A todo el mundo le encanta una oferta de dos por uno, incluso a los físicos que buscan abordar preguntas sin respuesta sobre el cosmos. Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía están obteniendo algo así:los detectores de partículas originalmente desarrollados para buscar materia oscura ahora están en condiciones de ser incluidos a bordo del Line Emission Mapper (LEM), un X basado en el espacio. -Misión de sonda de rayos propuesta para la década de 2030.
Uno de los objetivos principales de LEM es mapear las emisiones de rayos X de las galaxias con una precisión sin precedentes en un esfuerzo por comprender mejor la formación de galaxias y la historia del universo.
"Este sería uno de los pocos sistemas de espectroscopia de alta resolución en el espacio", dijo Chris Kenney, científico principal de SLAC. "Desde una perspectiva tecnológica, la espectroscopia de rayos X es de gran interés para SLAC. Y que nuestra tecnología se utilice por encima de la atmósfera es muy emocionante".
Las galaxias y los cúmulos de galaxias son los objetos más grandes del espacio y comprender su evolución ayudará a los físicos a obtener una imagen más clara de la historia del universo. Una forma en que los científicos pueden mapear la evolución de las galaxias es midiendo los rayos X provenientes de estrellas, supernovas y agujeros negros dentro de las galaxias y sus alrededores.
Medir la dirección y la intensidad de esos rayos X revela información sobre la composición de los objetos que los emiten y, a su vez, brinda a los científicos pistas sobre lo que esos objetos han estado haciendo durante las últimas decenas de miles de millones de años.
Lograr esto requiere instrumentos espaciales capaces de resolver las líneas de emisión de rayos X más tenues provenientes del medio circungaláctico, o el halo de gas que rodea a las galaxias, y del medio intergaláctico, o el plasma entre galaxias. La sonda también debe detectar rayos X provenientes del halo de gas de la Vía Láctea, pero de alguna manera filtrar todos los demás rayos cósmicos.
Afortunadamente para el equipo de desarrollo de LEM, los investigadores de SLAC ya han creado la herramienta perfecta para el trabajo:sensores de borde de transición (TES) superconductores diseñados originalmente para detectar materia oscura como parte de la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura (CDMS).
Estos sensores de película delgada nanofabricados son calorímetros precisos que funcionan a temperaturas súper frías. "Tomamos un diseño que usamos para un detector de materia oscura que está optimizado para una resolución de energía realmente buena. Pero es bastante pequeño, por lo que lo extendimos sobre un área mucho más grande para lograr la misma cobertura que el plano focal de rayos X. ", dijo Noah Kurinsky, científico del SLAC.
Kurinsky y sus colegas de SLAC colaboraron con investigadores de la Universidad Northwestern en Illinois para idear el diseño perfecto para los TES reutilizados, que describieron en un artículo reciente publicado en el Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems .
Matt Cherry, ingeniero de SLAC, ha estado fabricando estos sensores en SLAC durante más de una década, pero después de una pausa reciente de dos años en la fabricación de TES, agradeció la oportunidad de construirlos nuevamente. "Gracias al CDMS, tenemos esta tecnología muy bien desarrollada y establecida para construir estos sensores, y ya tenemos el procesamiento", dijo. "Pensé:'Oh, esto es maravilloso, me encantaría volver a hacer esto', y era exactamente lo que necesitaban".
Para LEM, el sensor basado en el diseño de Kurinsky se ubica detrás del detector de rayos X de la sonda y actúa como un detector de fondo, mapeando la energía de los rayos cósmicos que luego se puede restar de los datos de rayos X. "El objetivo era simplemente marcar hacia dónde va el rayo cósmico dentro de una región, pero debido a que la resolución es tan buena, podemos reconstruir la ubicación de los eventos en la escala milimétrica, lo cual es realmente genial", dijo Kurinsky.
Sin un mapeo tan preciso de los rayos cósmicos, los científicos pierden entre el 15% y el 20% de los datos recopilados porque la señal es indistinguible, explicó. Pero el sensor SLAC construido debería evitar la necesidad de eliminar ningún dato.
El equipo SLAC envió algunos sensores recién fabricados al Goddard de la NASA para realizar pruebas a fines de 2023 y, hasta ahora, han superado con creces las expectativas del equipo LEM. "Están emocionados", dijo Kurinsky. "El equipo de LEM nos dio una lista de requisitos que querían que cumpliéramos, pero nuestro sensor ya es mucho mejor que eso".
Es optimista en cuanto a que el éxito de estos sensores y, con suerte, la misión LEM conduzca a nuevas colaboraciones con misiones futuras. "Si podemos demostrar que esto funciona realmente bien, entonces será un campo de crecimiento potencial para nosotros", afirmó Kurinsky. "Cualquier misión que utilice TES para realizar su detección de fotones también podría integrar fácilmente uno de estos".
Además, Kurinsky y sus colegas están explorando cómo se podrían implementar pilas de estos detectores en un futuro experimento de rayos gamma basado en el espacio.
Para Cherry, ayudar a diseñar y fabricar un instrumento con el que está íntimamente familiarizado para un nuevo objetivo científico es increíblemente gratificante. "Esto fue divertido y resultó de gran ayuda para otra persona", dijo. "Eso es algo que SLAC hace un buen trabajo al priorizar. Creamos colaboraciones y realizamos proyectos como este porque es interesante y vale la pena hacerlo".
Más información: Stephen J. Smith et al, Desarrollo del microcalorímetro y detector de anticoincidencia para la sonda de rayos X Line Emission Mapper, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems (2023). DOI:10.1117/1.JATIS.9.4.041005
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
