Tout le monde aime les offres deux pour un, même les physiciens qui cherchent à résoudre des questions restées sans réponse sur le cosmos. Aujourd'hui, les scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie en ont droit :des détecteurs de particules initialement développés pour rechercher la matière noire sont désormais en mesure d'être inclus à bord du Line Emission Mapper (LEM), un X basé dans l'espace. Mission de sonde à rayons X proposée pour les années 2030.
L'un des principaux objectifs du LEM est de cartographier les émissions de rayons X des galaxies avec une précision sans précédent dans le but de mieux comprendre la formation des galaxies et l'histoire de l'univers.
"Ce serait l'un des rares systèmes de spectroscopie à très haute résolution dans l'espace", a déclaré Chris Kenney, scientifique principal au SLAC. "D'un point de vue technologique, la spectroscopie des rayons X présente un grand intérêt pour le SLAC. Et voir notre technologie utilisée au-dessus de l'atmosphère est très excitant."
Les galaxies et les amas de galaxies sont les plus grands objets de l'espace, et comprendre leur évolution aidera les physiciens à avoir une idée plus claire de l'histoire de l'univers. Une façon pour les scientifiques de cartographier l'évolution des galaxies est de mesurer les rayons X provenant des étoiles, des supernovas et des trous noirs dans les galaxies et leurs environs.
La mesure de la direction et de l'intensité de ces rayons X révèle des informations sur la composition des objets qui les émettent et, en retour, donne aux scientifiques des indices sur ce que ces objets ont fait au cours des dernières dizaines de milliards d'années.
Pour y parvenir, il faut des instruments spatiaux capables de détecter les plus faibles raies d’émission de rayons X provenant du milieu circumgalactique, ou du halo de gaz qui entoure les galaxies, et du milieu intergalactique, ou du plasma entre les galaxies. La sonde doit également détecter les rayons X provenant du halo gazeux de la Voie lactée, mais filtrer d'une manière ou d'une autre tous les autres rayons cosmiques.
Heureusement pour l'équipe de développement du LEM, les chercheurs du SLAC ont déjà créé l'outil parfait pour ce travail :des capteurs supraconducteurs à bords de transition (TES), initialement conçus pour détecter la matière noire dans le cadre de la recherche cryogénique de matière noire (CDMS).
Ces capteurs nanofabriqués à couches minces sont des calorimètres précis qui fonctionnent à des températures très froides. "Nous avons pris une conception que nous avons utilisée pour un détecteur de matière noire, optimisée pour une très très bonne résolution énergétique. Mais elle est assez petite, nous l'avons donc répartie sur une zone beaucoup plus grande pour obtenir la même couverture que le plan focal des rayons X. ", a déclaré Noah Kurinsky, un scientifique du SLAC.
Kurinsky et ses collègues du SLAC ont collaboré avec des chercheurs de l'Université Northwestern dans l'Illinois pour trouver la conception parfaite des TES réutilisés, qu'ils ont décrit dans un article récent publié dans le Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems .
Matt Cherry, ingénieur au SLAC, fabrique ces capteurs au SLAC depuis plus d'une décennie, mais après une récente interruption de deux ans dans la fabrication des TES, il s'est réjoui de l'opportunité de les reconstruire. "Grâce au CDMS, nous disposons d'une technologie très développée et bien établie pour la construction de ces capteurs, et nous avons déjà terminé le traitement", a-t-il déclaré. "Je me suis dit :'Oh, c'est merveilleux, j'adorerais refaire ça', et c'était exactement ce dont ils avaient besoin."
Pour LEM, le capteur basé sur la conception de Kurinsky se trouve derrière le détecteur de rayons X de la sonde et agit comme un détecteur de fond, cartographiant l'énergie des rayons cosmiques qui peut ensuite être soustraite des données de rayons X. "Le but était simplement de savoir où va le rayon cosmique dans une région, mais grâce à la très bonne résolution, nous pouvons réellement reconstruire l'emplacement des événements à l'échelle millimétrique, ce qui est vraiment cool", a déclaré Kurinsky.
Sans une cartographie aussi précise des rayons cosmiques, les scientifiques perdent 15 à 20 % des données collectées car le signal est indiscernable, a-t-il expliqué. Mais le capteur construit par SLAC devrait éviter de devoir éliminer la moindre donnée.
L'équipe du SLAC a expédié quelques capteurs nouvellement fabriqués à la NASA Goddard pour des tests vers la fin de 2023, et jusqu'à présent, ils ont largement dépassé les attentes de l'équipe du LEM. "Ils sont ravis", a déclaré Kurinsky. "L'équipe LEM nous a donné une liste d'exigences qu'elle souhaitait que nous respections, mais notre capteur est déjà bien meilleur que cela."
Il est optimiste que le succès de ces capteurs et, espérons-le, de la mission LEM conduisent à de nouvelles collaborations avec de futures missions. "Si nous pouvons démontrer que cela fonctionne vraiment bien, alors c'est un domaine de croissance potentiel pour nous", a déclaré Kurinsky. "Toute mission utilisant des TES pour effectuer leur détection de photons pourrait également facilement en intégrer un."
De plus, Kurinsky et ses collègues étudient comment des piles de ces détecteurs pourraient être mises en œuvre dans une future expérience spatiale de rayons gamma.
Pour Cherry, contribuer à la conception et à la fabrication d’un instrument qu’il connaît intimement pour un nouvel objectif scientifique est incroyablement gratifiant. "C'était amusant et cela s'est avéré extrêmement utile pour quelqu'un d'autre", a-t-il déclaré. "C'est quelque chose que le SLAC fait du bon travail pour prioriser. Nous construisons des collaborations et réalisons des projets comme celui-ci parce que c'est intéressant et que ça vaut la peine d'être fait."
Plus d'informations : Stephen J. Smith et al, Développement du microcalorimètre et du détecteur d'anticoïncidence pour la sonde à rayons X Line Emission Mapper, Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems (2023). DOI :10.1117/1.JATIS.9.4.041005
Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
