Actualmente se dispone de información muy detallada a partir de observaciones ultravioleta, ópticas y submilimétricas del contenido estelar, de polvo y de gas frío de las galaxias y, sin embargo, hay una falta de comprensión sobre los mecanismos que formaron estas galaxias. Para comprender verdaderamente cómo se forman las galaxias, se necesitan observaciones de rayos X desde espectrómetros de imágenes de alta resolución energética para ver los núcleos de las galaxias.
Los nuevos espectrómetros de rayos X de imágenes de alta resolución angular y de gran área expondrán los impulsores esenciales de la evolución de las galaxias, que dejan huellas en el plasma cálido que los cosmólogos creen que existe en los espacios entre las galaxias. Estos espacios intergalácticos contienen entre el 40% y el 50% de la “materia normal” del universo y se extienden mucho más allá del tamaño actualmente visible de las galaxias.
Una clase de espectrómetros de rayos X llamados microcalorímetros funcionan a una temperatura muy baja: unas pocas decenas de milikelvin por encima del cero absoluto. Durante los últimos cinco años, el Grupo de Microcalorímetros de Rayos X del Centro de Vuelo Espacial Goddard (GSFC) de la NASA, el Grupo de Tecnología de Imágenes Avanzadas del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT/LL) y el Grupo de Sensores Cuánticos del Instituto Nacional de Standards and Technology (NIST) en Boulder, Colorado, han estado colaborando en el desarrollo de una nueva y ambiciosa cámara de rayos X con capacidades espectroscópicas y de imágenes sin precedentes.
Esta cámara se basa en un nuevo tipo de microcalorímetro de rayos X llamado microcalorímetro magnético. Este esfuerzo de la NASA/MIT/NIST amplía significativamente las capacidades de la tecnología. Por ejemplo, la misión X-Ray Imaging and Spectroscope Mission (XRISM), que es una colaboración entre JAXA y la NASA cuyo lanzamiento está previsto para 2023, consta de una matriz de microcalorímetros con 36 píxeles.
Una misión emblemática de la ESA actualmente en formulación (el Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías, o ATHENA) tendrá una matriz de microcalorímetros con aproximadamente dos mil píxeles. Los conjuntos que se están desarrollando mediante la colaboración NASA/MIT/NIST tienen alrededor de cien mil píxeles o más, alcanzando escalas angulares y tamaños de conjuntos que normalmente sólo se asocian con cámaras de dispositivos de carga acoplada (CCD).
La Figura 2 muestra una de las matrices de 100.000 píxeles que ha desarrollado el equipo. Los píxeles están diseñados para tener una resolución energética aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la de una cámara CCD de rayos X. Esta exquisita resolución de alta energía es fundamental para medir la abundancia, temperatura, densidad y velocidad de los plasmas astrofísicos. Tales mediciones expondrán los impulsores esenciales de la evolución de las galaxias que están ocultos en los plasmas del universo.
Cuando un rayo X entrante incide en el absorbente del microcalorímetro, su energía se convierte en calor, que se mide con un termómetro. El aumento de temperatura es directamente proporcional a la energía de los rayos X. Los termómetros empleados con microcalorímetros magnéticos utilizan paramagnetismo para permitir una detección de temperatura de alta precisión. En un paraimán, la magnetización es inversamente proporcional a la temperatura, lo que lo hace muy sensible a pequeños cambios en las bajas temperaturas (en 50 mili-Kelvin o menos) a las que operan estos dispositivos.
Además de los sensores de un solo píxel, es posible diseñar microcalorímetros magnéticos sensibles a la posición en los que se conecta un sensor a varios absorbentes de rayos X con diferentes intensidades de conductancia térmica. La respuesta temporal única de los diferentes píxeles a los eventos de rayos X permite distinguir la ubicación del evento del píxel. Debido a las muchas cabezas en el sensor, este tipo de dispositivo de multiplexación térmica a menudo se llama “hidra”, en honor al monstruo acuático serpentino de múltiples cabezas de la mitología griega y romana. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de un sensor Hydra de calorímetro magnético.
Los principales factores que limitan el desarrollo de conjuntos de microcalorímetros con el tamaño y la resolución angular deseados (la distancia desde el centro de un píxel al siguiente, o “paso”) son los desafíos que implica la fabricación de microcintas superconductoras de alta densidad y alto rendimiento. cableado para conectar todos los píxeles de la matriz. La principal innovación empleada para superar esta dificultad es incorporar muchas capas de cableado enterrado debajo de la superficie superior de los chips detectores sobre los que luego se fabrican los conjuntos de microcalorímetros.
A través de una inversión en tecnología para electrónica superconductora, MIT/LL desarrolló un proceso que permite más de ocho capas de cableado superconductor con alto rendimiento. La matriz que se muestra en la Figura 2 utiliza cuatro capas de cableado superconductor, y la próxima generación de dispositivos actualmente en fabricación utiliza siete capas de cableado enterrado.
Al combinar este proceso de cableado enterrado con los microcalorímetros “térmicamente multiplexados” de 25 píxeles desarrollados en el GSFC de la NASA, el equipo ha podido producir conjuntos de cables de gran formato con un paso de hasta 25 micrones.
El último desarrollo clave necesario para que este detector sea adecuado para futuras misiones astrofísicas es la lectura multiplexada necesaria para conjuntos de píxeles tan grandes. Con financiación de la NASA, el NIST está desarrollando un dispositivo de lectura de interferencia cuántica superconductora multiplexor de microondas (μ-MUX SQUID) en un factor de forma adecuado para la integración directa con este detector.
Cuatro chips bidimensionales que transportan esta lectura se unirán a las cuatro grandes áreas rectangulares verdes en las regiones exteriores del detector que se muestran en la Figura 1. NIST ha demostrado recientemente SQUID μ-MUX de bajo ruido, en pequeños matrices de resonadores dimensionales adecuadas para los nuevos calorímetros magnéticos. Estos μ-MUX SQUID midieron el ruido del flujo magnético que corresponde a solo 20 cuantos (o fotones) en frecuencias de señal, cumpliendo con los exigentes requisitos de diseño.
En un futuro próximo, se conectarán versiones bidimensionales de esta lectura al detector que se muestra en la Figura 1, y el equipo espera demostrar una nueva e innovadora capacidad de instrumentación astrofísica.
Con información de NASA
