Nel 2031, L'ESA lancia il suo nuovo telescopio spaziale a raggi X Athena. Lo SRON Netherlands Institute for Space Research svolge un ruolo importante nella costruzione di uno dei suoi due strumenti, lo spettrometro X-IFU, producendo la telecamera più i rilevatori di backup. Gli scienziati SRON hanno ora sviluppato con successo rivelatori ottimizzati per una lettura basata su un sistema speciale chiamato Frequency Domain Multiplexing. Hanno stabilito un nuovo record mondiale di risoluzione energetica a 6 keV di 1,3 eV.

Dalla sua orbita intorno al Sole, 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, Athena mapperà le strutture di gas caldo nell'Universo e studierà l'evoluzione dei buchi neri supermassicci. Per questo ha bisogno di misurare i loro spettri con una risoluzione senza precedenti. Per realizzare questo, utilizza sensori di transizione superconduttori (TES) operanti a una temperatura di 50 millikelvin, che può determinare l'energia dei singoli fotoni. Quando un fotone colpisce un sensore, si riscalda proporzionalmente all'energia del fotone. Questo riduce lo stato di superconduzione e la telecamera legge una corrente più piccola del solito, ancora in proporzione.

Ma leggere una corrente non è così facile come sembra. Lo sviluppo di un sistema di lettura rapido e affidabile è in realtà una delle maggiori sfide per lo strumento X-IFU di Athena. Ha bisogno di leggere 3000 pixel evitando aumenti di temperatura per lo strumento superiori al millesimo di grado. Sistemi di lettura convenzionali, basato sul cosiddetto Time Domain Multiplexing (TDM), hanno un amplificatore per pixel che deve accendersi e spegnersi in sequenza. Per la catena di rilevamento di backup, SRON sta sviluppando una lettura basata su Frequency Domain Multiplexing (FDM), dove è richiesto un solo amplificatore per quaranta pixel. Il team ha ora ottimizzato con successo la geometria TES per ridurre al minimo il comportamento indesiderato che va di pari passo con una lettura FDM ed è causato da un'impedenza non lineare attraverso il TES.

Questo è il risultato di un intenso studio della fisica del rivelatore, guidato da Luciano Gottardi (SRON) in collaborazione con i colleghi della NASA-Goddard. I principali collaboratori sono Kenichiro Nagayoshi, chi ha fabbricato i dispositivi litografici, Martin de Wit ed Emanuele Taralli, che ha ottimizzato l'hardware per ogni round di test ed eseguito i test, e Marcel Ridder, che ha svolto un ruolo cruciale nella camera bianca per far fluire il processo. Sono supportati da altri membri del team SRON, coordinato da Jian-Rong Gao.

Dopo molti giri di prova, il team ha perfezionato il design del rivelatore e la lettura verso una risoluzione spettrale da record mondiale di 1,3 eV a 6 keV. "Ma soprattutto, abbiamo una buona comprensione della fisica dietro di esso, " afferma Nagayoshi. "Ciò significa che siamo fiduciosi di poter raggiungere una risoluzione sempre più elevata. Nel 2018 abbiamo iniziato a 3.5 eV e ora siamo a 1.3 eV. Non abbiamo motivo di credere che si fermi qui".

Gottardi conclude, "Ci troviamo in una felice combinazione di buone idee, brave persone e buone strutture a SRON. Le persone nella camera bianca aggiornano rapidamente i dispositivi e possiamo testarli rapidamente e fornire immediatamente un feedback. È un ciclo regolare".