Röntgenstraling wordt uitgezonden door materie die heter is dan een miljoen Kelvin en hoge-resolutie röntgenspectroscopie kan ons iets vertellen over de samenstelling van de materie en hoe snel en in welke richting de materie beweegt. Kwantumcalorimeters openen dit nieuwe venster op het heelal. Het tijdperk van de kwantumcalorimeter in de röntgenastronomie, dat vier decennia geleden voor het eerst werd beloofd, is eindelijk aangebroken.
Een kwantumcalorimeter is een apparaat dat precieze metingen van energiequanta uitvoert door de temperatuurverandering te meten die optreedt wanneer een energiequantum in een absorber met een lage warmtecapaciteit wordt gedeponeerd. De absorber is bevestigd aan een thermometer die enigszins losgekoppeld is van een koellichaam zodat de sensor kan opwarmen en weer afkoelen. Om thermodynamische ruis en de warmtecapaciteit van de sensor te beperken, is werking bij temperaturen lager dan 0,1 K vereist. Het idee voor thermische meting van kleine hoeveelheden energie ontstond op verschillende plaatsen in de wereld onafhankelijk van elkaar toen wetenschappers pulsen waarnamen in de uitlezing van lage-temperatuurthermometers en infrarooddetectoren. Ze schreven deze ongewenste signalen toe aan passerende kosmische röntgendeeltjes en overwogen detectoren te optimaliseren voor gevoelige metingen van de energie van deeltjes en fotonen.
Het idee om zulke sensoren te ontwikkelen voor röntgenastronomie ontstond op het Goddard Space Flight Center in 1982, toen röntgenastronomen aan het nadenken waren over instrumenten die ze wilden voorstellen voor NASA's geplande Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF). In een noodlottig gesprek suggereerde infraroodastronoom Harvey Moseley dat thermische detectie een aanzienlijke verbetering zou kunnen bieden ten opzichte van de bestaande vastestofdetectoren. Met behulp van Goddard's interne financiering voor onderzoek en ontwikkeling, vorderde de ontwikkeling voldoende om slechts twee jaar later een quantum-calorimeter röntgenspectrometer (XRS) voor te stellen voor opname in AXAF. Ondanks de technische onvolwassenheid van de XRS op dat moment, werd het revolutionaire potentieel ervan erkend en werd het voorstel geaccepteerd.
Het ontwerp van AXAF evolueerde echter in de daaropvolgende jaren en de XRS werd verwijderd uit het instrumentarium. Na besprekingen tussen NASA en het Japanse Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) werd een nieuwe XRS opgenomen in de instrumentenset van het Japanse Astro-E röntgenobservatorium. Astro-E werd gelanceerd in 2000 maar bereikte zijn baan niet door een anomalie in de eerste trap van de raket. Astro-E2, een herbouw van Astro-E, werd in 2005 met succes in een baan om de aarde gebracht en omgedoopt tot Suzaku, maar het XRS-instrument stopte met werken voordat de waarnemingen begonnen door verlies van vloeibaar helium, een essentieel onderdeel van het koelsysteem van de detector, veroorzaakt door een defect opslagsysteem.
Een herontworpen missie, Astro-H, die een kwantumcalorimeterinstrument met een redundant koelsysteem bevatte, werd in 2016 met succes gelanceerd en kreeg de naam Hitomi. Hitomi's Soft X-ray Spectrometer (SXS) verkreeg hoge resolutie spectra van de Perseus cluster van sterrenstelsels en een paar andere bronnen voordat een probleem met het standregelsysteem ervoor zorgde dat de missie ongeveer een maand na de lancering verloren ging. Desondanks was Hitomi het eerste observatorium in een baan om de aarde dat wetenschappelijke resultaten behaalde met behulp van röntgenkwantumcorimeters. Het spectaculaire Perseus-spectrum dat door de SXS werd gegenereerd, motiveerde nog een poging om een quantum-calorimeter spectrometer in de ruimte te implementeren. De X-ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) werd gelanceerd in september 2023. De spectrometer aan boord kreeg de naam Resolve om niet alleen de functie ervan weer te geven, maar ook de vastberadenheid van de samenwerking tussen de VS en Japan om het heelal te bestuderen door het venster van deze nieuwe mogelijkheid. XRISM draait al meer dan een jaar goed in een baan om de aarde.
Ontwikkeling van de sensortechnologie
De ontwikkeling van de sensortechnologie die in Resolve wordt gebruikt begon vier decennia geleden.Merk op dat voor een röntgen-quantum-calorimetriespectrometer meer nodig is dan alleen de sensortechnologie. Andere technologieën, zoals de koelers die zorgen voor een koellichaam van <0,1 K, de filters die straling van lange golflengten blokkeren, de ruisarme uitleeselektronica en signaalverwerking, en de röntgenoptiek, zijn essentiële onderdelen van het instrument, maar de discussie in dit artikel beperkt zich tot de sensoren.
De sensoren die van XRS tot Resolve werden gebruikt, waren allemaal gebaseerd op thermometers met siliciumthermistor en röntgenabsorbers van kwik-telluride (HgTe). Ze gebruikten arrays bestaande uit 32 tot 36 pixels, die elk een onafhankelijke kwantumcalorimeter waren. Tussen Astro-E en Astro-E2 werd een nieuwe methode ontwikkeld om de thermistor te maken die de ruis bij lage frequenties aanzienlijk verminderde. Andere vorderingen in de fabricage maakten het mogelijk om reproduceerbare verbindingen te maken tussen absorbers en thermistors en om elke thermistor en zijn thermische isolatie onder zijn röntgenabsorber te plaatsen, waardoor vierkante arrays haalbaar werden.
Door middel van een Small Business Innovation Research (SBIR) contract, uitgevoerd na de Astro-E2 missie, verminderde EPIR Technologies Inc. de specifieke hitte van de HgTe absorbers. Door extra verbeteringen aan de koeler van het koellichaam van de detector kon bij een lagere temperatuur worden gewerkt, waardoor de specifieke warmte nog verder afnam. Samen maakten deze veranderingen het mogelijk om de pixelbreedte te vergroten van 0,64 mm tot 0,83 mm en toch een lagere warmtecapaciteit te bereiken, waardoor de energieresolutie verbeterde. Van Astro-E tot Astro-H verbeterde de energieresolutie voor röntgenstraling met een energie rond 6000 eV van 11 eV, naar 5,5 eV, naar 4 eV. Tussen Astro-H en XRISM werden geen wijzigingen aangebracht in het arrayontwerp.
In dezelfde periode werden andere benaderingen van kwantum-calorimeter arrays ontwikkeld die geoptimaliseerd waren voor de behoeften van toekomstige missies. Het gebruik van supergeleidende transition-edge sensoren (TES) in plaats van silicium (Si) thermistors leidde tot een verbeterde energieresolutie, meer pixels per array en multiplexing (een techniek die het mogelijk maakt om meerdere signalen over een enkele draad te transporteren). Kwantumcalorimeter-arrays met duizenden pixels zijn nu standaard, zoals in de NASA-bijdrage aan de toekomstige Europese New Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (newAthena) missie. En kwantumcalorimeters die gebruik maken van paramagnetische thermometers - die in tegenstelling tot TES en Si thermistors geen dissipatie van warmte in de thermometer nodig hebben om uitgelezen te worden - in combinatie met bedrading met hoge dichtheid zijn een veelbelovende route voor het realiseren van nog grotere arrays. (Zie Astrophysics Technology Highlight over deze nieuwste ontwikkelingen).
Het Resolve-instrument aan boord van XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission) ving gegevens op van het centrum
van sterrenstelsel NGC 4151, waar een superzwaar zwart gat langzaam materiaal uit de omringende accretieschijf opslokt.
Het resulterende spectrum onthult de aanwezigheid van ijzer in de piek rond 6,5 keV en de dips rond 7 keV, licht dat
duizenden keren energieker is dan wat onze ogen kunnen zien. Achtergrond: Een beeld van NGC 4151 opgebouwd
uit een combinatie van röntgen-, optisch en radiolicht - Foto: JAXA/NASA/XRISM Resolve
Resultaten van Resolve
Wat onthult Resolve over het heelal? Alleen al met behulp van spectroscopie kunnen we met Resolve beelden maken van complexe omgevingen waar verzamelingen gas en stof met verschillende eigenschappen bestaan die röntgenstraling uitzenden en absorberen met energieën die kenmerkend zijn voor hun verschillende samenstellingen, snelheden en temperaturen. Bijvoorbeeld, in het midden van het sterrenstelsel dat bekend staat als NCG 4151 (zie bovenstaande figuur), vormt de materie die naar het centrale massieve zwarte gat spiraalt een cirkelvormige structuur die vlak is in de buurt van het zwarte gat, meer donutvormig verder weg en, volgens de Resolve-gegevens, een beetje klonterig. De materie in de buurt van het zwarte gat wordt verhit tot röntgenstraling uitzendende temperaturen en bestraalt de materie in de cirkelvormige structuur. Het Resolve-spectrum heeft een heldere smalle emissielijn (piek) van neutrale ijzeratomen die afkomstig moet zijn van koudere materie in de cirkelstructuur, omdat hetere materie geïoniseerd zou zijn en een andere emissietekening zou hebben. Desalniettemin heeft de vorm van de ijzerlijn drie componenten nodig om hem te beschrijven, elk afkomstig van een andere brok in de cirkelvormige structuur. De aanwezigheid van absorptielijnen (dips) in het spectrum geeft meer details over de structuur van de infalling materie.
Een tweede voorbeeld is de detectie van röntgenstraling door Resolve uit de brokstukken van geëxplodeerde sterren, zoals N132D (zie onderstaande figuur), die ons een beter inzicht zal geven in het explosiemechanisme en hoe de elementen die in sterren worden geproduceerd, worden verdeeld. Elementen worden geïdentificeerd aan de hand van hun karakteristieke emissielijnen en verschuivingen van die lijnen via het dopplereffect vertellen ons hoe snel het materiaal beweegt. Deze resultaten zijn nog maar het begin. De rijke Resolve-datasets identificeren complexe snelheidsstructuren, zeldzame elementen en meerdere temperatuurcomponenten in een divers ensemble van kosmische objecten. Welkom in het tijdperk van de kwantumcalorimeter! Blijf kijken voor meer onthullingen!
Bron: NASA
