Wetenschap
Methode om donkere materie te detecteren zou kunnen leiden tot een beter begrip van de evolutie van sterrenstelsels
Iedereen houdt van een twee-tegen-één deal, zelfs natuurkundigen die onbeantwoorde vragen over de kosmos willen aanpakken. Nu krijgen wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy precies zo'n tweeling:deeltjesdetectoren die oorspronkelijk zijn ontwikkeld om naar donkere materie te zoeken, kunnen nu worden opgenomen aan boord van de Line Emission Mapper (LEM), een in de ruimte gestationeerde X -ray probe-missie voorgesteld voor de jaren 2030.
Een van de belangrijkste doelstellingen van LEM is om de röntgenstraling van sterrenstelsels met ongekende precisie in kaart te brengen, in een poging om de vorming van sterrenstelsels en de geschiedenis van het universum beter te begrijpen.
"Dit zou een van de weinige spectroscopiesystemen met echt hoge resolutie in de ruimte zijn", zegt Chris Kenney, senior wetenschapper bij SLAC. "Vanuit technologisch perspectief is röntgenspectroscopie van groot belang voor SLAC. En het is heel spannend om onze technologie boven de atmosfeer te gebruiken."
Galactische evolutie volgen
Sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zijn de grootste objecten in de ruimte, en het begrijpen van hun evolutie zal natuurkundigen helpen een duidelijker beeld te krijgen van de geschiedenis van het universum. Eén manier waarop wetenschappers de evolutie van sterrenstelsels in kaart kunnen brengen, is het meten van röntgenstraling afkomstig van sterren, supernova's en zwarte gaten in sterrenstelsels en hun omgeving.
Het meten van de richting en intensiteit van deze röntgenstralen onthult informatie over de samenstelling van de objecten die deze straling uitzenden, en geeft wetenschappers op hun beurt aanwijzingen over wat deze objecten de afgelopen tientallen miljarden jaren hebben uitgespookt.
Om dit te bereiken zijn in de ruimte gestationeerde instrumenten nodig die in staat zijn de zwakste röntgenstralingslijnen op te lossen die afkomstig zijn van het circumgalactische medium, of de halo van gas dat sterrenstelsels omringt, en het intergalactische medium, of het plasma tussen sterrenstelsels. De sonde moet ook röntgenstraling detecteren die uit de gashalo van de Melkweg komt, maar op een of andere manier alle andere kosmische straling eruit filteren.
Detectors voor donkere materie helpen een handje
Gelukkig voor het LEM-ontwikkelingsteam hebben onderzoekers van SLAC al het perfecte hulpmiddel voor deze taak ontwikkeld:supergeleidende transition edge-sensoren (TES), oorspronkelijk ontworpen om donkere materie te detecteren als onderdeel van de Cryogenic Dark Matter Search (CDMS).
Deze nanogefabriceerde dunnefilmsensoren zijn nauwkeurige calorimeters die werken bij superkoude temperaturen. "We hebben een ontwerp gebruikt dat we hebben gebruikt voor een detector voor donkere materie die is geoptimaliseerd voor een heel, heel goede energieresolutie. Maar het is vrij klein, dus we hebben het over een veel groter gebied verspreid om dezelfde dekking te bereiken als het röntgenbrandpuntsvlak ”, zegt Noah Kurinsky, stafwetenschapper bij SLAC.
Kurinsky en zijn collega's bij SLAC werkten samen met onderzoekers van de Northwestern University in Illinois om het perfecte ontwerp te bedenken voor de hergebruikte TES's, die ze beschreven in een recent artikel gepubliceerd in het Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems ik> .
Matt Cherry, een stafingenieur bij SLAC, fabriceert deze sensoren al meer dan tien jaar bij SLAC, maar na een onderbreking van de afgelopen twee jaar bij het vervaardigen van TES's, verwelkomde hij de kans om ze opnieuw te bouwen. "Dankzij CDMS hebben we een echt goed ontwikkelde, gevestigde technologie voor het bouwen van deze sensoren, en we hebben de verwerking al achter de rug", zei hij. "Ik dacht:'Oh, dit is geweldig, ik zou dit graag nog een keer willen doen', en het was precies wat ze nodig hadden."
Voor LEM zit de sensor, gebaseerd op het ontwerp van Kurinsky, achter de röntgendetector van de sonde en fungeert als achtergronddetector, waarbij de energie uit kosmische straling in kaart wordt gebracht die vervolgens kan worden afgetrokken van de röntgengegevens. "Het doel was alleen maar om te bepalen waar de kosmische straling binnen een regio naartoe gaat, maar omdat de resolutie zo goed is, kunnen we de locatie van gebeurtenissen feitelijk op millimeterschaal reconstrueren, wat echt gaaf is", zei Kurinsky.
Zonder een dergelijke nauwkeurige kartering van kosmische straling verliezen wetenschappers 15% tot 20% van de verzamelde gegevens omdat het signaal niet te onderscheiden is, legde hij uit. Maar de door SLAC gebouwde sensor zou de noodzaak moeten voorkomen om überhaupt gegevens te verwijderen.
Het SLAC-team heeft tegen het einde van 2023 een paar nieuw vervaardigde sensoren naar NASA Goddard gestuurd om te testen, en tot nu toe hebben ze de verwachtingen van het LEM-team ruimschoots overtroffen. "Ze zijn heel blij", zei Kurinsky. "Het LEM-team gaf ons een lijst met eisen waaraan ze wilden voldoen, maar onze sensor is al zoveel beter dan dat."
Hij is optimistisch dat het succes van deze sensoren en hopelijk de LEM-missie leidt tot nieuwe samenwerkingen met toekomstige missies. "Als we kunnen aantonen dat dit echt goed werkt, dan is dit een potentieel groeiveld voor ons", zei Kurinsky. "Elke missie die gebruik maakt van TES's voor hun fotonendetectie zou ook gemakkelijk een van deze kunnen integreren."
Daarnaast onderzoeken Kurinsky en zijn collega's hoe stapels van deze detectoren kunnen worden geïmplementeerd in een toekomstig gammastralingsexperiment in de ruimte.
Voor Cherry is het helpen bij het ontwerpen en fabriceren van een instrument waarmee hij goed vertrouwd is voor een nieuw wetenschappelijk doel ongelooflijk bevredigend. "Dit was leuk en het bleek enorm nuttig voor iemand anders", zei hij. "Dat is iets wat SLAC goed doet in het stellen van prioriteiten. We bouwen samenwerkingen op en doen dit soort projecten omdat het interessant is en de moeite waard is om te doen."