Nyligen genomförda tester har visat att supertunna, lätta röntgenspeglar gjorda av ett material som vanligtvis används för att tillverka datorchips kan uppfylla de stränga avbildningskraven för nästa generations röntgenobservatorier.

Som ett resultat, röntgenspegeltekniken som utvecklas av Will Zhang och hans team vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har baserats för designreferensuppdraget för det konceptuella Lynx X-ray Observatory – ett av fyra potentiella uppdrag som forskare har bedömt som värdiga sysselsättningar under 2020 års Decadal Survey for Astrophysics.

Om det väljs ut och slutligen lanseras på 2030-talet, Lynx kunde bokstavligen bära tiotusentals av Zhangs spegelsegment, som skulle erbjuda ett steg i två storleksordningar i känslighet över NASA:s flaggskepp Chandra X-ray Observatory och European Space Agencys Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, eller Athena. Chandra själv erbjöd ett betydande språng i förmåga när den lanserades 1999. Den kan observera röntgenkällor – exploderade stjärnor, hopar av galaxer, och materia runt svarta hål — 100 gånger svagare än de som observerats av tidigare röntgenteleskop.

I en annan utveckling, Zhang och hans team har säkrat en flygmöjlighet på kortare sikt ombord på ett sondraketuppdrag planerat till 2021. Detta skulle representera teknikens första demonstration i rymden.

Sjuårig utvecklingssatsning

Arbetet med att utveckla den nya optiken började för sju år sedan när Zhang började experimentera med monokristallint - ett enkristallint kisel som aldrig tidigare hade använts för att skapa röntgenspeglar. Denna specialtillverkade optik måste vara krökt och kapslad inuti en cylindriskt formad behållare så att högenergiska röntgenfotoner betar deras ytor och böjer sig in i ett observatoriums instrument istället för att passera genom dem.

Hans mål – med tanke på kostnaden för att bygga rymdobservatorier, som bara ökar i pris när de blir större och tyngre – skulle utvecklas lätt reproducerbara, lättvikt, supertunna speglar, utan att ge avkall på kvaliteten.

"Vad vi har gjort visas ur ett vetenskapligt perspektiv och empiriskt att denna optik kan byggas" med hjälp av en billig, rikligt tillgängligt material som är immunt mot inre påfrestningar som kan ändra formen på röntgenspeglar gjorda av glas, det mer traditionella spegeltillverkningsmaterialet, sa Zhang.

Granskningar utförda av en NASA-beställd panel med 40 experter ansåg att Zhangs optik gjord av det spröda, mycket stabila kiselmaterial klarar av samma bildkvalitet som de fyra paren av större och tyngre speglar som flyger på Chandra. Panelen ansåg också att två andra teknologier – speglar i full skal och justerbar optik – kunde uppfylla kraven i det konceptuella Lynx-observatoriet.

Zhangs speglar kunde inte bara ge en upplösning på 0,5 bågesekunder – jämförbar med bildkvaliteten från ultrahögupplöst TV – de uppfyllde också Zhangs krav på låg massa. De är 50 gånger lättare och tunnare än Chandras, sa Zhang. Detta innebär att framtida observatorier kan bära mycket fler speglar, skapa ett större insamlingsområde för att fånga röntgenstrålar från högenergifenomen i universum.

Nu börjar den svåra delen

Men Zhang sa att han och hans team fortfarande är "långt, långt borta från att flyga vår optik."

Han och hans ingenjörsteam måste nu ta reda på hur man binder ihop dessa ömtåliga spegelsegment inuti kapseln, som skyddar hela spegelaggregatet under en raketuppskjutning och bibehåller deras inkapslade inriktning.

"Vi har mycket att göra, och inte mycket tid att göra det, ", sa Zhang. "Detta är nu en ingenjörsutmaning."

Tiden är högst betydelsefull, han lade till. Om bara två år, Zhangs team måste leverera en spegelenhet med 288 segment till Randall McEntaffer, en professor vid Pennsylvania State University i State College som utvecklar ett sondraketuppdrag som kallas Off-plane Grating Rocket Experiment, eller OGRE, förväntas lanseras från Wallops Flight Facility 2021. Förutom speglarna, OGRE kommer att bära en universitetsutvecklad spektrograf utrustad med nästa generations röntgendiffraktionsgitter som används för att dela upp röntgenljus i dess komponentfärger eller våglängder för att avslöja ett objekts temperatur, kemisk makeup, och andra fysiska egenskaper.

OGRE kommer att göra mycket för att föra fram spegelenheten, Zhang tillade. Uppdraget kommer att hjälpa till att avgöra om teamets design kan skydda det ömtåliga boet av speglar från extrema uppskjutningskrafter som upplevs under lyft och uppstigning genom jordens atmosfär.

Andra möjligheter tillgängliga

Zhang ser för sig en ljus framtid för lagets optik. Även om Lynx inte väljs ut för utveckling av 2020 års Decadal Survey, andra föreslagna uppdrag skulle kunna gynnas, sa Zhang. Dessa inkluderar ett par röntgenobservatorier som nu undersöks som potentiella uppdrag i astrofysiksondklass och ytterligare ett som nu övervägs av japanerna.

"Fem år sedan, folk sa att det inte gick att göra, men vi bevisade våra idéer, ", sa Zhang. "Mitt team är tacksamt mot Goddards interna forsknings- och utvecklingsprogram för att ha gett oss startpengarna. Vi hade inte kunnat uppnå detta utan den.