NASA-teknologi til at hjælpe med at lokalisere elektromagnetiske modstykker til gravitationsbølger

En kompakt detektorteknologi, der er anvendelig til alle typer tværfaglige videnskabelige undersøgelser, har fundet et hjem på en ny CubeSat-mission designet til at finde de elektromagnetiske modstykker til begivenheder, der genererer gravitationsbølger.

NASA videnskabsmand Georgia de Nolfo og hendes samarbejdspartner, astrofysiker Jeremy Perkins, modtog for nylig finansiering fra agenturets Astrophysics Research and Analysis Program til at udvikle en CubeSat-mission kaldet BurstCube. denne mission, som skal bære den kompakte sensorteknologi, som de Nolfo udviklede, vil opdage og lokalisere gammastråleudbrud forårsaget af sammenbrud af massive stjerner og sammensmeltninger af kredsende neutronstjerner. Den vil også detektere soludbrud og andre højenergi-transienter, når den først er indsat i et lavt kredsløb om Jorden i begyndelsen af ​​2020'erne.

De katastrofale dødsfald af massive stjerner og sammensmeltninger af neutronstjerner er af særlig interesse for videnskabsmænd, fordi de producerer gravitationsbølger - bogstaveligt talt, krusninger i rum-tidens stof, der stråler ud i alle retninger, ligesom det, der sker, når en sten bliver kastet i en dam.

Siden Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO, bekræftede deres eksistens for et par år siden, LIGO og European Jomfru-detektorer har opdaget andre hændelser, inklusive den første nogensinde påvisning af gravitationsbølger fra fusionen af ​​to neutronstjerner annonceret i oktober 2017.

Mindre end to sekunder efter, at LIGO opdagede bølgerne, der skyllede ind over Jordens rumtid, NASAs Fermi Gamma-ray-rumteleskop opdagede et svagt udbrud af højenergilys - det første udbrud, der var utvetydigt forbundet med en gravitationsbølgekilde.

Disse påvisninger har åbnet et nyt vindue på universet, at give videnskabsfolk et mere fuldstændigt overblik over disse begivenheder, der supplerer viden opnået gennem traditionelle observationsteknikker, som er afhængige af at detektere elektromagnetisk stråling - lys - i alle dens former.

Komplementær kapacitet

Perkins og de Nolfo, begge videnskabsmænd ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, se BurstCube som en følgesvend til Fermi i denne søgen efter gravitationsbølgekilder. Selvom den ikke er så dygtig som den meget større Gamma-ray Burst Monitor, eller GBM, på Fermi, BurstCube vil øge dækningen af ​​himlen. Fermi-GBM observerer hele himlen, der ikke er blokeret af Jorden. "Men hvad sker der, hvis en begivenhed indtræffer, og Fermi er på den anden side af Jorden, hvilket blokerer dets udsyn, " sagde Perkins. "Fermi vil ikke se eksplosionen."

BurstCube, som forventes at blive lanceret omkring det tidspunkt, hvor yderligere jordbaserede observatorier af LIGO-typen begynder operationer, vil hjælpe med at opdage disse flygtige, svært at fange højenergifotoner og hjælpe med at bestemme, hvor de stammer fra. Ud over hurtigt at rapportere deres placeringer til jorden, så andre teleskoper kan finde begivenheden i andre bølgelængder og hjem i dens værtsgalakse, BurstCubes anden opgave er selv at studere kilderne.

Miniaturiseret teknologi

BurstCube vil bruge samme detektorteknologi som Fermis GBM; imidlertid, med vigtige forskelle.

Under konceptet har de Nolfo avanceret gennem finansieringen af ​​Goddards interne forsknings- og udviklingsprogram, holdet vil placere fire blokke af cæsium-iodid-krystaller, fungerer som scintillatorer, i forskellige orienteringer inden for rumfartøjet. Når en indkommende gammastråle rammer en af ​​krystallerne, det vil absorbere energien og lyse, omdanner denne energi til optisk lys.

Fire arrays af silicium fotomultiplikatorer og deres tilhørende udlæsningsenheder sidder hver bag de fire krystaller. Fotomultiplikatorerne omdanner lyset til en elektrisk impuls og forstærker derefter dette signal ved at skabe en lavine af elektroner. Denne multiplikationseffekt gør detektoren langt mere følsom over for disse svage og flygtige gammastråler.

I modsætning til fotomultiplikatorerne på Fermis GBM, som er omfangsrige og ligner gammeldags fjernsynsrør, de Nolfos enheder er lavet af silicium, et halvledermateriale. "Sammenlignet med mere konventionelle fotomultiplikatorrør, silicium fotomultiplikatorer reducerer massen betydeligt, bind, kraft og omkostninger, " sagde Perkins. "Kombinationen af ​​krystallerne og nye udlæsningsenheder gør det muligt at overveje en kompakt, laveffekt instrument, der let kan implementeres på en CubeSat platform."

I endnu en succes for Goddard-teknologien, BurstCube-teamet har også baselinet Dellingr 6U CubeSat-bussen, som et lille team af centerforskere og ingeniører udviklede for at vise, at CubeSat-platforme kunne være mere pålidelige og i stand til at indsamle meget robuste videnskabelige data.

"Dette er høj-efterspørgsel teknologi, " sagde de Nolfo. "Der er ansøgninger overalt."