Micrografia elettronica della sezione trasversale attraverso un reticolo CAT che mostra i nanospecchi atomicamente lisci (a sinistra), e un reticolo CAT testato largo 32 mm rivestito di platino mediante deposizione di strati atomici (a destra). Credito:R. Heilmann, MIT, e A. Bruccoleri, Izenti, LLC
La tecnologia dell'ottica a raggi X è progredita in modo tale che i futuri osservatori a raggi X di astrofisica avranno prestazioni di ordini di grandezza migliori rispetto agli osservatori esistenti come l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA. La spettroscopia a raggi X molli ad alta risoluzione offre osservazioni particolarmente utili che possono fornire informazioni sull'evoluzione della struttura su larga scala nell'universo, condizioni vicino ai buchi neri, atmosfere stellari, e altro ancora.
Gli spettrometri che impiegano nuovi reticoli di raggi X a trasmissione ad angolo critico (CAT) promettono potere di risoluzione spettrale, R, fino a 5000, almeno 5-10 volte quello degli strumenti attuali. Nel 2016, un team sponsorizzato da SMD ha prodotto e dimostrato con successo questa nuova tecnologia. Un alto potere risolutivo, spettrometro a reticolo per obiettivi a raggi X morbidi per l'impiego nello spazio richiede un'ottica di messa a fuoco leggera con un'ottima risoluzione angolare e reticoli in grado di disperdere i raggi X agli angoli più grandi possibili con alta efficienza e aberrazioni minime. La realizzazione dell'impegnativo progetto della griglia CAT ha richiesto quasi un decennio di sviluppo e innovazioni nella tecnologia avanzata di nanofabbricazione, inclusi modelli, incisione e deposizione a livello atomico. Dimostrare questa capacità in laboratorio è stato impegnativo, però, e richiedeva una combinazione di processi di nanofabbricazione all'avanguardia unici e hardware di test come una lunga linea di raggi X e una sorgente spettrale stretta.
Le future missioni a raggi X che impiegano questa tecnologia forniranno spettroscopia di assorbimento ed emissione notevolmente migliorata di sorgenti astrofisiche ad alta energia come venti di buchi neri e gas caldo nella rete cosmica. Ulteriori potenziali applicazioni per i reticoli CAT includono spettrografi per osservazioni dell'eliosfera, ottiche per impianti a raggi X ad alta potenza, e filtri per misurazioni di particelle neutre nella magnetosfera terrestre.
Reticolo CAT recente di grande area accanto a una moneta da un quarto degli Stati Uniti. Credito:R. Heilmann, MIT, e A. Bruccoleri, Izenti, LLC
Nel 2016, tre istituzioni hanno collaborato per produrre e dimostrare questa nuova tecnologia. Lo Space Nanotechnology Lab del Massachusetts Institute of Technology (MIT) Kavli Institute ha fornito reticoli CAT in silicio ad altissimo rapporto di aspetto con periodo di 200 nm rivestiti con un sottile strato di platino che ha consentito la diffrazione ad angoli fino a 18 volte più grandi di quelli supportati dagli spettrometri Chandra. Il Marshall Space Flight Center Stray Light Facility, lungo 100 m, fungeva da linea di fascio, e il gruppo di ottica a raggi X presso il Goddard Space Flight Center ha fornito un'ottica di messa a fuoco leggera ad alta risoluzione. L'analisi preliminare di questa dimostrazione ha mostrato R molto superiore a 10, 000 - ritenuto un record mondiale per la spettroscopia a reticolo nella banda dei raggi X. La tecnologia delle griglie CAT continua ad essere perfezionata per ottenere una maggiore efficienza e griglie più grandi. Questa tecnologia è attualmente proposta per l'uso su una missione satellitare Explorer denominata Arcus e studiata per un potenziale utilizzo nel concetto di missione Lynx, un potenziale successore di Chandra nel prossimo decennio.
