Uno degli obiettivi principali del LEM è mappare le emissioni di raggi X delle galassie con una precisione senza precedenti, nel tentativo di comprendere meglio la formazione delle galassie e la storia dell'universo.

"Questo sarebbe uno dei pochi sistemi di spettroscopia ad alta risoluzione nello spazio", ha affermato Chris Kenney, scienziato senior dello SLAC. "Da un punto di vista tecnologico, la spettroscopia a raggi X è di grande interesse per SLAC. E vedere la nostra tecnologia utilizzata al di sopra dell'atmosfera è molto entusiasmante."

Monitorare l'evoluzione galattica

Le galassie e gli ammassi di galassie sono gli oggetti più grandi nello spazio e comprendere la loro evoluzione aiuterà i fisici a ottenere un quadro più chiaro della storia dell'universo. Un modo in cui gli scienziati potrebbero essere in grado di mappare l'evoluzione delle galassie è misurare i raggi X provenienti da stelle, supernove e buchi neri all'interno delle galassie e nei loro dintorni.

Misurare la direzione e l'intensità di questi raggi X rivela informazioni sulla composizione degli oggetti che li emettono e, a sua volta, fornisce agli scienziati indizi su cosa hanno fatto quegli oggetti nelle ultime decine di miliardi di anni.

Per raggiungere questo obiettivo sono necessari strumenti spaziali in grado di risolvere le più deboli linee di emissione di raggi X provenienti dal mezzo circumgalattico, o l’alone di gas che circonda le galassie, e dal mezzo intergalattico, o il plasma tra le galassie. La sonda deve anche rilevare i raggi X provenienti dall'alone di gas della Via Lattea, ma in qualche modo filtrare tutti gli altri raggi cosmici.

I rilevatori di materia oscura danno una mano

Fortunatamente per il team di sviluppo LEM, i ricercatori di SLAC hanno già creato lo strumento perfetto per questo lavoro:sensori superconduttori del bordo di transizione (TES) originariamente progettati per rilevare la materia oscura come parte della Cryogenic Dark Matter Search (CDMS).

Questi sensori a film sottile nanofabbricati sono calorimetri precisi che funzionano a temperature estremamente fredde. "Abbiamo preso un progetto che abbiamo utilizzato per un rilevatore di materia oscura che è ottimizzato per una risoluzione energetica davvero, davvero buona. Ma è abbastanza piccolo, quindi lo abbiamo distribuito su un'area molto più ampia per ottenere la stessa copertura del piano focale dei raggi X. ," ha detto Noah Kurinsky, uno scienziato dello SLAC.

Kurinsky e i suoi colleghi dello SLAC hanno collaborato con i ricercatori della Northwestern University in Illinois per ideare il progetto perfetto per i TES riproposti, che hanno descritto in un recente articolo pubblicato sul Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems .

Matt Cherry, un ingegnere dello staff di SLAC, fabbrica questi sensori presso SLAC da più di un decennio, ma dopo una recente pausa di due anni dalla fabbricazione di TES, ha accolto con favore la possibilità di costruirli di nuovo. "Grazie al CDMS, disponiamo di una tecnologia davvero ben sviluppata e consolidata per la costruzione di questi sensori e abbiamo già completato l'elaborazione", ha affermato. "Ho pensato:'Oh, è meraviglioso, mi piacerebbe rifarlo' ed era esattamente ciò di cui avevano bisogno."

Per LEM, il sensore basato sul progetto di Kurinsky si trova dietro il rilevatore di raggi X della sonda e agisce come un rilevatore di fondo, mappando l'energia dei raggi cosmici che può quindi essere sottratta dai dati dei raggi X. "L'obiettivo era semplicemente quello di individuare la direzione in cui si dirige il raggio cosmico all'interno di una regione, ma poiché la risoluzione è così buona, possiamo effettivamente ricostruire la posizione degli eventi su scala millimetrica, il che è davvero interessante", ha affermato Kurinsky.

Senza una mappatura così precisa dei raggi cosmici, gli scienziati perdono il 15-20% dei dati raccolti perché il segnale è indistinguibile, ha spiegato. Ma il sensore SLAC costruito dovrebbe evitare la necessità di eliminare qualsiasi dato.

Il team SLAC ha spedito alcuni sensori appena fabbricati alla NASA Goddard per i test verso la fine del 2023 e finora hanno superato di gran lunga le aspettative del team LEM. "Sono entusiasti", ha detto Kurinsky. "Il team LEM ci ha fornito un elenco di requisiti che voleva che soddisfacessimo, ma il nostro sensore è già molto migliore di così."

È ottimista sul fatto che il successo di questi sensori e, si spera, la missione LEM porti a nuove collaborazioni con missioni future. "Se riusciamo a dimostrare che funziona davvero bene, allora per noi è un potenziale campo di crescita", ha affermato Kurinsky. "Qualsiasi missione che utilizzi i TES per effettuare il rilevamento dei fotoni potrebbe facilmente integrarne uno."

Inoltre, Kurinsky e i suoi colleghi stanno studiando come implementare pile di questi rilevatori in un futuro esperimento sui raggi gamma basato nello spazio.

Per Cherry, aiutare a progettare e fabbricare uno strumento con cui ha molta familiarità per un nuovo obiettivo scientifico è incredibilmente gratificante. "È stato divertente e si è rivelato estremamente utile per qualcun altro", ha detto. "SLAC fa un buon lavoro nel dare priorità a questo aspetto. Costruiamo collaborazioni e realizziamo progetti come questo perché è interessante e vale la pena farlo."