Alla älskar en två-för-en-affär – även fysiker som vill ta itu med obesvarade frågor om kosmos. Nu får forskare vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory just en sådan tvåfer:Partikeldetektorer som ursprungligen utvecklades för att leta efter mörk materia är nu i en position att inkluderas ombord på Line Emission Mapper (LEM), en rymdbaserad X -ray-sonduppdrag föreslagits för 2030-talet.
Ett av LEMs primära mål är att kartlägga galaxernas röntgenstrålning med oöverträffad precision i ett försök att bättre förstå galaxbildningen och universums historia.
"Detta skulle vara ett av få riktigt högupplösta spektroskopisystem i rymden", säger Chris Kenney, senior forskare vid SLAC. "Ur ett tekniskt perspektiv är röntgenspektroskopi av stort intresse för SLAC. Och att använda vår teknik ovanför atmosfären är väldigt spännande."
Galaxer och galaxhopar är de största objekten i rymden, och att förstå deras utveckling kommer att hjälpa fysiker att få en tydligare bild av universums historia. Ett sätt som forskare kanske kan kartlägga galaxens utveckling är att mäta röntgenstrålar från stjärnor, supernovor och svarta hål i galaxer och deras omgivningar.
Att mäta riktningen och intensiteten hos dessa röntgenstrålar avslöjar information om sammansättningen av de föremål som avger dem, och i sin tur ger forskarna ledtrådar om vad dessa föremål har hållit på med under de senaste tiotals miljarder år.
För att åstadkomma detta krävs rymdbaserade instrument som kan lösa de svagaste röntgenstrålningslinjerna som kommer från det cirkumgalaktiska mediet, eller halo av gas som omger galaxer, och det intergalaktiska mediet, eller plasman mellan galaxer. Sonden måste också upptäcka röntgenstrålar som kommer från Vintergatans gashalo, men på något sätt filtrera bort alla andra kosmiska strålar.
Lyckligtvis för LEM-utvecklingsteamet har forskare vid SLAC redan skapat det perfekta verktyget för jobbet:supraledande övergångskantsensorer (TES) som ursprungligen utformades för att detektera mörk materia som en del av Cryogenic Dark Matter Search (CDMS).
Dessa nanotillverkade tunnfilmssensorer är exakta kalorimetrar som fungerar vid superkalla temperaturer. "Vi tog en design som vi använde för en mörk materiadetektor som är optimerad för riktigt, riktigt bra energiupplösning. Men den är ganska liten, så vi spred ut den över ett mycket större område för att uppnå samma täckning som röntgenbrännplanet ," sa Noah Kurinsky, en stabsforskare vid SLAC.
Kurinsky och hans kollegor vid SLAC samarbetade med forskare vid Northwestern University i Illinois för att komma fram till den perfekta designen för de återanvända TES, som de beskrev i en nyligen publicerad artikel publicerad i Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems i> .
Matt Cherry, en stabsingenjör på SLAC har tillverkat dessa sensorer på SLAC i mer än ett decennium, men efter ett nyligen två års uppehåll från att tillverka TES, välkomnade han chansen att bygga dem igen. "På grund av CDMS har vi den här riktigt välutvecklade, väletablerade tekniken för att bygga dessa sensorer, och vi har redan bearbetningen nere," sa han. "Jag tänkte "Åh det här är underbart, jag skulle älska att göra det här igen", och det var precis vad de behövde."
För LEM sitter sensorn baserad på Kurinskys design bakom sondens röntgendetektor och fungerar som en bakgrundsdetektor som kartlägger energi från kosmiska strålar som sedan kan subtraheras från röntgendata. "Målet var bara att markera var den kosmiska strålen går inom en region, men eftersom upplösningen är så bra kan vi faktiskt rekonstruera platsen för händelser till millimeterskalan, vilket är riktigt coolt," sa Kurinsky.
Utan en sådan exakt kartläggning av kosmisk strålning förlorar forskare 15–20 % av den data som samlas in eftersom signalen inte går att särskilja, förklarade han. Men den byggda sensorn SLAC bör förhindra behovet av att eliminera all data alls.
SLAC-teamet skickade några nytillverkade sensorer till NASA Goddard för testning mot slutet av 2023, och hittills har de vida överträffat LEM-teamets förväntningar. "De är glada," sa Kurinsky. "LEM-teamet gav oss en lista med krav som de ville att vi skulle uppfylla, men vår sensor är redan så mycket bättre än så."
Han är optimistisk att framgången för dessa sensorer och förhoppningsvis LEM-uppdraget leder till nya samarbeten med framtida uppdrag. "Om vi kan visa att det här fungerar riktigt bra, så är det ett potentiellt tillväxtfält för oss", sa Kurinsky. "Varje uppdrag som använder TES för att göra sin fotondetektion kan också enkelt integrera en av dessa."
Dessutom undersöker Kurinsky och hans kollegor hur högar av dessa detektorer kan implementeras i ett framtida rymdbaserat gammastrålningsexperiment.
För Cherry är det otroligt glädjande att hjälpa till med att designa och tillverka ett instrument som han är mycket bekant med för ett nytt vetenskapligt mål. "Det här var roligt, och det visade sig vara oerhört användbart för någon annan", sa han. "Det är något SLAC gör ett bra jobb med att prioritera. Vi bygger samarbeten och gör sådana här projekt för att det är intressant och det är värt att göra."
Mer information: Stephen J. Smith et al, Utveckling av mikrokalorimetern och antikoincidensdetektorn för Line Emission Mapper X-ray sonden, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems (2023). DOI:10.1117/1.JATIS.9.4.041005
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
