Före (överst) och efter 150 timmars glödgning (nederst) vid olika längdskalor (vänster till höger). Det kan ses att ytråheten uppmätt med Atomic Force Microscopy reduceras avsevärt över ett brett spektrum av längdskalor. Kredit:Tokyo Metropolitan University
Ett team ledd av forskare från Tokyo Metropolitan University har skapat en aldrig tidigare skådad lätt optik för röntgenrymdteleskop, vilket bryter den traditionella avvägningen mellan vinkelupplösning och vikt. De använde Micro Electro-Mechanical System-teknik (MEMS) och skapade intrikata mönster i kiselskivor som kunde rikta och samla in röntgenstrålar. Genom glödgning och polering insåg de ultraskarpa funktioner som kunde konkurrera med befintliga teleskops prestanda för en bråkdel av vikten, vilket kostar betydligt mindre att lansera.
Röntgenastronomi är ett viktigt verktyg som hjälper forskare att studera och klassificera det stora utbudet av himlakroppar som sänder ut och interagerar med röntgenstrålar, inklusive vår planet. Men det finns en hake:den mesta röntgenstrålningen absorberas i vår atmosfär, vilket innebär att teleskop och detektorer måste skjutas ut i rymden. Med detta följer en hel rad begränsningar, i synnerhet hur tung enheten kan vara.
En av de viktigaste egenskaperna hos all astronomisk observationsoptik är dess vinkelupplösning, eller den vinkel som två ljuskällor kan göra med en detektor och ändå identifieras individuellt. Problemet med konventionell röntgenoptik är att enheterna blir tyngre och tyngre för att nå högre upplösningar. Detta gör det mycket kostsamt att skjuta upp dem i rymden. Även för Hitomi-teleskopet som lanserades 2016, som anses banbrytande lätt, var den effektiva vikten 600 kg per kvadratmeter effektiv yta.
Koncentriska uppsättningar av slitsar tillåter röntgenstrålar att komma in och reflektera från innerväggarna, knuffa dem så att de riktas mot en enda punkt. Kredit:Tokyo Metropolitan University
Nu har ett team ledd av docent Yuichiro Ezoe och Aoto Fukushima brutit denna kompromiss genom att konstruera en högpresterande enhet som bara väger 10 kg per kvadratmeter. De använde Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) teknologi, en teknik designad för att göra mikroskopiska mekaniska ställdon, för att mönstra skarpa, intrikata mönster till kiselskivor som kan rikta och samla in röntgenstrålar. Själva designen följer Wolter I-geometrin hos befintliga röntgenteleskop, en koncentrisk uppsättning trädringliknande slitsar som kan knuffa in röntgenstrålar via ett smalt spektrum av vinklar och samla dem till en punkt.
Noterbart är att teamet förfinade själva mönstret. Efter etsning av slitsarna med en teknik som kallas djup reaktiv jonetsning (DRIE), fann de att det fanns en ytjämnhet på mönstren som kunde smeta ut samlingen av röntgenstrålar, vilket effektivt minskade upplösningen. De glödgade mönstret och applicerade värme i en speciell enhet under oöverträffat långa tider. Med successivt längre glödgning kunde kiselatomerna vid mönstrens yta röra sig mer, rundade ut alla grovheter och förbättrade teleskopets vinkelupplösning. Detta följdes av slipning och kemisk polering för att räta ut de rundade kanterna på själva slitsarna.
GEO-X-uppdraget syftar till att observera jordens magnetosfär med hjälp av kosmisk röntgenstrålning. Den väger bara 50 kg. Kredit:Tokyo Metropolitan University
Viktigt är att prestandan som rapporterats av teamet matchar den för teleskop som redan är i drift. Dess vikt gör den särskilt lämplig för GEO-X-uppdraget, en satellit designad för att visualisera jordens magnetosfär. Teamet siktar på den förbluffande låga totalvikten på 50 kg, ett tekniskt genombrott som kan leda till att framtida uppdrag skickas i omloppsbana till ojämförligt lägre kostnader.
Resultaten av deras forskning publiceras i Optics Express . + Utforska vidare
