Нові детектори NASA можуть покращити огляд подій гамма-випромінювання

Використовуючи технологію, подібну до тієї, що є в камерах смартфонів, вчені NASA розробляють оновлені датчики, щоб розкривати більше деталей про спалахи чорних дір і вибухаючих зірок — при цьому вони менш енергоємні та легші для масового виробництва, ніж детектори, які використовуються сьогодні.

«Коли ви думаєте про чорні діри, які активно подрібнюють зірки, або про нейтронні зірки, які вибухають і створюють спалахи світла дійсно високої енергії, ви дивитесь на наекстремальніші події у Всесвіті», — сказала астрофізик-дослідник доктор Регіна Капуто. «Щоб спостерігати за цими подіями, вам потрібно подивитися на форму світла з найвищою енергією: гамма-промені».

Капуто очолює роботу з розробки приладів під назвою AstroPix у Центрі космічних польотів імені Годдарда НАСА в Грінбелті, штат Меріленд. Кремнієві піксельні датчики в AstroPix, які все ще перебувають у стадії розробки та тестування, нагадують напівпровідникові датчики, які дозволяють камерам смартфонів бути такими маленькими.

«Відомо, що гамма-промені важко виміряти через те, як вхідна частинка взаємодіє з вашим детектором», — сказала доктор Аманда Штайнхебель, співробітник програми постдокторської підготовки NASA, яка працює з Капуто.

Гамма-промені мають довжину хвилі світла з більшою енергією, ніж ультрафіолетове та рентгенівське випромінювання, а їхні фотони діють більше як частинки, ніж як хвилі. «Замість того, щоб просто поглинатися датчиком, як видиме світло, — сказав Штайнхебель, — гамма-промені відбиваються навколо».

Космічний гамма-телескоп NASA Fermi, який вивчає гамма-небо з 2008 року, вирішив проблему «відскоку» в своєму основному інструменті за допомогою веж датчиків у формі стрічки. Цей куб розміром зі стіл, великий телескоп Фермі, сам по собі був новаторською технологією на момент запуску місії.

Кожна смуга відображає гамма-випромінювання в одному вимірі, тоді як шари смуг, орієнтованих перпендикулярно одна до одної, записують другий вимір. Гамма-промені створюють каскад енергетичних ударів через кілька шарів, створюючи карту, що вказує на джерело. 

За словами Капуто, прилад космічного телескопа, який використовує датчики AstroPix, розміром із сумку для гольфу потребував би вдвічі менше шарів, ніж технологія детектора стрічки Фермі.  

«Легше визначити, де саме взаємодіють частинки, — сказав Штайнхебель, — тому що ви просто визначаєте точку в сітці, з якою вони взаємодіяли. Потім ви використовуєте кілька шарів, щоб буквально простежити шляхи, якими крізь них пройшли частинки».

Штейнхебель пояснив, що AstroPix може записувати гамма-промені нижчої енергії, ніж сучасна технологія, оскільки ці фотони, як правило, губляться, фільтруючись крізь кілька шарів стрічкового детектора. Їх захоплення дасть більше інформації про те, що відбувається під час короткочасних, енергійних подій. «Ці низькоенергетичні гамма-промені найчастіше зустрічаються під час пікової яскравості спалаху», — пояснила вона.

Піксельні детектори також споживають менше електроенергії для роботи, сказав Капуто, що є головною перевагою для майбутніх місій, які планують споживання енергії. Піксельні кремнієві детектори були доведені в експериментах з прискорювачами частинок, сказала вона, і їхнє загальне використання та масове виробництво для стільникових телефонів і цифрових фотоапаратів робить їх легшим і менш дорогим для отримання.

Розробка різних прототипів протягом кількох років і спостерігання за створенням AstroPix точних графіків гамма-променів були захоплюючими та надзвичайно задоволеними, сказав Стейнхебель. Поки команда продовжує працювати над розробкою та вдосконаленням своєї технології, Капуто сказав, що наступним кроком буде запуск технології на короткому польоті ракети для подальшого тестування над атмосферою Землі. Вони сподіваються принести користь майбутній гамма-місії, призначеній для подальшого вивчення подій високої енергії у Всесвіті.

«З цим ми можемо зробити таку класну науку», — сказав Капуто. «Я просто хочу, щоб це сталося»