Pruebas recientes han demostrado que superdelgadas, Los espejos de rayos X livianos hechos de un material comúnmente utilizado para fabricar chips de computadora pueden cumplir con los estrictos requisitos de imágenes de los observatorios de rayos X de próxima generación.

Como resultado, la tecnología de espejo de rayos X que está desarrollando Will Zhang y su equipo en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, ha sido la base para la Misión de Referencia de Diseño del Observatorio de Rayos X Lynx conceptual, una de las cuatro misiones potenciales que los científicos han examinado como actividades dignas en el Estudio Decadal de Astrofísica 2020.

Si se selecciona y finalmente se lanza en la década de 2030, Lynx podría transportar literalmente decenas de miles de segmentos de espejo de Zhang, que ofrecería un salto de dos órdenes de magnitud en la sensibilidad sobre el Observatorio de rayos X Chandra, buque insignia de la NASA, y el Telescopio Avanzado de Astrofísica de Alta Energía de la Agencia Espacial Europea, o Atenea. El propio Chandra ofreció un salto significativo en capacidad cuando se lanzó en 1999. Puede observar fuentes de rayos X:estrellas que explotan, cúmulos de galaxias, y la materia alrededor de los agujeros negros, 100 veces más tenue que la observada por telescopios de rayos X anteriores.

En otro desarrollo, Zhang y su equipo han asegurado una oportunidad de vuelo a corto plazo a bordo de una misión de cohete con sonda programada para 2021. Esto representaría la primera demostración de la tecnología en el espacio.

Esfuerzo de desarrollo de siete años

El esfuerzo por desarrollar la nueva óptica comenzó hace siete años cuando Zhang comenzó a experimentar con monocristalino, un silicio monocristalino que nunca antes se había utilizado para crear espejos de rayos X. Estas ópticas especialmente fabricadas deben estar curvadas y anidadas dentro de un contenedor de forma cilíndrica para que los fotones de rayos X de alta energía rocen sus superficies y se desvíen hacia los instrumentos de un observatorio en lugar de pasar a través de ellos.

Su objetivo, dado el costo de construir observatorios espaciales, que solo aumentan de precio a medida que se hacen más grandes y pesados, fue desarrollar fácilmente reproducibles, ligero, espejos superfinos, sin sacrificar la calidad.

"Lo que hemos hecho se muestra desde una perspectiva científica y empíricamente que estas ópticas se pueden construir" utilizando un económico, material disponible en abundancia que es inmune a las tensiones internas que pueden cambiar la forma de los espejos de rayos X hechos de vidrio, el material de fabricación de espejos más tradicional, Dijo Zhang.

Las revisiones realizadas por un panel de 40 expertos encargado por la NASA consideraron que la óptica de Zhang hecha de lo quebradizo, El material de silicio altamente estable tiene la misma calidad de imagen que los cuatro pares de espejos más grandes y pesados ​​que vuelan sobre Chandra. El panel también consideró otras dos tecnologías, espejos de carcasa completa y ópticas ajustables, como capaces de cumplir con los requisitos del Observatorio Lynx conceptual.

Los espejos de Zhang no solo podían proporcionar una resolución de 0,5 segundos de arco, comparable a la calidad de imagen que ofrece la televisión de ultra alta definición, sino que también cumplían con los requisitos de masa baja de Zhang. Son 50 veces más ligeros y delgados que los de Chandra, Dijo Zhang. Esto significa que los observatorios futuros podrían llevar muchos más espejos, creando un área de recolección más grande para enganchar los rayos X que emanan de fenómenos de alta energía en el universo.

Ahora comienza la parte difícil

Pero Zhang dijo que él y su equipo todavía están "lejos, lejos de volar nuestra óptica ".

Él y su equipo de ingenieros ahora tienen que descubrir cómo unir estos frágiles segmentos de espejo dentro del recipiente. que protege todo el conjunto del espejo durante el lanzamiento de un cohete y mantiene su alineación anidada.

"Tenemos mucho que hacer, y no mucho tiempo para hacerlo, ", Dijo Zhang." Esto es ahora un desafío de ingeniería ".

El tiempo es la esencia, añadió. Solo dos años a partir de ahora El equipo de Zhang debe entregar un ensamblaje de espejo de 288 segmentos a Randall McEntaffer, un profesor de la Universidad Estatal de Pensilvania en State College que está desarrollando una misión de cohete sonora llamada Experimento de cohete de rejilla fuera del avión, o OGRE, se espera que se lance desde Wallops Flight Facility en 2021. Además de los espejos, OGRE llevará un espectrógrafo desarrollado por la universidad equipado con rejillas de difracción de rayos X de próxima generación que se utilizan para dividir la luz de rayos X en los colores o longitudes de onda de sus componentes para revelar la temperatura de un objeto. Maquillaje químico, y otras propiedades físicas.

OGRE hará mucho para hacer avanzar el ensamblaje del espejo, Añadió Zhang. La misión ayudará a determinar si el diseño del equipo puede proteger el frágil nido de espejos de las fuerzas de lanzamiento extremas experimentadas durante el despegue y el ascenso a través de la atmósfera terrestre.

Otras oportunidades disponibles

Zhang prevé un futuro brillante para la óptica del equipo. Incluso si Lynx no es elegido para el desarrollo por la Encuesta Decadal 2020, otras misiones propuestas podrían beneficiarse, Dijo Zhang. Estos incluyen un par de observatorios de rayos X que ahora se están investigando como posibles misiones astrofísicas de clase Probe y otro que los japoneses están considerando.

"Hace cinco años, la gente decía que no se podía hacer pero probamos nuestras ideas, ", Dijo Zhang." Mi equipo está agradecido al programa de Investigación y Desarrollo Interno de Goddard por darnos el capital inicial. No podríamos haber logrado esto sin él.