Metode til at opdage mørkt stof kunne føre til en bedre forståelse af galakseudviklingen

Alle elsker en to-til-en-aftale - selv fysikere, der ønsker at tackle ubesvarede spørgsmål om kosmos. Nu får forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory netop sådan en tofer:Partikeldetektorer, der oprindeligt blev udviklet til at lede efter mørkt stof, er nu i stand til at blive inkluderet ombord på Line Emission Mapper (LEM), en rumbaseret X -ray-sondemission foreslået til 2030'erne.

Et af de primære mål med LEM er at kortlægge røntgenstrålingen fra galakser med hidtil uset præcision i et forsøg på bedre at forstå galaksedannelsen og universets historie.

"Dette ville være et af de få virkelig højopløselige spektroskopisystemer i rummet," sagde Chris Kenney, seniorforsker ved SLAC. "Fra et teknologisk perspektiv er røntgenspektroskopi af stor interesse for SLAC. Og det er meget spændende at få vores teknologi brugt over atmosfæren."

Sporing af galaktisk udvikling

Galakser og galaksehobe er de største objekter i rummet, og forståelsen af ​​deres udvikling vil hjælpe fysikere med at få et klarere billede af universets historie. En måde, forskerne kan være i stand til at kortlægge galakseudviklingen på, er at måle røntgenstråler, der kommer fra stjerner, supernovaer og sorte huller i galakser og deres omgivelser.

Måling af retningen og intensiteten af ​​disse røntgenstråler afslører information om sammensætningen af ​​de genstande, der udsender dem, og giver til gengæld videnskabsmænd fingerpeg om, hvad disse objekter har været ude for i løbet af de seneste titusinder af år.

For at opnå dette kræver rumbaserede instrumenter, der er i stand til at opløse de svageste røntgenstråleemissionslinjer, der kommer fra det cirkumgalaktiske medium, eller haloen af ​​gas, der omgiver galakser, og det intergalaktiske medium eller plasmaet mellem galakser. Sonden skal også detektere røntgenstråler, der kommer fra Mælkevejens gashalo, men på en eller anden måde filtrere alle andre kosmiske stråler fra.

Mørkt stofdetektorer hjælper med

Heldigvis for LEM-udviklingsteamet har forskere hos SLAC allerede skabt det perfekte værktøj til jobbet:superledende overgangskantsensorer (TES), der oprindeligt er designet til at detektere mørkt stof som en del af Cryogenic Dark Matter Search (CDMS).

Disse nanofabrikerede tyndfilmssensorer er præcise kalorimetre, der fungerer ved superkolde temperaturer. "Vi tog et design, som vi brugte til en mørk stofdetektor, der er optimeret til rigtig, rigtig god energiopløsning. Men den er ret lille, så vi spredte den ud over et meget større område for at opnå samme dækning som røntgenbrændplanet ," sagde Noah Kurinsky, en stabsforsker ved SLAC.

Kurinsky og hans kolleger ved SLAC samarbejdede med forskere ved Northwestern University i Illinois for at finde frem til det perfekte design til de genbrugte TES'er, som de beskrev i et nyligt papir offentliggjort i Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems i> .

Matt Cherry, en stabsingeniør hos SLAC, har fremstillet disse sensorer hos SLAC i mere end et årti, men efter to års pause fra fremstillingen af ​​TES'er, glædede han sig over chancen for at bygge dem igen. "På grund af CDMS har vi denne virkelig veludviklede, veletablerede teknologi til at bygge disse sensorer, og vi har allerede forarbejdningen nede," sagde han. "Jeg tænkte, 'Åh, det er vidunderligt, jeg ville elske at gøre det igen', og det var præcis, hvad de havde brug for."

For LEM sidder sensoren baseret på Kurinskys design bag sondens røntgendetektor og fungerer som en baggrundsdetektor, der kortlægger energi fra kosmiske stråler, der så kan trækkes fra røntgendataene. "Målet var bare at mærke, hvor den kosmiske stråle går inden for en region, men fordi opløsningen er så god, kan vi faktisk rekonstruere placeringen af ​​begivenheder til millimeterskalaen, hvilket er virkelig fedt," sagde Kurinsky.

Uden en sådan præcis kortlægning af kosmisk stråle mister forskerne 15-20% af de indsamlede data, fordi signalet ikke kan skelnes, forklarede han. Men den indbyggede sensor SLAC burde forhindre behovet for overhovedet at eliminere data.

SLAC-teamet sendte et par nyfremstillede sensorer til NASA Goddard til test mod slutningen af ​​2023, og indtil videre har de langt overgået LEM-teamets forventninger. "De er begejstrede," sagde Kurinsky. "LEM-teamet gav os en liste over krav, de ønskede, at vi skulle opfylde, men vores sensor er allerede så meget bedre end det."

Han er optimistisk over, at disse sensorers succes og forhåbentlig LEM-missionen fører til nye samarbejder med fremtidige missioner. "Hvis vi kan demonstrere, at dette fungerer rigtig godt, så er det et potentielt vækstfelt for os," sagde Kurinsky. "Enhver mission, der bruger TES'er til at udføre deres fotondetektion, kunne også nemt integrere en af ​​disse."

Derudover undersøger Kurinsky og hans kolleger, hvordan stakke af disse detektorer kan implementeres i et fremtidigt rumbaseret gammastråleeksperiment.

For Cherry er det utroligt glædeligt at hjælpe med at designe og fremstille et instrument, han er fortrolig med til et nyt videnskabeligt mål. "Dette var sjovt, og det viste sig at være enormt nyttigt for en anden," sagde han. "Det er noget SLAC gør et godt stykke arbejde med at prioritere. Vi bygger samarbejder og laver projekter som dette, fordi det er interessant, og det er værd at gøre."

Flere oplysninger: Stephen J. Smith et al., Udvikling af mikrokalorimeter og antikoincidensdetektor til Line Emission Mapper X-ray sonde, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments and Systems (2023). DOI:10.1117/1.JATIS.9.4.041005

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory