Höchstauflösende Abbildung in der Röntgen-Astronomie

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Analyse
einer neuartigen abbildenden Optik mit dem Ziel, das räumliche
Auflösungsvermögen im Röntgenband zwischen 1 keV und 20 keV auf
wenigstens 1 mas zu verbessern. Aufgrund ihrer hohen Toleranz
gegenüber Fertigungsfehlern besitzen transmissive Linsen das
prinzipielle Potential zur beugungsbegrenzten Abbildung. Je nach
Ausführung dürfen Abweichungen von mehreren 100 – 1000 nm gegenüber
der idealen Formgebung auftreten. Im Gegensatz zur
absorptionsbehafteten, massiven Version weist die diffraktive,
profiloptimierte Fresnel-Linse auch in höheren Ordnungen eine
Beugungseffizienz zwischen 40% und 100% auf. Der Kontamination der
Bildebene durch Streustrahlung benachbarter Ordnungen ist ggf.
durch eine ausreichende Zentralobstruktion zu begegnen, deren
Radius dem doppelten Detektor-Halbmesser entspricht.
Strahlenoptische Berechnungen weisen diffraktive Linsen als
vergleichsweise tolerant gegenüber Aberrationen sphärischen wie
winkelabhängigen Ursprungs aus. Typische Öffnungsverhältnisse f von
(10^4 – 10^5) erlauben Verkippungen von bis zu 1°. Die Lichtstärke,
definiert als Produkt von effektiver Sammelfläche und Bandpass,
skaliert für Fresnel-Linsen ausschließlich linear mit der
Brennweite, bleibt allerdings selbst für Fokaldistanzen von wenigen
100 km auf wenige cm^2 keV beschränkt. Mit der segmentierten
Apertur lässt sich jedoch die Lichtstärke erhöhen, ohne das Prinzip
der beugungsbegrenzten Abbildung und den klassischen Einzelfokus
aufzugeben. Bei einer Ortsauflösung von 1 mm erreichen derlei
inkohärent operierende Objektive eine Lichtstärke von über 1000
cm^2 keV. Unter Einsatz eines dem diffraktiven Bandpass adäquaten
Kristallspektrographen bedarf es dazu tendenziell großer Radien von
rund 10 m und typischer Brennweiten im Bereich einiger 100 km.
Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit mutmaßlich erstmals
Multiband-Objektive zur wissenschaftlich vorteilhaften
Simultanfokussierung von bis zu drei Energiebändern implementiert.
Bestehend aus Partial-Linsen unterschiedlicher Gitterfrequenz,
erweisen sie sich der Monoband-Ausführung als bzgl. Auflösung,
Brennweite und Lichtstärke prinzipiell ebenbürtig. Die
Dispersionskorrektur mittels eines additiven refraktiven
Linsenprofils erweitert den spektralen Bandpass auf dem Detektor
direkt zugängliche 100 eV oder mehr. Mit der Absorption geht eine
reduzierte Sammelfläche für kompakte Hybridlinsen einher. Trotzdem
resultiert unter Beibehalt der Winkelauflösung für Materialien wie
Li oder Be jenseits weniger keV eine gegenüber dem diffraktiven
Analogon verbesserte Lichtstärke. Optimiert bzgl. Material und
Energie, steigern derartige Achromaten die Nachweisempfindlichkeit
um das bis zu 40-fache – entsprechend einer Lichtstärke von rund
100 cm^2 keV bei Brennweiten von 100 km oder mehr. Wiederum
segmentiert, wirkt sich die Absorption vergleichsweise geringfügig
auf die Winkelauflösung aus, die Sensitivität des
dispersionskorrigierten Objektivs steigt gegenüber der diffraktiven
Version unter sonst gleichen Bedingungen jetzt um bis zu zwei
Größenordnungen. Bei gegebener Ortsauflösung von 0.75 mm ergeben
sich für Li oberhalb von 6 keV und Be jenseits von 8 keV optimierte
Lichtstärken zwischen 10^3 und 10^4 cm^2 keV, vergleichbar jenen
der gegenwärtig aktiven Observatorien Chandra und XMM-Newton. Die
Winkelschärfe skaliert invers mit der Fokaldistanz, für höchstens 1
mas ergeben sich Brennweiten von rund 100 – 1000 km. Plankonvexe
Profile werden den zumeist kleinen Krümmungsradien der refraktiven
Komponente hinsichtlich ihrer Aberrationen dritten Grades im
allgemeinen nicht gerecht. Hingegen reduziert das aplanatische,
nahezu bikonvexe Profil sowohl sphärische als auch winkelabhängige
Bildfehler auf ihre diffraktiven Beiträge und legt daher im
segmentierten Hybrid-Achromaten die Konstruktion symmetrischer,
prismen-ähnlicher Bausteine nahe. Die mit der kohärenten
Profilreduktion einhergehende Interferenz erfordert den Einsatz
abbildender Spektrographen mit einer Auflösung nahe 1 eV. Vor allem
optisch schwache Materialien wie z.B. Polycarbonat (C16H14O3)
profitieren von der erhöhten Transparenz bei konstanter Orts- und
Winkelauflösung; im Energieintervall zwischen 9 keV und 12 keV
optimierte Beispielkonfigurationen liefern eine Lichtstärke von
wenigstens rund 1000 cm^2 keV. Modelle aus Li und Be erreichen
oberhalb von 4 keV bzw. 7 keV eine ähnliche Leistungsfähigkeit.
Multiband-Hybridsysteme gestatten anders als diffraktiv simultan
fokussierende Objektive die Detektion mittels konventioneller CCD.
Die aus Li und Be bestehenden Konfigurationen bilden jeweils zwei
Energiebänder gleichzeitig ab und erweisen sich bei einer
Ortsauflösung im Sub-mm-Bereich sowie Brennweiten von wenigen 100
km als eine hinsichtlich ihrer Gesamt-Lichtstärke konkurrenzfähige
Alternative zum Monoband-Teleskop: Man erhält im Idealfall 4000
cm^2 keV bis 7000 cm2 keV. Dialytische Modell-Teleskope, deren
refraktive Komponente von der diffraktiven räumlich separiert ist,
bieten zum einen die Option einer über mehrere keV durchstimmbaren,
dispersionskorrigierten Optik. Unter Variation des Linsenabstandes
ergibt sich ein nutzbares Energieintervall zwischen 6 keV und 14
keV. Die Lichtstärke nimmt dabei von 1000 cm^2 keV in zweiter bis
auf 4000 cm^2 keV in dritter Dispersionsordnung zu. Kompakte
Dialyten mit Durchmessern von 1 m besitzen das Potential zu einer
Winkelauflösung von wenigen 10 Mikrobogensekunden sowie einer
Lichtstärke von mehreren 1000 cm^2 keV. Der spektrale Bandpass
solcher Modelle beträgt rund 1 keV oder mehr. Abschätzungen zum
Signal-Rausch-Verhältnis zeigen, dass bei ausreichender Abschirmung
des Detektors und moderatem Quellfluss mit einer signal- oder
photonenlimitierten Beobachtungssituation zu rechnen ist. Dies gilt
angesichts des diskreten Röntgen-Hintergrundes weitgehend auch
dann, wenn mehrere Teleskope parallel geschaltet werden. Ergänzende
Betrachtungen zu potentiellen astronomischen Beobachtungsobjekten
zeigen, dass Koronae benachbarter Sterne, Jets von
Röntgen-Doppelsternen und aktiven Galaxienkernen,
Supernova-Überreste bzgl. ihrer Ausdehnung einer Auflösung von 1
mas genügen. Von großem Interesse dürften im Hinblick auf künftige
Gravitationswellen-Experimente ferner Betrachtungen
verschmelzender, supermassiver Schwarzer Löcher sein.