Narzędzia do przechwytywania światła rentgenowskiego w przestrzeni kosmicznej stały się znacznie lżejsze

Zespół kierowany przez naukowców z Tokyo Metropolitan University stworzył bezprecedensową lekką optykę dla kosmicznych teleskopów rentgenowskich, przełamując tradycyjny kompromis między rozdzielczością kątową a wagą. Wykorzystali technologię Micro Electromechanical System (MEMS), tworząc skomplikowane wzory na płytkach krzemowych, które mogą kierować i zbierać promieniowanie rentgenowskie. Dzięki wyżarzaniu i polerowaniu zrealizowali ultra-drobne funkcje, które mogą konkurować z aktualnymi teleskopami za ułamek masy, a koszt uruchomienia jest znacznie niższy.

Astronomia rentgenowska jest ważnym narzędziem, które pomaga naukowcom badać i klasyfikować szeroką gamę ciał niebieskich, które emitują promieniowanie rentgenowskie i wchodzą z nim w interakcję, w tym naszą własną planetę. Ale jest pewien haczyk: większość promieni rentgenowskich jest pochłaniana przez naszą atmosferę, co oznacza, że ​​teleskopy i detektory muszą zostać wystrzelone w kosmos. Z tym wiąże się cały zestaw ograniczeń, w szczególności ciężar urządzenia.

Kluczową cechą wszystkich astronomicznych optyki obserwacyjnej jest rozdzielczość kątowa, czyli kąt, jaki dwa źródła światła mogą uzyskać za pomocą detektora i nadal być ustalane indywidualnie. Problem z konwencjonalną optyką rentgenowską polega na tym, że aby osiągnąć wyższą rozdzielczość, urządzenia stają się coraz cięższe. To sprawia, że ​​wystrzelenie w kosmos jest bardzo drogie. Nawet dla teleskopu Hitomi wprowadzonego na rynek w 2016 roku, który uważany jest za bardzo lekki, efektywna waga wynosiła 600 kg na metr kwadratowy efektywnej powierzchni.

Teraz zespół kierowany przez profesorów nadzwyczajnych Yoichiro Izue i Oto Fukushimę złamał ten kompromis, projektując wysokowydajną jednostkę, która waży zaledwie 10 kg na metr kwadratowy. Wykorzystali technologię systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), technologię zaprojektowaną do wytwarzania siłowników mikromechanicznych, aby tworzyć ostre, skomplikowane projekty w chipy krzemowe Potrafi kierować i zbierać zdjęcia rentgenowskie. Sam projekt jest zgodny z geometrią Woltera I dla obecnych teleskopów rentgenowskich, koncentrycznym zestawem szczelin przypominających pierścienie drzewa, które mogą przepychać nadchodzące promienie rentgenowskie przez wąski zakres kątów i gromadzić je w jednym punkcie.

Warto zauważyć, że zespół dopracował samą dekorację. Po wywierceniu pęknięć techniką zwaną głębokim wytrawianiem jonowym (DRIE) odkryli, że tam chropowatość powierzchni do wzorów, które mogą rozmazywać matrycę rentgenowską, skutecznie zmniejszając rozdzielczość. Naprawili model, stosując ciepło w specjalnym urządzeniu na niespotykanie długie okresy. Wraz z coraz dłuższym wyżarzaniem atomy krzemu na powierzchni wzorów były w stanie poruszać się bardziej okrągle, zaokrąglając wszelkie nierówności i poprawiając rozdzielczość kątowa podrzędny teleskop. Następnie przeprowadzono chemiczne szlifowanie i polerowanie w celu wyprostowania okrągłych krawędzi samych pęknięć.

Co ważne, wydajność zgłoszona przez zespół jest zgodna z wydajnością już istniejących teleskopów. Jego ciężar sprawia, że ​​szczególnie dobrze nadaje się do misji GEO-X, satelity zaprojektowanego do wizualizacji magnetosfery Ziemi. Zespół dąży do zadziwiająco niskiego ogólnego Waga 50 kg, przełom techniczny, który może wysłać przyszłe misje na orbitę przy niezmiernie niższych kosztach.

Wyniki ich badań zostały opublikowane w: Optix Express.

Prezentowane przez Tokyo Metropolitan University