Utilizzando una tecnologia simile a quella che si trova nelle fotocamere degli smartphone, gli scienziati della NASA stanno sviluppando sensori aggiornati per rivelare maggiori dettagli sulle esplosioni di buchi neri e sulle stelle che esplodono, il tutto pur essendo meno assetati di energia e più facili da produrre in serie rispetto ai rivelatori usati oggi.
Tutte e tre le versioni dei chip sensore AstroPix sono in mostra dalla più vecchia a sinistra alla versione 3 a destra. La versione tre, che ha iniziato i test nell’aprile 2023, ha pixel più grandi e funzionalità migliorate. Il team Astropix di Goddard comprende membri di tutto il mondo che lavorano insieme per sviluppare e testare un rilevatore di raggi gamma di nuova generazione. Credito immagine: Regina Caputo / NASA
“Quando pensi ai buchi neri che distruggono attivamente le stelle, o alle stelle di neutroni che esplodono e creano esplosioni di luce ad alta energia, stai osservando gli eventi più estremi nell’universo”, ha detto l’astrofisica ricercatrice dott.ssa Regina Caputo.
“Per osservare questi eventi, devi guardare il forma di luce a più alta energia: i raggi gamma.”
Caputo guida uno sforzo di sviluppo di strumenti chiamato AstroPix presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. I sensori di pixel in silicio in AstroPix – ancora in fase di sviluppo e test – ricordano i sensori a semiconduttore che consentono alle fotocamere degli smartphone di essere così piccole.
“I raggi gamma sono notoriamente difficili da misurare a causa del modo in cui la particella in arrivo interagisce con il tuo rilevatore”, ha affermato la dott.ssa Amanda Steinhebel, una borsista del programma post-dottorato della NASA che lavora con Caputo.
I raggi gamma sono lunghezze d’onda della luce più energetiche dei raggi ultravioletti e X, ei loro fotoni agiscono più come particelle che come onde. “Invece di essere semplicemente assorbiti da un sensore come la luce visibile”, ha detto Steinhebel, “i raggi gamma rimbalzano tutt’intorno”.
In un’applicazione pratica come la progettazione di questo strumento di test per razzi sonori, un osservatorio di raggi gamma utilizzerebbe più strati di sensori Astropix, che potrebbero quindi tracciare una traiettoria di particelle tridimensionali attraverso una serie di rilevatori bidimensionali pixelati. Crediti: Regina Caputo / NASA
Il telescopio spaziale Fermi Gamma-ray della NASA, che studia il cielo dei raggi gamma dal 2008, ha risolto il problema del “rimbalzo” nel suo strumento principale utilizzando torri di sensori a forma di striscia. Questo cubo delle dimensioni di un tavolo, il Large Area Telescope di Fermi, era esso stesso una tecnologia rivoluzionaria quando la missione è stata lanciata.
Ogni striscia mappa un raggio gamma in una singola dimensione, mentre strati di strisce orientate perpendicolarmente tra loro registrano la seconda dimensione. I raggi gamma generano una cascata di colpi energetici attraverso più stratifornendo una mappa che punta alla fonte.
Circa le dimensioni di una sacca da golf, uno strumento telescopio spaziale che utilizza sensori AstroPix richiederebbe la metà degli strati rispetto alla tecnologia del rivelatore a strisce Fermi, ha affermato Caputo.
“È più facile dire esattamente dove interagiscono le particelle”, ha detto Steinhebel, “perché basta identificare il punto nella griglia con cui ha interagito. Quindi usi più livelli per tracciare letteralmente i percorsi che le particelle hanno preso attraverso di esso.
Concetto artistico del telescopio spaziale Fermi. Credito immagine: NASA.
AstroPix potrebbe registrare raggi gamma a energia inferiore rispetto alla tecnologia attuale, ha spiegato Steinhebel, perché questi fotoni tendono a perdersi filtrando attraverso i molteplici strati di un rivelatore a strisce. Catturarli fornirebbe maggiori informazioni su ciò che accade durante eventi energetici di breve durata.
“Questi raggi gamma a bassa energia sono più comuni durante il picco di luminosità del burst”, ha spiegato.
I rilevatori di pixel consumano anche meno elettricità per funzionare, ha affermato Caputo, un grande vantaggio per le future missioni che pianificano il loro consumo energetico.
Ha detto che i rilevatori di silicio pixelati sono stati provati in esperimenti con acceleratori di particelle e il loro uso comune e la produzione di massa per telefoni cellulari e fotocamere digitali li rendono più facili e meno costosi.
Sviluppare diversi prototipi nel corso di diversi anni e vedere AstroPix creare grafici accurati della luce dei raggi gamma è stato esaltante ed estremamente soddisfacente, ha affermato Steinhebel.
Mentre il team continua a sviluppare e migliorare la sua tecnologia, Caputo ha affermato che il prossimo passo sarebbe lanciare la tecnologia su un volo a razzo dal suono breve per ulteriori test sopra l’atmosfera terrestre.
Sperano di trarre vantaggio da una futura missione di raggi gamma per studiare ulteriormente gli eventi dell’universo ad alta energia.
“Possiamo fare una scienza così interessante con questo”, ha detto Caputo. “Voglio solo vederlo accadere.”
Fonte: Amministrazione nazionale dell’aeronautica e dello spazio
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