Recente tests hebben aangetoond dat superdunne, lichtgewicht röntgenspiegels gemaakt van een materiaal dat vaak wordt gebruikt om computerchips te maken, kunnen voldoen aan de strenge beeldvormingsvereisten van röntgenobservatoria van de volgende generatie.

Als resultaat, de röntgenspiegeltechnologie die wordt ontwikkeld door Will Zhang en zijn team in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, is vastgesteld voor de Design Reference Mission van het conceptuele Lynx X-ray Observatory - een van de vier potentiële missies die wetenschappers hebben beoordeeld als waardige bezigheden in het kader van de 2020 Decadal Survey for Astrophysics.

Indien geselecteerd en uiteindelijk gelanceerd in de jaren 2030, Lynx kon letterlijk tienduizenden spiegelsegmenten van Zhang dragen, die een twee ordes van grootte sprong in gevoeligheid zou bieden boven NASA's vlaggenschip Chandra X-ray Observatory en de Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics van de European Space Agency, of Athene. Chandra zelf bood een aanzienlijke sprong in vermogen toen het in 1999 werd gelanceerd. Het kan röntgenbronnen observeren - ontplofte sterren, clusters van sterrenstelsels, en materie rond zwarte gaten — 100 keer zwakker dan die waargenomen door eerdere röntgentelescopen.

Bij een andere ontwikkeling Zhang en zijn team hebben een vluchtmogelijkheid op kortere termijn veiliggesteld aan boord van een klinkende raketmissie die gepland staat voor 2021. Dit zou de eerste demonstratie van de technologie in de ruimte zijn.

Ontwikkelingsinspanning van zeven jaar

De inspanning om de nieuwe optiek te ontwikkelen begon zeven jaar geleden toen Zhang begon te experimenteren met monokristallijn - een enkelkristal silicium dat nog nooit eerder was gebruikt om röntgenspiegels te maken. Deze speciaal vervaardigde optica moet worden gekromd en in een cilindrisch gevormde container worden genest, zodat hoogenergetische röntgenfotonen hun oppervlakken grazen en afbuigen in de instrumenten van een observatorium in plaats van er doorheen te gaan.

Zijn doel:gezien de kosten van het bouwen van ruimteobservatoria, die alleen maar in prijs stijgen naarmate ze groter en zwaarder worden - gemakkelijk reproduceerbaar zou worden, lichtgewicht, superdunne spiegels, zonder in te boeten aan kwaliteit.

"Wat we hebben gedaan, is vanuit wetenschappelijk perspectief en empirisch aangetoond dat deze optica kan worden gebouwd" met behulp van een goedkope, overvloedig beschikbaar materiaal dat immuun is voor de interne spanningen die de vorm van röntgenspiegels van glas kunnen veranderen, het meer traditionele materiaal voor het maken van spiegels, zei Zhang.

Beoordelingen uitgevoerd door een panel van 40 experts in opdracht van NASA, waren van mening dat de optica van Zhang gemaakt was van het brosse, zeer stabiel siliciummateriaal is in staat tot dezelfde beeldkwaliteit als de vier paar grotere en zwaardere spiegels die op Chandra vliegen. Het panel was ook van mening dat twee andere technologieën - spiegels met volledige schaal en verstelbare optica - in staat waren om te voldoen aan de vereisten van het conceptuele Lynx-observatorium.

De spiegels van Zhang konden niet alleen een resolutie van 0,5 boogseconde bieden - vergelijkbaar met de beeldkwaliteit die wordt geboden door ultra-high-definition televisie - ze voldeden ook aan de lage-massavereisten van Zhang. Ze zijn 50 keer lichter en dunner dan die van Chandra, zei Zhang. Dit betekent dat toekomstige observatoria veel meer spiegels kunnen dragen, het creëren van een groter verzamelgebied voor het vastlopen van röntgenstralen die afkomstig zijn van hoogenergetische verschijnselen in het universum.

Nu begint het moeilijke deel

Maar Zhang zei dat hij en zijn team nog steeds "ver, ver weg van het vliegen met onze optica."

Hij en zijn technische team moeten nu uitzoeken hoe ze deze kwetsbare spiegelsegmenten in de bus kunnen verbinden, die de hele spiegelconstructie beschermt tijdens een raketlancering en hun geneste uitlijning handhaaft.

"We hebben veel te doen, en niet veel tijd om het te doen, "Zei Zhang. "Dit is nu een technische uitdaging."

Tijd is van essentieel belang, hij voegde toe. Slechts twee jaar vanaf nu, Het team van Zhang moet een spiegel met 288 segmenten leveren aan Randall McEntaffer, een professor aan de Pennsylvania State University in State College die een klinkende raketmissie ontwikkelt, het Off-plane Grating Rocket Experiment, of OGRE, zal naar verwachting in 2021 vanuit de Wallops Flight Facility worden gelanceerd. Naast de spiegels, OGRE zal een door de universiteit ontwikkelde spectrograaf dragen die is uitgerust met röntgendiffractieroosters van de volgende generatie die worden gebruikt om röntgenlicht te splitsen in zijn samenstellende kleuren of golflengten om de temperatuur van een object te onthullen, chemische make-up, en andere fysieke eigenschappen.

OGRE zal veel doen om de spiegelmontage vooruit te helpen, voegde Zhang toe. De missie zal helpen bepalen of het ontwerp van het team het kwetsbare spiegelnest kan beschermen tegen extreme lanceringskrachten die worden ervaren tijdens het opstijgen en opstijgen door de atmosfeer van de aarde.

Andere mogelijkheden beschikbaar

Zhang ziet een mooie toekomst voor de optica van het team. Zelfs als Lynx niet is gekozen voor ontwikkeling door de Decadal Survey van 2020, andere voorgestelde missies zouden kunnen profiteren, zei Zhang. Deze omvatten een paar röntgenobservatoria die nu worden onderzocht als potentiële missies van de astrofysica Probe-klasse en een andere die nu door de Japanners wordt overwogen.

"Vijf jaar geleden, mensen zeiden dat het niet kon, maar we bewezen onze ideeën, "Zei Zhang. "Mijn team is Goddard's interne onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma dankbaar voor het geven van startgeld. Zonder dit hadden we dit niet kunnen bereiken.