Des tests récents ont montré que super-mince, des miroirs à rayons X légers faits d'un matériau couramment utilisé pour fabriquer des puces informatiques peuvent répondre aux exigences strictes en matière d'imagerie des observatoires à rayons X de la prochaine génération.

Par conséquent, la technologie de miroir à rayons X développée par Will Zhang et son équipe au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, a été conçu pour la mission de référence de conception de l'observatoire conceptuel Lynx à rayons X, l'une des quatre missions potentielles que les scientifiques ont jugées dignes d'intérêt dans le cadre de l'enquête décennale 2020 pour l'astrophysique.

S'il est sélectionné et finalement lancé dans les années 2030, Lynx pourrait littéralement transporter des dizaines de milliers de segments de miroir de Zhang, qui offrirait un saut de sensibilité de deux ordres de grandeur par rapport au vaisseau amiral Chandra X-ray Observatory de la NASA et au télescope avancé de l'Agence spatiale européenne pour l'astrophysique des hautes énergies, ou Athéna. Chandra lui-même a offert un saut de capacité significatif lors de son lancement en 1999. Il peut observer des sources de rayons X - des étoiles explosées, amas de galaxies, et la matière autour des trous noirs — 100 fois plus faible que celles observées par les précédents télescopes à rayons X.

Dans un autre développement, Zhang et son équipe ont obtenu une opportunité de vol à plus court terme à bord d'une mission de fusée-sonde prévue pour 2021. Cela représenterait la première démonstration de la technologie dans l'espace.

Effort de développement de sept ans

L'effort pour développer la nouvelle optique a commencé il y a sept ans lorsque Zhang a commencé à expérimenter avec du monocristallin, un silicium monocristallin qui n'avait jamais été utilisé auparavant pour créer des miroirs à rayons X. Ces optiques spécialement fabriquées doivent être incurvées et emboîtées dans un conteneur de forme cylindrique afin que les photons de rayons X hautement énergétiques frôlent leurs surfaces et se détournent vers les instruments d'un observatoire plutôt que de les traverser.

Son objectif, étant donné le coût de construction des observatoires spatiaux, dont le prix ne fait qu'augmenter à mesure qu'ils deviennent plus gros et plus lourds - devait se développer facilement reproductible, poids léger, miroirs ultra-minces, sans sacrifier la qualité.

"Ce que nous avons fait est montré d'un point de vue scientifique et empirique que ces optiques peuvent être construites" en utilisant un moyen peu coûteux, matériau disponible en abondance et insensible aux contraintes internes pouvant modifier la forme des miroirs à rayons X en verre, le matériau de fabrication de miroirs plus traditionnel, dit Zhang.

Des examens menés par un panel de 40 experts mandatés par la NASA ont estimé que l'optique de Zhang était constituée de les matériaux en silicium hautement stables sont capables de la même qualité d'image que les quatre paires de miroirs plus gros et plus lourds volant sur Chandra. Le panel a également estimé que deux autres technologies - les miroirs à coque complète et les optiques réglables - étaient capables de répondre aux exigences de l'observatoire conceptuel Lynx.

Non seulement les miroirs de Zhang pouvaient fournir une résolution de 0,5 seconde d'arc, comparable à la qualité d'image offerte par la télévision à ultra-haute définition, mais ils répondaient également aux exigences de faible masse de Zhang. Ils sont 50 fois plus légers et plus fins que ceux de Chandra, dit Zhang. Cela signifie que les futurs observatoires pourraient transporter beaucoup plus de miroirs, créer une zone de collecte plus grande pour capter les rayons X émanant de phénomènes de haute énergie dans l'univers.

Maintenant, la partie difficile commence

Mais Zhang a dit que lui et son équipe sont encore "loin, loin de voler nos optiques."

Lui et son équipe d'ingénieurs doivent maintenant trouver comment coller ces segments de miroir fragiles à l'intérieur de la cartouche, qui protège l'ensemble du miroir lors d'un lancement de fusée et maintient leur alignement imbriqué.

"Nous avons beaucoup à faire, et pas beaucoup de temps pour le faire, " a déclaré Zhang. "C'est maintenant un défi d'ingénierie."

Le temps presse, il ajouta. Dans seulement deux ans, L'équipe de Zhang doit livrer un ensemble miroir de 288 segments à Randall McEntaffer, professeur à la Pennsylvania State University à State College, qui développe une mission de fusée-sonde appelée Off-plane Grating Rocket Experiment, ou OGRE, devrait être lancé depuis le Wallops Flight Facility en 2021. En plus des miroirs, OGRE transportera un spectrographe développé par une université équipé de réseaux de diffraction des rayons X de nouvelle génération utilisés pour diviser la lumière des rayons X en ses couleurs ou longueurs d'onde composantes pour révéler la température d'un objet, maquillage chimique, et d'autres propriétés physiques.

OGRE fera beaucoup pour faire avancer l'assemblage du miroir, Zhang a ajouté. La mission aidera à déterminer si la conception de l'équipe peut protéger le fragile nid de miroirs des forces de lancement extrêmes subies lors du décollage et de l'ascension dans l'atmosphère terrestre.

Autres opportunités disponibles

Zhang envisage un avenir radieux pour l'optique de l'équipe. Même si Lynx n'est pas choisi pour le développement par l'enquête décennale 2020, d'autres missions proposées pourraient en bénéficier, dit Zhang. Il s'agit notamment de quelques observatoires à rayons X actuellement étudiés en tant que missions potentielles d'astrophysique de classe Sonde et un autre actuellement envisagé par les Japonais.

"Il y a cinq ans, les gens ont dit que cela ne pouvait pas être fait, mais nous avons prouvé nos idées, " a déclaré Zhang. " Mon équipe est reconnaissante envers le programme de recherche et développement interne de Goddard pour nous avoir donné le capital de départ. Nous n'aurions pas pu y parvenir sans cela.