Детектор на базе SLAC TES, установленный в тестовом модуле LEM. Фокальная плоскость рентгеновского излучения будет установлена непосредственно над детектором и покрывать шестиугольную область, показанную в центре. Фото: Джошуа Фурман/Северо-Западный университет.
Всем нравится сделка «два по цене одного», даже физики, стремящиеся ответить на оставшиеся без ответа вопросы о космосе. Теперь учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики получили именно такое предложение: детекторы частиц, первоначально разработанные для поиска тёмной материи, теперь могут быть включены в состав Line Emission Mapper (LEM), космического корабля X. Миссия -лучевого зонда предложена на 2030-е годы.
Одна из основных целей LEM — составить карту рентгеновского излучения галактик с беспрецедентной точностью, чтобы лучше понять формирование галактик и историю Вселенной.
«Это будет одна из немногих систем спектроскопии действительно высокого разрешения в космосе», — сказал Крис Кенни, старший научный сотрудник SLAC. «С технологической точки зрения рентгеновская спектроскопия представляет большой интерес для SLAC. И использование нашей технологии над атмосферой очень интересно».
Отслеживание галактической эволюции
Галактики и скопления галактик являются крупнейшими объектами в космосе, и понимание их эволюции поможет физикам получить более четкое представление об истории Вселенной. Одним из способов, с помощью которого ученые смогут составить карту эволюции галактик, является измерение рентгеновских лучей, исходящих от звезд, сверхновых и черных дыр внутри галактик и их окружения.
Измерение направления и интенсивности этих рентгеновских лучей позволяет получить информацию о составе испускающих их объектов и, в свою очередь, дает ученым подсказки о том, чем занимались эти объекты за последние десятки миллиардов лет.
Для этого необходимы космические инструменты, способные распознавать самые слабые линии рентгеновского излучения, исходящие из окологалактической среды или гало газа, окружающего галактики, и межгалактической среды или плазмы между галактиками. Зонд также должен обнаружить рентгеновские лучи, исходящие от газового гало Млечного Пути, но каким-то образом отфильтровать все остальные космические лучи.
Детекторы темной материи протянут руку помощи
К счастью для команды разработчиков LEM, исследователи из SLAC уже создали идеальный инструмент для этой работы: сверхпроводящие датчики края перехода (TES), первоначально разработанные для обнаружения темной материи в рамках криогенного поиска темной материи (CDMS).
Эти нанопленочные датчики представляют собой точные калориметры, работающие при сверхнизких температурах. «Мы взяли проект, который использовали для детектора темной материи, оптимизированный для действительно очень хорошего энергетического разрешения. Но он довольно мал, поэтому мы распределили его по гораздо большей площади, чтобы добиться того же покрытия, что и в фокальной плоскости рентгеновских лучей. «, — сказал Ной Курински, научный сотрудник SLAC.
Куринский и его коллеги из SLAC сотрудничали с исследователями из Северо-Западного университета в Иллинойсе, чтобы разработать идеальную конструкцию перепрофилированных TES, которую они описали в недавней статье, опубликованной в Журнале астрономических телескопов, инструментов и систем.
Мэтт Черри, штатный инженер SLAC, занимается изготовлением этих датчиков в SLAC уже более десяти лет, но после недавнего двухлетнего перерыва в производстве TES он рад возможности построить их снова. «Благодаря CDMS у нас есть действительно хорошо развитая, хорошо зарекомендовавшая себя технология создания этих датчиков, и у нас уже есть обработка», — сказал он. «Я подумал: «О, это чудесно, я бы хотел сделать это снова», и это было именно то, что им было нужно».
В LEM датчик, основанный на конструкции Куринского, расположен позади детектора рентгеновского излучения зонда и действует как детектор фона, отображая энергию космических лучей, которую затем можно вычесть из рентгеновских данных. «Цель заключалась в том, чтобы просто отметить, куда проходят космические лучи в пределах региона, но поскольку разрешение настолько хорошее, мы действительно можем реконструировать местоположение событий в миллиметровом масштабе, что действительно здорово», — сказал Куринский.
Без такого точного картирования космических лучей ученые теряют 15–20% собранных данных, потому что сигнал неразличим, объяснил он. Но датчик, построенный SLAC, должен вообще исключить необходимость удаления каких-либо данных.
Команда SLAC отправила несколько недавно изготовленных датчиков в НАСА Годдард для испытаний ближе к концу 2023 года, и на данный момент они намного превзошли ожидания команды LEM. «Они в восторге», — сказал Куринский. «Команда LEM предоставила нам список требований, которым они хотели, чтобы мы соответствовали, но наш датчик уже намного лучше этого».
Он надеется, что успех этих датчиков и, надеюсь, миссии LEM приведет к новому сотрудничеству с будущими миссиями. «Если мы сможем продемонстрировать, что это работает действительно хорошо, то это станет для нас потенциальным полем роста», — сказал Куринский. «Любая миссия, использующая TES для обнаружения фотонов, также может легко интегрировать один из них».
Кроме того, Куринский и его коллеги изучают, как комплексы этих детекторов могут быть реализованы в будущем космическом эксперименте с гамма-излучением.
Для Черри невероятно приятно помогать Черри в разработке и изготовлении инструмента, с которым он хорошо знаком, для достижения новой научной цели. «Это было весело и оказалось чрезвычайно полезным для кого-то еще», — сказал он. «SLAC хорошо расставляет приоритеты в этом вопросе. Мы налаживаем сотрудничество и реализуем подобные проекты, потому что это интересно и стоит того».
Информация от: Национальной ускорительной лабораторией SLAC.
