NASAs nye lette røntgenspejle klar til afprøvning i rummet

Nylige test har vist, at supertynde, lette røntgenspejle fremstillet af et materiale, der almindeligvis bruges til at fremstille computerchips, kan opfylde de strenge billeddannelseskrav i næste generations røntgenobservatorier.

Som resultat, røntgenspejlteknologien, der udvikles af Will Zhang og hans team på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har været baselinet for Design Reference Mission for det konceptuelle Lynx X-ray Observatory - en af ​​fire potentielle missioner, som forskere har vurderet som værdige sysler under 2020 Decadal Survey for Astrophysics.

Hvis valgt og i sidste ende lanceret i 2030'erne, Lynx kunne bogstaveligt talt bære titusindvis af Zhangs spejlsegmenter, som ville give et spring i to størrelsesordener i følsomhed over NASAs flagskib Chandra X-ray Observatory og European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, eller Athena. Chandra selv tilbød et betydeligt spring i kapacitet, da den blev lanceret i 1999. Den kan observere røntgenkilder - eksploderede stjerner, klynger af galakser, og stof omkring sorte huller -100 gange svagere end dem, der blev observeret af tidligere røntgenteleskoper.

I en anden udvikling, Zhang og hans team har sikret sig en flyvemulighed på kortere sigt ombord på en sonderende raketmission, der er planlagt til 2021. Dette ville repræsentere teknologiens første demonstration i rummet.

Syvårig udviklingsindsats

Bestræbelserne på at udvikle den nye optik begyndte for syv år siden, da Zhang begyndte at eksperimentere med mono-krystallinsk - et enkelt-krystal silicium, der aldrig før var blevet brugt til at skabe røntgenspejle. Disse specialfremstillede optik skal være buede og indlejrede inde i en cylindrisk formet beholder, så højenergiske røntgenfotoner græsser deres overflader og afbøjes ind i et observatoriums instrumenter i stedet for at passere gennem dem.

Hans mål - i betragtning af omkostningerne ved at bygge rumobservatorier, som kun stiger i pris, efterhånden som de bliver større og tungere - skulle udvikle sig let reproducerbare, letvægts, supertynde spejle, uden at gå på kompromis med kvaliteten.

"Det, vi har gjort, er vist fra et videnskabeligt perspektiv og empirisk, at denne optik kan bygges" ved hjælp af en billig, rigeligt tilgængeligt materiale, der er immunt over for indre belastninger, der kan ændre formen på røntgenspejle lavet af glas, det mere traditionelle spejlfremstillingsmateriale, sagde Zhang.

Anmeldelser udført af et NASA-kommissioneret panel bestående af 40 eksperter vurderede, at Zhangs optik var lavet af det skøre, meget stabilt siliciummateriale er i stand til samme billedkvalitet som de fire par større og tungere spejle, der flyver på Chandra. Panelet vurderede også, at to andre teknologier - spejle i fuld skal og justerbar optik - var i stand til at opfylde kravene i det konceptuelle Lynx-observatorium.

Ikke alene kunne Zhangs spejle give en opløsning på 0,5 buesekunder – sammenlignelig med billedkvaliteten fra ultra-high-definition tv – de opfyldte også Zhangs lavmassekrav. De er 50 gange lettere og tyndere end Chandras, sagde Zhang. Det betyder, at fremtidige observatorier kan bære langt flere spejle, skabe et større opsamlingsområde til at fange røntgenstråler fra højenergi-fænomener i universet.

Nu begynder den svære del

Men Zhang sagde, at han og hans team stadig er "langt, langt væk fra at flyve vores optik."

Han og hans ingeniørteam skal nu finde ud af, hvordan man binder disse skrøbelige spejlsegmenter inde i beholderen, som beskytter hele spejlsamlingen under en raketopsendelse og bevarer deres indlejrede justering.

"Vi har meget at lave, og ikke meget tid til at gøre det, " sagde Zhang. "Dette er nu en ingeniørudfordring."

Tid er essensen, han tilføjede. Kun to år fra nu, Zhangs team skal levere en 288-segment spejlkonstruktion til Randall McEntaffer, en professor ved Pennsylvania State University i State College, som er ved at udvikle en sonderende raketmission kaldet Off-plane Grating Rocket Experiment, eller OGRE, forventes lanceret fra Wallops Flight Facility i 2021. Ud over spejlene, OGRE vil bære en universitetsudviklet spektrograf udstyret med næste generations røntgendiffraktionsgitre, der bruges til at opdele røntgenlys i dets komponentfarver eller bølgelængder for at afsløre et objekts temperatur, kemisk makeup, og andre fysiske egenskaber.

OGRE vil gøre meget for at fremme spejlsamlingen, Zhang tilføjede. Missionen vil hjælpe med at afgøre, om holdets design kan beskytte den skrøbelige rede af spejle mod ekstreme affyringskræfter, der opleves under opstigning og opstigning gennem Jordens atmosfære.

Andre tilgængelige muligheder

Zhang forestiller sig en lys fremtid for holdets optik. Selvom Lynx ikke er valgt til udvikling af 2020 Decadal Survey, andre foreslåede missioner kunne gavne, sagde Zhang. Disse omfatter et par røntgenobservatorier, der nu bliver undersøgt som potentielle astrofysiske sonde-klassemissioner, og et andet, der nu overvejes af japanerne.

"Fem år siden, folk sagde, at det ikke kunne lade sig gøre, men vi beviste vores ideer, " sagde Zhang. "Mit team er taknemmelig for Goddards interne forsknings- og udviklingsprogram for at give os startpengene. Vi kunne ikke have opnået dette uden det.