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누스타

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1. 개요

누스타(NuSTAR)는 고에너지 X선을 감지하는 우주 망원경으로, 미국 항공우주국(NASA)의 소형 탐사선 임무로 개발되었다. 2003년 NASA에 제안되었으나 예산 삭감으로 취소되었다가 2012년 6월 발사되었다. 캘리포니아 공과대학교의 피오나 A. 해리슨이 주요 연구 책임자이며, 다양한 대학 및 연구소, 산업체 등이 개발에 참여했다. NuSTAR는 X선 집속을 위해 작은 입사각의 광학계를 사용하며, 카드뮴 아연 텔루라이드 검출기를 통해 X선을 감지한다. 발사 이후 초대질량 블랙홀의 회전 속도 측정, 초신성 잔해 연구, 가려진 블랙홀 탐색, 활동은하핵 연구 등 다양한 천체물리학 연구에 기여하고 있다.

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누스타
기본 정보
NuSTAR (Explorer 93) 위성 모형
NuSTAR (Explorer 93) 위성
이름Explorer 93
핵 분광 망원경 배열
SMEX-11
임무 유형엑스선 천문 위성
운영 기관NASA/JPL
COSPAR ID2012-031A
SATCAT38358
웹사이트http://www.nustar.caltech.edu/
임무 기간2년 (계획)
2012년 6월 13일 16:00:37 이후 진행 중
우주선 정보
우주선Explorer XCIII
우주선 유형핵 분광 망원경 배열
우주선 버스LEOStar-2
제조업체Orbital Sciences Corporation
ATK Space Components
발사 질량350kg
탑재 질량171kg
크기1.2 x 10.9m
전력750 와트
발사 정보
발사 날짜2012년 6월 13일, 16:00:37 UTC
발사 로켓Pegasus XL (F41)
발사 장소Kwajalein Atoll, Stargazer
발사 계약자Orbital Sciences Corporation
궤도 정보
궤도 기준지구 중심 궤도
궤도 유형저궤도
궤도 근지점596.6km
궤도 원지점612.6km
궤도 경사6.027°
궤도 주기96.8분
궤도gee
망원경 정보
망원경 유형Wolter type I
망원경 초점 거리10.15m
망원경 면적9 keV: 847 cm2
78 keV: 60 cm2
망원경 파장3–79 keV
망원경 해상도9.5 arcseconds
장비이중 엑스선 망원경
프로그램 정보
프로그램Explorer 프로그램
이전 임무IBEX (Explorer 92)
다음 임무IRIS (Explorer 94)

2. 역사

NuSTAR의 주요 연구책임자는 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 피오나 A. 해리슨이었다. 제트추진연구소(JPL), 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스, 덴마크 기술대학교(DTU), 컬럼비아 대학교, 고다드 우주비행센터(GSFC), 스탠퍼드 대학교, 캘리포니아 대학교 산타크루즈캠퍼스, 소노마 주립대학교, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 이탈리아 우주국(ASI) 등 여러 기관이 개발에 참여했다. 오비탈 사이언스 코퍼레이션과 ATK 스페이스 컴포넌트는 NuSTAR의 주요 산업 파트너였다.

2. 1. 개발 초기

누스타(NuSTAR)의 전신은 고에너지 집중 망원경(HEFT)으로, 비슷한 기술을 사용한 망원경과 검출기를 탑재한 기구탑재형(balloon-borne) 버전이었다. 2003년 2월, 미국항공우주국(NASA)은 탐사 프로그램 기회 공고(AoO)를 발표했다.[5] 2003년 5월, NuSTAR는 10번째와 11번째 소형 탐사선 임무를 놓고 경쟁하는 36개의 임무 제안 중 하나로 NASA에 제출되었다.[41] 2003년 11월, NASA는 NuSTAR와 다른 4개의 제안을 5개월간의 구현 타당성 조사 대상으로 선정했다.

2005년 1월, NASA는 1년간의 타당성 조사를 거쳐 NuSTAR의 비행을 승인했다.[8] [42] 그러나 2006년 2월, NASA의 2007년 예산에서 과학 분야 예산이 삭감됨에 따라 프로그램이 취소되었다. 2007년 9월 21일, 2011년 8월 발사를 목표로 프로그램이 재개되었으나, 이후 발사 시기는 2012년 6월로 연기되었다.[6][9][10][11] [40][43][44][45]

2. 2. 개발 및 발사

NuSTAR의 전신은 고에너지 집중 망원경(HEFT)으로, 비슷한 기술을 사용한 망원경과 검출기를 기구에 탑재한 형태였다. 2003년 2월, NASA는 탐사 프로그램 기회 공고(AoO)를 발표했고, NuSTAR는 2003년 5월에 10번째와 11번째 소형 탐사선 임무를 위한 36개의 제안 중 하나로 제출되었다.[5] 2003년 11월, NASA는 NuSTAR를 포함한 5개의 제안을 5개월간의 구현 타당성 조사 대상으로 선정했다.

2005년 1월, NASA는 1년간의 타당성 조사를 거쳐 NuSTAR의 비행을 승인했다.[8] 그러나 2006년 2월, NASA의 과학 분야 예산 삭감으로 인해 프로그램이 취소되었다. 2007년 9월 21일, 프로그램이 재개되었으며, 2011년 8월 발사를 목표로 했으나, 이후 2012년 6월로 연기되었다.[6][9][10][11]

주요 연구책임자는 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 피오나 A. 해리슨이다. 주요 파트너로는 제트추진연구소(JPL), 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스, 덴마크 기술대학교(DTU), 컬럼비아 대학교, 고다드 우주비행센터(GSFC), 스탠퍼드 대학교, 캘리포니아 대학교 산타크루즈캠퍼스, 소노마 주립대학교, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 이탈리아 우주국(ASI)이 있다. NuSTAR의 주요 산업 파트너는 오비탈 사이언스 코퍼레이션과 ATK 스페이스 컴포넌트이다.

3. 발사

누스타(NuSTAR, 질량 350kg)는 당초 2012년 3월 21일에 발사될 예정이었으나, 발사체 비행 컴퓨터에 사용되는 비행 소프트웨어 검토를 위해 여러 차례 연기되었다.[13][14] 연기된 발사 예정일은 2011년 8월 15일, 2012년 2월 3일, 2012년 3월 16일, 그리고 2012년 3월 14일이었다.[13]

3. 1. 발사체 및 발사 장소

NASA는 오비탈 사이언스 코퍼레이션과 계약을 맺고 페가수스 XL 발사체를 이용하여 누스타를 발사했다.[6] 발사는 2012년 6월 13일 16시 00분 37초(UTC)에 콰잘레인 환초 남쪽 약 약 188.29km 지점에서 성공적으로 이루어졌다.[3][15] 페가수스 발사체는 L-1011 '스타게이저' 항공기에서 투하되었다.[12][16]

3. 2. 발사 과정

NASA는 오비탈 사이언스 코퍼레이션과 계약을 맺고, 페가수스 XL 발사체를 이용하여 누스타(NuSTAR)를 발사했다.[6][12] 발사는 2012년 6월 13일 16시 00분 37초(UTC)에 크와잘레인 환초 남쪽 약 약 188.29km 지점에서 성공적으로 이루어졌다.[3][15] 페가수스 발사체는 L-1011 '스타게이저' 항공기에서 투하되는 방식으로 발사되었다.[12][16]

당초 발사 예정일은 2012년 3월 21일이었으나, 발사체 비행 컴퓨터에 사용되는 비행 소프트웨어를 검토하기 위한 시간을 확보하고자 여러 차례 연기되었다.[13][14]

발사 후, 2012년 6월 22일에 10m 마스트가 완전히 전개되었음이 확인되었다.[17]

4. 구조 및 기술

NuSTAR 마스트 지상 배치; 인서트는 구조물을 따라 내려다보고 있음


누스타(NuSTAR)는 가시광선 망원경과는 달리, X선을 집속하기 위해 특별한 기술을 사용한다.

누스타는 133개씩의 동심원 껍질로 구성된 두 개의 비축면 반사경(斜入射焦点光学機器)을 탑재하며, Pt/SiC와 W/Si 다층 코팅을 적용하여 반사율을 79 keV까지 향상시켰다.[52][53]

반사경은 고다드 우주센터(Goddard Space Flight Center)에서 제작되었다. 유연한 유리 시트를 오븐에서 가열하여 정밀하게 연마된 원통형 수정 심봉에 고정하고, 덴마크 기술대학교(Technical University of Denmark) 연구팀이 코팅 작업을 수행했다. 이후, 컬럼비아 대학교 네비스 연구소(Nevis Laboratories, Columbia University)에서 흑연 스페이서를 사용하여 에폭시 수지로 유리를 고정해 껍질을 원추형으로 조립했다. 총 4680개의 거울이 사용되었으며, 각 거울마다 5개의 스페이서가 사용되었다. 에폭시 수지 경화에는 24시간이 소요되어, 하나의 껍질 조립에 하루, 반사경 조립에는 4개월이 걸렸다.

거울의 예상 점확산함수(点広がり関数)는 43 각분이며, 초점면상 크기는 2mm이다. 이는 찬드라 X선 관측선의 장파장 해상도보다 2배 낮지만, 경X선(硬X線)으로는 전례 없는 우수한 해상도이다.

반사경 초점 거리는 10.15m로, 긴 마스트 끝에 장착되었다. 레이저 거리 측정 장치로 반사경과 초점면의 상대 위치를 항상 정확하게 유지하여, 노출 중 위치 관계가 어긋나더라도 검출된 각 광자를 하늘의 정확한 위치에 매핑할 수 있다.

4. 1. 광학계

NuSTAR는 X선을 집속하기 위해 입사각이 작은 광학계를 사용한다. 초점 거리 10.15m의 두 개의 원뿔 근사 볼터 망원경 설계 광학계가 긴 전개식 마스트 끝에 장착된다. 레이저 측정 시스템을 사용하여 광학계와 초점면의 정확한 상대 위치를 항상 측정하므로, 노출 중에 광학계와 초점면이 서로 상대적으로 움직이더라도 감지된 각 광자를 하늘의 올바른 지점에 매핑할 수 있다.[18][19]

각 집속 광학계는 133개의 동심 원통형 껍질로 구성된다. NuSTAR를 가능하게 한 특별한 혁신 중 하나는 이러한 껍질이 깊이 기울기 다층 코팅(고밀도 및 저밀도 재료의 원자적으로 얇은 층이 번갈아 가며 배열됨)으로 코팅되어 있다는 것이다. NuSTAR가 선택한 Pt/SiC 및 W/Si 다층 코팅을 사용하면 최대 79 keV(백금 K-전자 준위)까지 반사율을 얻을 수 있다.

광학계는 고다드 우주 비행 센터에서 얇은(210µm) 유연한 유리 시트를 오븐에서 가열하여 적절한 반지름의 정밀 연마된 원통형 석영 금형 위로 처짐으로써 제작되었다. 코팅은 덴마크 기술 대학교의 연구팀에 의해 적용되었다.

그런 다음, 콜럼비아 대학교의 네비스 연구소에서 유리를 원뿔 모양으로 제한하도록 가공된 흑연 스페이서를 사용하여 껍질을 조립하고 에폭시로 고정했다. 총 4680개의 반사경 세그먼트가 있다(내부 65개의 껍질은 각각 6개의 세그먼트로, 외부 65개의 껍질은 12개의 세그먼트로 구성되며, 각 껍질에는 상부 및 하부 세그먼트가 있고 망원경이 두 개 있음). 세그먼트당 5개의 스페이서가 있다. 에폭시가 경화되는 데 24시간이 걸리므로 하루에 하나의 껍질을 조립하며, 하나의 광학계를 만드는 데 4개월이 걸렸다.

실제 망원경은 FPMA와 FPMB로 표시된 두 개의 별도의 초점면 모듈(FPM)로 구성된다. 이 두 FPM은 유사하게 제작되었지만 동일하지는 않다. 광원과 관측에 따라 일반적으로 한 모듈이 더 높은 계수를 보고한다. 이는 과학 결과 단계에서 일반적으로 스펙트럼 피팅 및 광곡선 분석 중에 상수 승수를 적용하여 보정한다.[20]

비행 반사경의 예상 점확산 함수는 43 각분이며, 초점면에서 약 2밀리미터의 반점 크기를 제공한다. 이것은 집속 경질 X선 광학계에 대해 전례 없는 좋은 해상도이지만, 찬드라 X선 관측선이 더 긴 파장에서 달성한 최고 해상도보다 약 100배 떨어진다.

4. 2. 검출기

각 초점 조절 광학계는 카드뮴 아연 텔루라이드(CdZnTe) 픽셀 검출기[21]를 중심으로 요오드화 세슘(caesium iodide)(CsI) 반입사 방지막(Electronic anticoincidence)으로 둘러싸인 초점면 모듈을 가지고 있다. 하나의 검출기 장치(초점면)는 [http://www.evproducts.com eV Products]사에서 제조한 4개(2x2)의 검출기로 구성된다. 각 검출기는 20mm 크기의 직사각형 결정이며 두께는 약 2mm이고, 0.6mm 픽셀(각 픽셀은 12.3 아크초를 차지함)로 그리드 처리되어 있으며, 각 초점면 모듈에 대해 총 12 아크분의 시야(field of view)를 제공한다.

카드뮴 아연 텔루라이드(CdZnTe) 검출기는 최첨단(state of the art) 상온 반도체이며, 고에너지 광원(High Energy Photon Source)을 전자로 매우 효율적으로 변환한다. 전자는 NuSTAR 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology)(CalTech) 초점면 팀이 설계한 맞춤형 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit)(ASIC)를 사용하여 디지털로 기록된다. 각 픽셀은 독립적인 판별기를 가지며, 개별 X선 상호작용이 판독 과정을 트리거한다. 각 망원경에 하나씩 있는 온보드 프로세서는 가장 큰 펄스 높이를 가진 행과 열을 식별하고 이 픽셀과 그 이웃 8개의 펄스 높이 정보를 판독한다. 이벤트 시간은 온보드 시계를 기준으로 2μs의 정확도로 기록된다. 이벤트 위치, 에너지 및 검출기 내 상호 작용 깊이는 9개 픽셀 신호로 계산된다.[22][23]

초점면은 검출기 하우징을 둘러싸는 요오드화 세슘(Caesium iodide)(CsI) 결정으로 차폐된다. 생고뱅(Saint-Gobain)에서 성장시킨 결정 차폐체는 NuSTAR 광축을 따라서가 아닌 다른 방향에서 초점면을 통과하는 고에너지 광자와 우주선을 기록한다. 이러한 이벤트는 NuSTAR의 주요 배경이며, 우주 광원에서 나오는 고에너지 광자를 식별하기 위해 적절히 식별하고 빼야 한다. NuSTAR 능동 차폐는 활성 차폐 이벤트와 동시에 발생하는 CZT 검출기 이벤트를 무시하도록 한다.

5. 주요 과학적 성과

누스타(NuSTAR)는 발사 이후 다양한 천체물리학 연구 분야에서 많은 새로운 발견을 이끌어내며 그 다재다능함을 입증했다. 주요 과학적 성과는 다음과 같다.


  • 초대질량 블랙홀 회전 속도 측정: NGC 1365 은하 중심 블랙홀의 회전 속도를 측정했다.
  • 초신성 잔해 연구: 카시오페이아 A의 티타늄-44 분포를 통해 비대칭 폭발을 확인했다.
  • 가려진 블랙홀 탐색: NGC 1448과 IC 3639 중심부에서 초대질량 블랙홀을 발견했다.
  • 활동은하핵(AGN) 연구: IRAS 13224-3809 주변 항성풍의 온도 변화를 관측했다.
  • 블랙홀 뒤에서 반사된 빛 관측: 세이퍼트 1 은하 I Zwicky 1 내부의 초대질량 블랙홀 뒤에서 방출된 X선을 검출했다.
  • 초고광도 X선원(ULX) 연구: M82 X-2가 에딩턴 한계를 넘는 방사선 방출을 확인했다.


안드로메다

5. 1. 초대질량 블랙홀 회전 속도 측정

2013년 2월, 미국항공우주국(NASA)은 누스타(NuSTAR)가 XMM-뉴턴 우주 망원경과 함께 NGC 1365 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀의 회전 속도를 측정했다고 발표했다.[24] 블랙홀 코로나에서 방출되는 X선의 주파수 변화를 측정함으로써, 누스타는 코로나의 물질이 사건 지평선에 더 가까이 끌려들어가는 것을 관측할 수 있었다. 이로 인해 블랙홀의 강착 원반 내부가 X선으로 밝게 빛나게 되어, 천문학자들이 회전 속도를 연구할 수 있게 되었다.[24]


5. 2. 초신성 잔해 연구

NuSTAR의 주요 목표 중 하나는 초신성 잔해에서 방사성 물질을 매핑하여 별의 폭발을 특성화하는 것이다. NuSTAR가 촬영한 카시오페이아 A 지도는 티타늄-44 동위원소가 잔해 중심부의 덩어리에 집중되어 있음을 보여주며, 별이 폭발한 수수께끼에 대한 가능한 해결책을 제시한다. 연구원들이 컴퓨터로 초신성 폭발을 시뮬레이션할 때, 거대한 별이 죽어가며 붕괴하면서 주요 충격파가 종종 정체되고 별이 산산이 조각나지 못하는 경우가 있다. 최근 연구 결과는 폭발하는 별이 문자 그대로 흔들리면서 정체된 충격파에 다시 에너지를 공급하여 결국 별이 외층을 폭발적으로 날려 버릴 수 있었음을 강력하게 시사한다.[26]

2014년 2월, 이화학연구소와 NASA는 NuSTAR의 고에너지 X선 집광 망원경을 사용하여 초신성 카시오페이아 A가 비대칭적으로 폭발했음을 확인했다. 초신성 폭발이 기존 이론의 "구면 대칭" 또는 "축 대칭" 폭발이 아니라 비대칭적인 폭발이었음을 알게 되었다.[55][56]

5. 3. 가려진 블랙홀 탐색

더럼 대학교사우샘프턴 대학교 연구원들은 2017년 1월 NuSTAR 자료를 활용하여 인근 은하인 NGC 1448과 IC 3639 중심부에서 초대질량 블랙홀을 발견했다고 발표했다.[27][28][29]

5. 4. 활동은하핵 (AGN) 연구

XMM-뉴턴과 누스타는 AGN IRAS 13224-3809 주변의 항성풍 온도 변화를 관측했는데, 강착원반 바람에서 나오는 X선 스펙트럼의 흡수선이 주기적으로 사라지는 것을 감지하여 상대론적 바람이 강착원반을 떠나는 가열 및 냉각 주기를 관측했다.[30][31]

5. 5. 블랙홀 뒤에서 반사된 빛 관측

블랙홀 표현은 강착 원반의 양쪽을 보여준다. 블랙홀 사건 지평선 위아래의 가스는 블랙홀 뒤쪽에서 오고, 앞쪽으로 흐르는 가스는 관측자 쪽에서 온다.


누스타(NuSTAR)와 XMM-뉴턴세이퍼트 1 은하 I Zwicky 1 내부의 초대질량 블랙홀 뒤에서 방출된 X선을 감지했다. 블랙홀 코로나에서 방출되는 빛의 섬광을 연구하던 중, 연구원들은 감지된 일부 빛이 나머지보다 늦게 검출기에 도착했고, 이에 따라 주파수 변화가 발생하는 것을 알아냈다. 이 연구를 이끈 스탠퍼드 대학교 과학자팀은 이러한 변화가 블랙홀 반대편의 강착 원반에서 반사된 섬광의 복사에 직접적으로 기인한다고 결론지었다. 이 반사된 빛의 경로는 높은 시공간 곡률에 의해 휘어져 초기 섬광 이후에 검출기에 도달했다.[32][33]

5. 6. 초고광도 X선원 (ULX) 연구

중성자별을 둘러싼 강착원반. 원반 물질이 별 표면으로 떨어지면 X선을 방출하여 관측되는 광도에 기여하며, 이 광도가 별의 질량으로부터 예측되는 에딩턴 한계 값보다 클 때 초고광도 X선원(ULX)으로 알려져 있다.


2023년 4월 6일, NuSTAR 팀은 중성자별 M82 X-2가 에딩턴 한계를 초과하는 방사선을 방출하여 초고광도 X선원(ULX)으로 분류됨을 확인했다.[34][35]

참조

[1] 웹사이트 Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) http://www.jpl.nasa.[...] 2012-06-16
[2] 웹사이트 NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) https://directory.eo[...] European Space Agency 2015-07-02
[3] 웹사이트 Mission Status Center http://www.spaceflig[...] Spaceflight Now 2012-06-13
[4] 웹사이트 About https://www.nustar.c[...] Caltech 2017-10-15
[5] 웹사이트 Launch of NASA's NuSTAR Mission Postponed https://web.archive.[...] NASA 2012-03-16
[6] 보도자료 NASA Selects Explorer Mission Proposals for Feasibility Studies (03-353) https://web.archive.[...] 2012-03-17
[7] 뉴스 Black hole bends light, space, time – and NASA's NuSTAR can see it all unfold https://www.cnn.com/[...] CNN 2014-08-13
[8] 웹사이트 NASA Selects Small Explorer Mission (05-026) http://www.nasa.gov/[...] NASA 2005-01-26
[9] 웹사이트 NASA Restarts Telescope Mission to Detect Black Holes (07-198) https://web.archive.[...] NASA 2007-09-21
[10] 웹사이트 NASA Restarts Telescope Mission to Detect Black Holes https://web.archive.[...] NASA (JPL) 2007-09-21
[11] 뉴스 NASA Plans Black Hole Finder http://www.space.com[...] Space.com 2007-09-21
[12] 웹사이트 NuSTAR http://www.nasa.gov/[...] NASA 2015-02-18
[13] 웹사이트 NASA Approves X-ray Space Mission https://web.archive.[...] NASA (JPL) 2009-09-04
[14] 웹사이트 Launch of NASA's NuSTAR Mission Postponed https://web.archive.[...] NASA 2012-03-16
[15] 웹사이트 NASA Selects Orbital's Pegasus Rocket to Launch NuSTAR Space Science Satellite http://www.orbital.c[...] Orbital 2009-02-18
[16] 뉴스 NASA blasts NuSTAR telescope into orbit to hunt black holes https://web.archive.[...] NBC News 2012-06-13
[17] 뉴스 NuSTAR Successfully Deploys Huge Mast http://www.universet[...] Universe Today 2012-06-22
[18] 웹사이트 NuSTAR optics https://web.archive.[...]
[19] 논문 The Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR): optics overview and current status https://web.archive.[...] SPIE 2010-07-29
[20] 웹사이트 NuSTAR DATA ANALYSIS – Quickstart Guide https://heasarc.gsfc[...] NuSTAR Science Operations Center, California Institute of Technology
[21] 서적 Semiconductor radiation detection systems CRC Press 2010-05-21
[22] 논문 Development of focal plane detectors for the Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) mission https://authors.libr[...] 2009
[23] 논문 Spectral calibration and modeling of the NuSTAR CdZnTe pixel detectors 2011
[24] 뉴스 NASA's NuSTAR Helps Solve Riddle of Black Hole Spin https://web.archive.[...] NASA 2013-02-27
[25] 뉴스 NASA's NuSTAR Sees Rare Blurring of Black Hole Light http://www.jpl.nasa.[...] NASA (JPL) 2014-08-12
[26] 뉴스 NASA's NuSTAR Untangles Mystery of How Stars Explode http://www.jpl.nasa.[...] JPL 2014-02-19
[27] 웹사이트 Black Holes Hide in Our Cosmic Backyard https://www.nasa.gov[...] NASA 2017-01-07
[28] 논문 A New Compton-thick AGN in our Cosmic Backyard: Unveiling the Buried Nucleus in NGC 1448 with NuSTAR 2017-01
[29] 논문 IC 3639—a New Bona Fide Compton-Thick AGN Unveiled by NuSTAR 2016-12
[30] 논문 The response of relativistic outflowing gas to the inner accretion disk of a black hole http://dx.doi.org/10[...] 2017-03-02
[31] 웹사이트 Temperature Swings of Black Hole Winds Measured for First Time https://nustar.calte[...] 2023-04-24
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