I nuovi rilevatori della NASA potrebbero migliorare la visione dei gamma

Utilizzando una tecnologia simile a quella trovata nelle fotocamere degli smartphone, gli scienziati della NASA stanno sviluppando sensori aggiornati per rivelare maggiori dettagli sulle esplosioni dei buchi neri e sulle stelle che esplodono, il tutto pur essendo meno assetati di energia e più facili da produrre in serie rispetto ai rilevatori utilizzati oggi.

"Quando si pensa ai buchi neri che distruggono attivamente le stelle, o alle stelle di neutroni che esplodono e creano esplosioni di luce ad alta energia, si stanno osservando gli eventi più estremi dell'universo", ha affermato l'astrofisica ricercatrice Dott.ssa Regina Caputo. "Per osservare questi eventi, è necessario guardare la forma di luce a più alta energia: i raggi gamma.

Caputo guida un progetto di sviluppo di strumenti chiamato AstroPix presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. I sensori di pixel in silicio di 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 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, e i loro fotoni si comportano 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".

I lampi di raggi gamma sono le esplosioni più luminose del cosmo. Gli astronomi pensano che la maggior parte si verifichi quando il nucleo di una stella massiccia esaurisce il combustibile nucleare, collassa sotto il suo stesso peso e forma un buco nero, come illustrato in questa animazione. Il buco nero quindi spinge getti di particelle che perforano tutta la stella che collassa quasi alla velocità della luce. Questi getti attraversano la stella, emettendo raggi X e raggi gamma (magenta) mentre fluiscono nello spazio. Quindi penetrano nel materiale che circonda la stella condannata e producono un bagliore residuo di diverse lunghezze d'onda che svanisce gradualmente. Quanto più osserviamo frontalmente uno di questi getti, tanto più luminoso apparirà. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi 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 innovativa al momento del lancio della missione.

Ogni striscia mappa un colpo di raggi gamma in una singola dimensione, mentre strati di strisce orientate perpendicolarmente l'una all'altra registrano la seconda dimensione. I raggi gamma generano una cascata di colpi energetici attraverso più strati, fornendo una mappa che punta alla fonte.

Grande quanto una sacca da golf, uno strumento per telescopio spaziale che utilizza sensori AstroPix richiederebbe la metà degli strati rispetto alla tecnologia del rilevatore a striscia di Fermi, ha affermato Caputo.

"È più facile dire esattamente dove le particelle interagiscono", ha detto Steinhebel, "perché basta identificare il punto nella griglia con cui hanno interagito. Quindi si utilizzano più strati per tracciare letteralmente i percorsi che le particelle hanno seguito attraverso di essa."

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 rilevatore a striscia. 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", ha spiegato.

I rilevatori di pixel consumano anche meno elettricità per funzionare, ha affermato Caputo, un importante vantaggio per le future missioni che pianificano il loro consumo energetico.

I rilevatori di silicio pixelati sono stati testati in esperimenti con acceleratori di particelle, ha detto, e il loro uso comune e la produzione di massa per telefoni cellulari e fotocamere digitali li rende più facili e meno costosi da ottenere.

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.