Test recenti hanno dimostrato che ultrasottili, specchi a raggi X leggeri realizzati con un materiale comunemente usato per realizzare chip per computer possono soddisfare i severi requisiti di imaging degli osservatori a raggi X di prossima generazione.

Di conseguenza, la tecnologia dello specchio a raggi X sviluppata da Will Zhang e dal suo team presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, è stato definito come baseline per la Design Reference Mission del concettuale Lynx X-ray Observatory, una delle quattro potenziali missioni che gli scienziati hanno valutato come attività meritevoli nell'ambito del Decadal Survey for Astrophysics del 2020.

Se selezionato e infine lanciato negli anni 2030, Lynx potrebbe letteralmente trasportare decine di migliaia di segmenti dello specchio di Zhang, che offrirebbe un salto di due ordini di grandezza nella sensibilità rispetto all'osservatorio a raggi X Chandra di punta della NASA e all'Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics dell'Agenzia spaziale europea, o Atena. La stessa Chandra ha offerto un significativo salto di capacità quando è stata lanciata nel 1999. Può osservare sorgenti di raggi X:stelle esplose, ammassi di galassie, e la materia intorno ai buchi neri, 100 volte più debole di quelli osservati dai precedenti telescopi a raggi X.

In un altro sviluppo, Zhang e il suo team si sono assicurati un'opportunità di volo a breve termine a bordo di una missione missilistica sonda prevista per il 2021. Questa rappresenterebbe la prima dimostrazione della tecnologia nello spazio.

Sforzo di sviluppo di sette anni

Lo sforzo per sviluppare la nuova ottica è iniziato sette anni fa, quando Zhang ha iniziato a sperimentare con il silicio monocristallino, un silicio monocristallino che non era mai stato utilizzato prima per creare specchi a raggi X. Queste ottiche appositamente fabbricate devono essere curvate e annidate all'interno di un contenitore di forma cilindrica in modo che i fotoni di raggi X altamente energetici sfiorino le loro superfici e si riflettano negli strumenti di un osservatorio anziché attraversarli.

Il suo obiettivo, dato il costo della costruzione di osservatori spaziali, che aumentano di prezzo solo quando diventano più grandi e più pesanti - doveva svilupparsi facilmente riproducibile, leggero, specchi super sottili, senza rinunciare alla qualità.

"Ciò che abbiamo fatto è dimostrato da una prospettiva scientifica ed empiricamente che queste ottiche possono essere costruite" utilizzando un economico, materiale abbondantemente disponibile e immune dalle sollecitazioni interne che possono modificare la forma degli specchi a raggi X in vetro, il più tradizionale materiale per specchiere, ha detto Zhang.

Le recensioni condotte da un gruppo di 40 esperti commissionato dalla NASA hanno ritenuto che l'ottica di Zhang fosse fatta di fragili, materiale di silicio altamente stabile sono in grado di fornire la stessa qualità di immagine delle quattro coppie di specchi più grandi e più pesanti che volano su Chandra. Il panel ha anche ritenuto che altre due tecnologie, specchi a guscio intero e ottica regolabile, fossero in grado di soddisfare i requisiti del concettuale Lynx Observatory.

Gli specchi di Zhang non solo potevano fornire una risoluzione di 0,5 secondi d'arco, paragonabile alla qualità dell'immagine offerta dalla televisione ad altissima definizione, ma soddisfacevano anche i requisiti di bassa massa di Zhang. Sono 50 volte più leggeri e più sottili di quelli di Chandra, ha detto Zhang. Ciò significa che i futuri osservatori potrebbero trasportare molti più specchi, creando un'area di raccolta più ampia per catturare i raggi X provenienti da fenomeni ad alta energia nell'universo.

Ora inizia la parte difficile

Ma Zhang ha detto che lui e la sua squadra sono ancora "lontani, lontano dal far volare la nostra ottica."

Lui e il suo team di ingegneri ora devono capire come incollare questi fragili segmenti di specchi all'interno del contenitore, che protegge l'intero gruppo specchio durante il lancio di un razzo e mantiene il loro allineamento annidato.

"Abbiamo molto da fare, e non molto tempo per farlo, " ha detto Zhang. "Questa è ora una sfida ingegneristica".

Tempo è dell'essenza, Ha aggiunto. Solo due anni da oggi, Il team di Zhang deve consegnare un gruppo di specchi a 288 segmenti a Randall McEntaffer, un professore della Pennsylvania State University nello State College che sta sviluppando una missione missilistica chiamata Off-plane Grating Rocket Experiment, o OGRE, dovrebbe essere lanciato dal Wallops Flight Facility nel 2021. Oltre agli specchi, OGRE trasporterà uno spettrografo sviluppato dall'università dotato di reticoli di diffrazione dei raggi X di nuova generazione utilizzati per dividere la luce dei raggi X nei suoi colori o lunghezze d'onda componenti per rivelare la temperatura di un oggetto, trucco chimico, e altre proprietà fisiche.

OGRE farà molto per far avanzare l'assemblaggio dello specchio, Zhang ha aggiunto. La missione aiuterà a determinare se il design del team può proteggere il fragile nido di specchi dalle forze di lancio estreme sperimentate durante il decollo e l'ascesa attraverso l'atmosfera terrestre.

Altre opportunità disponibili

Zhang immagina un futuro brillante per l'ottica del team. Anche se Lynx non viene scelto per lo sviluppo dal Decadal Survey 2020, altre missioni proposte potrebbero trarre vantaggio, ha detto Zhang. Questi includono un paio di osservatori a raggi X ora oggetto di indagine come potenziali missioni astrofisiche di classe Probe e un altro ora considerato dai giapponesi.

"Cinque anni fa, la gente diceva che non si poteva fare, ma abbiamo dimostrato le nostre idee, " Zhang ha detto. "Il mio team è grato al programma di ricerca e sviluppo interno di Goddard per averci dato i soldi iniziali. Non avremmo potuto raggiungere questo obiettivo senza di essa.