En kompakt detektorteknologi som är användbar för alla typer av tvärvetenskapliga undersökningar har hittat ett hem på ett nytt CubeSat-uppdrag som är utformat för att hitta elektromagnetiska motsvarigheter till händelser som genererar gravitationsvågor.

NASA-forskaren Georgia de Nolfo och hennes medarbetare, astrofysikern Jeremy Perkins, fick nyligen finansiering från byråns Astrophysics Research and Analysis Program för att utveckla ett CubeSat-uppdrag som heter BurstCube. Detta uppdrag, som kommer att bära den kompakta sensortekniken som de Nolfo utvecklat, kommer att upptäcka och lokalisera gammastrålningskurar orsakade av kollapsen av massiva stjärnor och sammanslagningar av kretsande neutronstjärnor. Den kommer också att upptäcka solflammor och andra högenergitransienter när den väl har utplacerats i låg omloppsbana om jorden i början av 2020-talet.

De katastrofala dödsfallen för massiva stjärnor och sammanslagningar av neutronstjärnor är av särskilt intresse för forskare eftersom de producerar gravitationella vågor - bokstavligen, krusningar i rum-tidens struktur som strålar ut i alla riktningar, ungefär som vad som händer när en sten kastas i en damm.

Sedan Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO, bekräftade deras existens för ett par år sedan, LIGO och European Virgo-detektorer har upptäckt andra händelser, inklusive den första upptäckten någonsin av gravitationsvågor från sammanslagningen av två neutronstjärnor som tillkännagavs i oktober 2017.

Mindre än två sekunder efter att LIGO upptäckte vågorna som sköljde över jordens rum-tid, NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop upptäckte en svag skur av högenergiljus - den första skuren som otvetydigt var kopplad till en gravitationsvågskälla.

Dessa upptäckter har öppnat ett nytt fönster på universum, ge forskare en mer fullständig bild av dessa händelser som kompletterar kunskap som erhållits genom traditionella observationstekniker, som förlitar sig på att detektera elektromagnetisk strålning - ljus - i alla dess former.

Kompletterande förmåga

Perkins och de Nolfo, båda forskarna vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, se BurstCube som en följeslagare till Fermi i detta sökande efter gravitationsvågskällor. Även om den inte är lika kapabel som den mycket större Gamma-ray Burst Monitor, eller GBM, på Fermi, BurstCube kommer att öka täckningen av himlen. Fermi-GBM observerar hela himlen som inte är blockerad av jorden. "Men vad händer om en händelse inträffar och Fermi är på andra sidan jorden, som blockerar dess sikt, " sa Perkins. "Fermi kommer inte att se sprängningen."

BurstCube, som förväntas starta runt den tidpunkt då ytterligare markbaserade observatorier av LIGO-typ börjar arbeta, kommer att hjälpa till att upptäcka dessa flyktiga, svåra att fånga högenergifotoner och hjälpa till att avgöra var de har sitt ursprung. Förutom att snabbt rapportera sina platser till marken så att andra teleskop kan hitta händelsen i andra våglängder och hem i sin värdgalax, BurstCubes andra jobb är att själva studera källorna.

Miniatyriserad teknologi

BurstCube kommer att använda samma detektorteknologi som Fermis GBM; dock, med viktiga skillnader.

Under konceptet har de Nolfo avancerat genom finansieringen av Goddards interna forsknings- och utvecklingsprogram, laget kommer att placera fyra block av cesiumjodidkristaller, fungerar som scintillatorer, i olika orienteringar inom rymdfarkosten. När en inkommande gammastråle träffar en av kristallerna, det kommer att absorbera energin och lysa, omvandlar den energin till optiskt ljus.

Fyra uppsättningar av kiselfotomultiplikatorer och deras tillhörande avläsningsanordningar sitter var och en bakom de fyra kristallerna. Fotomultiplikatorerna omvandlar ljuset till en elektrisk puls och förstärker sedan denna signal genom att skapa en lavin av elektroner. Denna multiplikationseffekt gör detektorn mycket mer känslig för dessa svaga och flyktiga gammastrålar.

Till skillnad från fotomultiplikatorerna på Fermis GBM, som är skrymmande och liknar gammaldags TV-rör, de Nolfos enheter är gjorda av kisel, ett halvledarmaterial. "Jämfört med mer konventionella fotomultiplikatorrör, kiselfotomultiplikatorer minskar massan avsevärt, volym, kraft och kostnad, ", sa Perkins. "Kombinationen av kristallerna och nya avläsningsenheter gör det möjligt att överväga en kompakt, lågeffektsinstrument som är lätt att distribuera på en CubeSat-plattform."

I en annan framgång för Goddard-tekniken, BurstCube-teamet har också baserat Dellingr 6U CubeSat-bussen som ett litet team av centerforskare och ingenjörer utvecklat för att visa att CubeSat-plattformar kan vara mer tillförlitliga och kapabla att samla in mycket robusta vetenskapliga data.

"Detta är hög efterfrågan teknik, " sa de Nolfo. "Det finns applikationer överallt."