Een compacte detectortechnologie die toepasbaar is op alle soorten interdisciplinair wetenschappelijk onderzoek, heeft een thuis gevonden op een nieuwe CubeSat-missie die is ontworpen om de elektromagnetische tegenhangers te vinden van gebeurtenissen die zwaartekrachtgolven genereren.

NASA-wetenschapper Georgia de Nolfo en haar medewerker, astrofysicus Jeremy Perkins, ontving onlangs financiering van het Astrophysics Research and Analysis Program van het bureau om een ​​CubeSat-missie genaamd BurstCube te ontwikkelen. Deze missie, die de compacte sensortechnologie zal dragen die de Nolfo heeft ontwikkeld, zal gammastraaluitbarstingen detecteren en lokaliseren die worden veroorzaakt door de ineenstorting van massieve sterren en samensmeltingen van ronddraaiende neutronensterren. Het zal ook zonnevlammen en andere hoogenergetische transiënten detecteren zodra het begin 2020 in een lage baan om de aarde is geplaatst.

De catastrofale sterfgevallen van massieve sterren en samensmeltingen van neutronensterren zijn van speciaal belang voor wetenschappers omdat ze zwaartekrachtgolven produceren - letterlijk, rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd die in alle richtingen uitstralen, net als wat er gebeurt als een steen in een vijver wordt gegooid.

Sinds de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, of LIGO, bevestigden hun bestaan ​​een paar jaar geleden, LIGO en de Europese Maagd-detectoren hebben andere gebeurtenissen gedetecteerd, inclusief de allereerste detectie van zwaartekrachtsgolven door de samensmelting van twee neutronensterren, aangekondigd in oktober 2017.

Minder dan twee seconden nadat LIGO de golven had gedetecteerd die over de ruimtetijd van de aarde spoelden, NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope detecteerde een zwakke uitbarsting van hoogenergetisch licht - de eerste uitbarsting die ondubbelzinnig was verbonden met een zwaartekrachtgolfbron.

Deze detecties hebben een nieuw venster op het universum geopend, wetenschappers een completer beeld geven van deze gebeurtenissen als aanvulling op de kennis die is verkregen door middel van traditionele observatietechnieken, die afhankelijk zijn van het detecteren van elektromagnetische straling - licht - in al zijn vormen.

Complementaire mogelijkheden

Perkins en de Nolfo, beide wetenschappers van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zie BurstCube als een metgezel van Fermi in deze zoektocht naar bronnen van zwaartekrachtsgolven. Hoewel niet zo capabel als de veel grotere Gamma-ray Burst Monitor, of GBM, op Fermi, BurstCube vergroot de dekking van de lucht. Fermi-GBM observeert de hele hemel die niet door de aarde wordt geblokkeerd. "Maar wat gebeurt er als er een gebeurtenis plaatsvindt en Fermi is aan de andere kant van de aarde, die zijn zicht blokkeert, ' zei Perkins. 'Fermi zal de ontploffing niet zien.'

BurstCube, die naar verwachting zal worden gelanceerd rond de tijd dat aanvullende LIGO-observatoria op de grond hun operaties beginnen, zal helpen bij het opsporen van deze vluchtige, moeilijk te vangen hoogenergetische fotonen en helpen bepalen waar ze vandaan komen. Naast het snel melden van hun locaties aan de grond, zodat andere telescopen de gebeurtenis op andere golflengten kunnen vinden en zich kunnen nestelen in het gaststelsel, De andere taak van BurstCube is om de bronnen zelf te bestuderen.

Geminiaturiseerde technologie

BurstCube zal dezelfde detectortechnologie gebruiken als Fermi's GBM; echter, met belangrijke verschillen.

Onder het concept is de Nolfo vooruitgegaan door de financiering van het interne onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van Goddard, het team zal vier blokken cesiumjodidekristallen plaatsen, werkend als scintillatoren, in verschillende oriëntaties binnen het ruimtevaartuig. Wanneer een inkomende gammastraal een van de kristallen raakt, het absorbeert de energie en het licht, die energie omzetten in optisch licht.

Achter de vier kristallen zitten vier arrays van silicium-fotomultiplicatoren en de bijbehorende uitleesapparaten. De fotomultipliers zetten het licht om in een elektrische puls en versterken dit signaal door een lawine van elektronen te creëren. Dit vermenigvuldigingseffect maakt de detector veel gevoeliger voor deze zwakke en vluchtige gammastraling.

In tegenstelling tot de fotovermenigvuldigers op Fermi's GBM, die omvangrijk zijn en lijken op ouderwetse televisiebuizen, de apparaten van de Nolfo zijn gemaakt van silicium, een halfgeleidermateriaal. "Vergeleken met meer conventionele fotomultiplicatorbuizen, silicium fotomultiplicatoren verminderen de massa aanzienlijk, volume, kracht en kosten, Perkins zei. "De combinatie van de kristallen en nieuwe uitleesapparatuur maakt het mogelijk om een ​​compacte, low-power instrument dat gemakkelijk kan worden ingezet op een CubeSat-platform."

In een ander succes voor Goddard-technologie, het BurstCube-team heeft ook een baseline gemaakt voor de Dellingr 6U CubeSat-bus die een klein team van centrumwetenschappers en ingenieurs heeft ontwikkeld om aan te tonen dat CubeSat-platforms betrouwbaarder kunnen zijn en in staat zijn om zeer robuuste wetenschappelijke gegevens te verzamelen.

"Dit is high-demand technologie, " zei de Nolfo. "Er zijn overal toepassingen."