Método para detectar matéria escura pode levar a uma melhor compreensão da evolução das galáxias
Detector baseado em SLAC TES montado no módulo de teste LEM. O plano focal de raios X seria montado diretamente acima do detector e cobriria a área hexagonal mostrada no centro. Crédito:Joshua Fuhrman/ Northwestern University Todo mundo adora um acordo de dois por um – até mesmo os físicos que procuram resolver questões não respondidas sobre o cosmos. Agora, os cientistas do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia estão tendo uma dupla:os detectores de partículas originalmente desenvolvidos para procurar matéria escura estão agora em posição de serem incluídos a bordo do Line Emission Mapper (LEM), um X baseado no espaço. Missão de sonda de raios proposta para a década de 2030.
Um dos principais objetivos do LEM é mapear as emissões de raios X das galáxias com uma precisão sem precedentes, num esforço para compreender melhor a formação de galáxias e a história do universo.
“Este seria um dos poucos sistemas de espectroscopia de alta resolução no espaço”, disse Chris Kenney, cientista sênior do SLAC. "Do ponto de vista tecnológico, a espectroscopia de raios X é de grande interesse para o SLAC. E ter a nossa tecnologia sendo usada acima da atmosfera é muito emocionante."
Acompanhamento da evolução galáctica
Galáxias e aglomerados de galáxias são os maiores objetos no espaço, e a compreensão de sua evolução ajudará os físicos a obter uma imagem mais clara da história do universo. Uma forma de os cientistas mapearem a evolução das galáxias é medindo os raios X provenientes de estrelas, supernovas e buracos negros dentro das galáxias e seus arredores.
Medir a direção e a intensidade desses raios X revela informações sobre a composição dos objetos que os emitem e, por sua vez, dá aos cientistas pistas sobre o que esses objetos têm feito ao longo das últimas dezenas de milhares de milhões de anos.
Conseguir isso requer instrumentos espaciais capazes de resolver as mais tênues linhas de emissão de raios X provenientes do meio circungaláctico, ou do halo de gás que envolve as galáxias, e do meio intergaláctico, ou do plasma entre as galáxias. A sonda também deve detectar raios X provenientes do halo gasoso da Via Láctea, mas de alguma forma filtrar todos os outros raios cósmicos.
Detectores de matéria escura ajudam
Felizmente para a equipe de desenvolvimento do LEM, os pesquisadores do SLAC já criaram a ferramenta perfeita para o trabalho:sensores supercondutores de borda de transição (TES) originalmente projetados para detectar matéria escura como parte da Pesquisa Criogênica de Matéria Escura (CDMS).
Esses sensores de película fina nanofabricados são calorímetros precisos que funcionam em temperaturas superbaixas. “Pegamos um projeto que usamos para um detector de matéria escura que é otimizado para uma resolução de energia muito, muito boa. Mas é bastante pequeno, então o espalhamos por uma área muito maior para obter a mesma cobertura que o plano focal de raios X. ”, disse Noah Kurinsky, cientista da equipe do SLAC.
Kurinsky e seus colegas do SLAC colaboraram com pesquisadores da Northwestern University, em Illinois, para chegar ao projeto perfeito para os TESs reaproveitados, que eles descreveram em um artigo recente publicado no Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems .
Matt Cherry, engenheiro da equipe do SLAC, fabrica esses sensores no SLAC há mais de uma década, mas após um hiato recente de dois anos na fabricação de TESs, ele gostou da oportunidade de construí-los novamente. “Por causa do CDMS, temos uma tecnologia realmente bem desenvolvida e estabelecida para a construção desses sensores, e já temos o processamento inativo”, disse ele. "Eu pensei:'Oh, isso é maravilhoso, eu adoraria fazer isso de novo', e era exatamente o que eles precisavam."
Para o LEM, o sensor baseado no projeto de Kurinsky fica atrás do detector de raios X da sonda e atua como um detector de fundo, mapeando a energia dos raios cósmicos que podem então ser subtraídos dos dados de raios X. "O objetivo era apenas marcar onde o raio cósmico vai dentro de uma região, mas como a resolução é tão boa, podemos realmente reconstruir a localização dos eventos na escala milimétrica, o que é muito legal", disse Kurinsky.
Sem esse mapeamento preciso dos raios cósmicos, os cientistas perdem 15% a 20% dos dados recolhidos porque o sinal é indistinguível, explicou ele. Mas o sensor construído pelo SLAC deve evitar a necessidade de eliminar quaisquer dados.
A equipe do SLAC enviou alguns sensores recém-fabricados ao Goddard da NASA para testes no final de 2023 e, até agora, eles superaram em muito as expectativas da equipe do LEM. “Eles estão emocionados”, disse Kurinsky. “A equipe do LEM nos deu uma lista de requisitos que eles queriam que atendêssemos, mas nosso sensor já é muito melhor que isso.”
Ele está otimista de que o sucesso desses sensores e esperançosamente que a missão LEM leve a novas colaborações com missões futuras. “Se pudermos demonstrar que isso funciona muito bem, então será um campo de crescimento potencial para nós”, disse Kurinsky. "Qualquer missão que use TESs para fazer a detecção de fótons também poderia integrar facilmente um deles."
Além disso, Kurinsky e seus colegas estão explorando como pilhas desses detectores poderiam ser implementadas em um futuro experimento de raios gama baseado no espaço.
Para Cherry, ajudar a projetar e fabricar um instrumento com o qual está intimamente familiarizado para um novo objetivo científico é incrivelmente gratificante. “Isso foi divertido e acabou sendo extremamente útil para outra pessoa”, disse ele. "Isso é algo que o SLAC prioriza bem. Construímos colaborações e realizamos projetos como esse porque é interessante e vale a pena ser feito."
