezeit< 256 μs per framek.A.
Arbeitstemperatur-40°C-40°C

Wissenschaftliche Ziele:

  • Bewegung von Materie um Schwarze Löcher: Durch Zuordnung der verschiedenen Bereiche eines Spektrums zu den unterschiedlichen an der Emission beteiligten Komponenten (zum Beispiel Synchrotronemission im Jet, Inverser Compton-Effekt in der Korona oder Emission der Akkretionsscheibe) möchte man neue Einblicke in die Geometrie von akkretierenden Schwarzen Löchern erhalten. Anhand der Struktur der relativistischen Eisen-Linie lässt sich möglicherweise auch der Spin eines Schwarzen Loches bestimmen. Ausserdem sollte Simbol-X die hochenergetische Emission von supermassiven Schwarzen Löchern im Zentrum von Galaxien messen und dadurch zum weiteren Verständnis der dort stattfindenden Wechselwirkungen beitragen.
  • Stark absorbierte Aktive Galaxienkerne (AGN): Simbol-X könnte viele unentdeckte AGN bis hin zu Entfernungen von z∼0,5-1,5 entdecken. Bisher wurden erst sehr wenige so genannte Compton Thick AGN von XMM-Newton und Chandra gefunden. Zudem soll Simbol-X schwache Röntgenquellen mit hartem Spektrum im soften Energiebereich analysieren. Auch die Variabilität und somit die Art der Emission von kurz- und langlebigen Quellen soll untersucht werden, sowie der hochenergetische Teil des Spektrums von Röntgendoppelsternsystemen.
  • Kosmischer Röntgenhintergrund: Ungefähr die Hälfte des kosmischen Röntgenhintergrunds (CXB) im Bereich von 10 - 40 keV soll von Simbol-X aufgelöst werden. Durch Untersuchungen mit ROSAT hat man herausgefunden, dass für den größten Anteil des CXB bei ca. 1 keV leuchtstarke unverdeckte Quasare bei hoher Rotverschiebung (z∼1,5-2) verantwortlich sind, während Beobachtungen von XMM und Chandra zeigten, dass der größte Teil des CXB bis zu Energien von 5-6 keV von relativ leuchtschwachen Quellen bei Entfernungen von ca. z∼1 kommt. Es wäre zudem durchaus denkbar, dass das Aussehen des Himmels im Röntgenbereich für Energien über 10 keV von den Vorhersagen und Erwartungen abweicht. Man weiß bisher wenig über den CXB bei diesen Energien und die Herkunft des Peaks im Spektrum bei ca. 30-50 keV ist ungeklärt. Simbol-X könnte durch seine außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit weitere Compton thick sources finden und einen weiteren großen Teil des CXB analysieren. Die Herkunft des CXB könnte uns zudem einen Beitrag bei den Untersuchungen zur Bildung und Entwicklung der Strukturen im Universum liefern.
  • Teilchenbeschleunigung: Simbol-X soll solche Quellen, in denen Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigt werden beobachten. Dazu gehören zum Beispiel Supernova Überreste (SNRs) und ausgedehnte Röntgen-Jets wie in Centaurus A oder Pictor A. Die maximale Energie bei der Beschleunigung von Elektronen kann durch Messung des Synchrotronspektrums der Quelle im harten Röntgenbereich bestimmt werden. Möglicherweise ergeben sich dadurch neue Hinweise auf Mechanismen, welche zu diesem Energie-Limit führen.
  • Nukleosynthese in jungen SNRs: Um die Nukleosynthese besser verstehen zu können, muss man Beobachtungen harter Röntgen- und Gammalinien durchführen, da diese Linien direkt die Masse der synthetisierten Elemente liefern. Durch die hohe Empfindlichkeit von Simbol-X wäre es möglich, die Emissionsregionen zu lokalisieren und die Expansions-Geschwindigkeit zu messen, wodurch sich neue Einblicke in die Dynamik der Explosion ergeben würden.

 

 

Bild: CXB-Spektrum: gemessene und vorhergesagte Beiträge der verschiedenen AGN Populationen. Die Linien zeigen die berechneten Anteile von unverdeckten AGN (rot), verdeckten Compton-thin AGN (blau) und Compton-thick AGN (schwarz). Der gesamte AGN- und Cluster-Beitrag wird in der Kurve in der Farbe magentha gezeigt. (Gilli et al, 2007)

Tübinger Beitrag zu Simbol-X:

  • Monte-Carlo Simulationen zum Detektorhintergrund
  • Aufbau eines Science Verification Models (SVM): In einem gekühlten Vakuum-Laboraufbau sollen beide Detektoren gemeinsam betrieben werden.

 

Nationale und internationale Zusammenarbeit:

Das Projekt entstand aus einer Kooperation der französischen Raumfahrtagentur CNES und der italienischen Raumfahrtagentur ASI. Die deutsche Beteiligung bestand über das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE, Garching), das Halbleiterlabor des Max-Planck-Instituts (MPI-HLL), die TU Darmstadt, die Universität Erlangen-Nürnberg und das IAAT.

Quellen:

  • Ferrando et al., 2005, 2008, Gilli et al., 2007, Della Ceca et al., 2007, Campana, 2007, Comastri et al., 2007, Lehmann et al., 2001, Zhang et al., 2006, Dirks et al., 2006, Meuris et al., 2008, Laurent et al., 2008, Ferrando and Giommi, 2007
  • Images from: CNES (Oliver Sattler), MPI Halbleiter Labor, CEA-Saclay