Новые детекторы НАСА могут улучшить представление о гамма-излучении

Используя технологию, аналогичную той, что используется в камерах смартфонов, ученые НАСА разрабатывают модернизированные датчики, позволяющие раскрывать более подробную информацию о вспышках черных дыр и взрывающихся звездах. При этом они менее энергозатратны и их легче производить в массовом порядке, чем детекторы, используемые сегодня.

«Когда вы думаете о черных дырах, активно разрушающих звезды, или о нейтронных звездах, взрывающихся и создающих действительно высокоэнергетические вспышки света, вы наблюдаете самые экстремальные события во Вселенной», — сказала астрофизик-исследователь доктор Регина Капуто. «Чтобы наблюдать эти события, вам нужно взглянуть на форму света с самой высокой энергией: гамма-лучи.

Капуто возглавляет группу по разработке приборов под названием AstroPix в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Кремниевые пиксельные датчики в AstroPix, которые все еще находятся в разработке и тестировании, напоминают полупроводниковые датчики, которые позволяют камерам смартфонов быть такими маленькими.

«Гамма-лучи, как известно, сложно измерить из-за того, как входящая частица взаимодействует с вашим детектором», — сказала доктор Аманда Стейнхебель, научный сотрудник постдокторской программы НАСА, работающая с Капуто.

Гамма-лучи — это волны света с большей энергией, чем ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, а их фотоны действуют скорее как частицы, чем как волны. «Вместо того, чтобы просто поглощаться датчиком, как видимый свет», — сказал Штайнхебель, — «гамма-лучи отражаются повсюду».

Гамма-всплески — самые яркие взрывы в космосе. Астрономы полагают, что большинство из них происходит, когда в ядре массивной звезды заканчивается ядерное топливо, он сжимается под собственным весом и образует черную дыру, как показано на этой анимации. Затем черная дыра выбрасывает струи частиц, которые пронизывают коллапсирующую звезду почти со скоростью света. Эти струи пронизывают звезду, испуская рентгеновские и гамма-лучи (пурпурные), направляясь в космос. Затем они врезаются в материал, окружающий обреченную звезду, и создают многоволновое послесвечение, которое постепенно затухает. Чем ближе мы рассматриваем одну из этих струй, тем ярче она кажется. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Космический гамма-телескоп НАСА «Ферми», который изучает гамма-небо с 2008 года, решил проблему «отскока» в своем основном приборе, используя башни датчиков в форме полосок. Этот куб размером со стол, телескоп большой площади Ферми, сам по себе был новаторской технологией на момент запуска миссии.

Каждая полоска отображает удар гамма-излучения в одном измерении, а слои полосок, ориентированные перпендикулярно друг другу, записывают второе измерение. Гамма-лучи генерируют каскад энергетических ударов через несколько слоев, создавая карту, указывающую на источник.

По словам Капуто, для космического телескопа, использующего датчики AstroPix, размером с сумку для гольфа потребуется вдвое меньше слоев, чем для технологии детектора на полосе Ферми.

«Проще определить, где именно взаимодействуют частицы», — сказал Штайнхебель, — «потому что вы просто определяете точку в сетке, с которой они взаимодействовали. Затем вы используете несколько слоев, чтобы буквально проследить пути, по которым частицы прошли через нее».

AstroPix может регистрировать гамма-лучи с более низкой энергией, чем современные технологии, объяснил Штайнхебель, потому что эти фотоны имеют тенденцию теряться, фильтруясь через несколько слоев полосового детектора. Их захват предоставит больше информации о том, что происходит во время кратковременных и энергичных событий. «Эти низкоэнергетические гамма-лучи наиболее распространены во время пиковой яркости всплесков», — объяснила она.

По словам Капуто, пиксельные детекторы также потребляют меньше электроэнергии для работы, что является важным преимуществом для будущих миссий, планирующих энергопотребление.

По ее словам, пиксельные кремниевые детекторы были проверены в экспериментах с ускорителями частиц, а их широкое использование и массовое производство для мобильных телефонов и цифровых камер делают их получение более простым и менее дорогим.

По словам Штайнхебеля, разработка различных прототипов на протяжении нескольких лет и наблюдение за тем, как AstroPix создает точные графики гамма-излучения, было воодушевляющим и чрезвычайно удовлетворительным.