Los nuevos detectores de rayos X proporcionan una visión sin precedentes del universo invisible

Actualmente se dispone de información muy detallada a partir de observaciones ultravioleta, ópticas y submilimétricas del contenido de estrellas, polvo y gas frío de las galaxias, pero aún hay escasez de conocimientos sobre los mecanismos que formaron estas galaxias. Para comprender verdaderamente cómo se forman las galaxias, se necesitan observaciones de rayos X con espectrómetros de imágenes de alta resolución para ver los núcleos de las galaxias.

Nuevos espectrómetros de rayos X de gran superficie y resolución angular revelarán los impulsores fundamentales de la evolución de las galaxias, que dejan huellas en el plasma cálido que los cosmólogos creen que reside en los vacíos 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 milivoltios por encima del cero absoluto. Durante los últimos cinco años, el grupo de Calorimetría de Precisión de Rayos X del Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC) de la NASA, el grupo de Tecnología de Imágenes Avanzadas del MIT/LL y el grupo de Sensores Cuánticos del Instituto Nacional de Tecnología, la Corporación de Estándares y Tecnología ( NIST) de Boulder, Colorado, está colaborando en el desarrollo de una nueva y ambiciosa cámara de rayos X con capacidades espectrales y de imágenes sin precedentes.

Esta cámara se basa en un nuevo tipo de calorímetro de rayos X preciso llamado calorímetro magnético. Los esfuerzos de la NASA, el MIT y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología están ampliando enormemente las capacidades de la tecnología. Por ejemplo, la Misión de Espectroscopía e Imágenes XRISM (XRISM), una colaboración entre JAXA y la NASA cuyo lanzamiento está previsto para 2023, consta de una matriz de microcalorímetros de 36 píxeles.

La principal misión de la ESA que se está formulando actualmente (el Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías, o ATHENA) contendrá un conjunto de microcalorímetros que contendrán alrededor de dos mil píxeles. Las matrices que se están desarrollando en colaboración con la NASA, el MIT y el NIST contienen alrededor de cien mil píxeles o más y alcanzan las escalas angulares y tamaños de matriz típicamente asociados sólo con las cámaras de dispositivos cargados (CCD).

La Figura 2 muestra una de las matrices de 100.000 píxeles que desarrolló el equipo. Los píxeles están diseñados para tener una resolución energética de aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la de una cámara de rayos X CCD. Esta notable resolución de alta energía es fundamental para medir la abundancia, temperatura, densidad y velocidad de los plasmas astrofísicos. Estas mediciones revelarán los impulsores fundamentales de la evolución de las galaxias ocultas en el plasma del universo.

Cuando los rayos X entrantes inciden en el absorbente del microcalorímetro, su energía se convierte en calor, que se mide con el termómetro. El aumento de temperatura es directamente proporcional a la energía de los rayos X. Los termómetros utilizados con calorímetros ferromagnéticos utilizan un paraimán para permitir la detección de temperatura con alta precisión. En los paramagnetos, la magnetización es inversamente proporcional a la temperatura, lo que los hace muy sensibles a pequeños cambios en las bajas temperaturas (de 50 mK o menos) a las que operan estos dispositivos.

Además de los sensores de un solo píxel, es posible diseñar termómetros magnéticos sensibles a la posición en los que se conecta un sensor a varios absorbentes de rayos X con diferentes intensidades de conductividad térmica. La respuesta temporal única de diferentes píxeles a eventos de rayos X permite distinguir la ubicación del evento de píxel. Debido a las numerosas cabezas del sensor, este tipo de transmisor de calor múltiple se denomina «hidra», en honor al monstruo acuático serpentino de muchas 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 requeridos (la distancia desde el centro de un píxel al siguiente, o «paso») son los desafíos que implica la fabricación de chips superconductores de alta densidad y alto rendimiento. Cables para conectar todos los píxeles de la matriz. La principal innovación utilizada para superar esta dificultad es la incorporación de varias capas de cables enterrados debajo de la superficie superior de los chips detectores sobre los que luego se fabrican las matrices microcalorimétricas.

Al invertir en tecnología electrónica superconductora, el MIT/LL ha desarrollado un proceso que permite utilizar más de ocho capas de cables superconductores de alto rendimiento. La matriz que se muestra en la Figura 2 utiliza cuatro capas de cables superconductores, y la próxima generación de dispositivos actualmente en desarrollo utiliza siete capas de cables enterrados.

Al combinar este proceso de alambre enterrado con los precisos calorímetros «termo-multi» de 25 píxeles desarrollados en el GSFC de la NASA, el equipo pudo producir conjuntos de alambres a gran escala con una temperatura de hasta 25 micrones.

El último gran desarrollo necesario para que este detector sea adecuado para futuras tareas astrofísicas es la lectura múltiple necesaria para matrices de píxeles tan grandes. Con financiación de la NASA, el NIST está desarrollando un dispositivo de interferencia cuántica superconductora multiplex de microondas (μ-MUX SQUID) que lee en un factor de forma adecuado para la integración directa con este detector.

Se conectarán cuatro chips 2D con esta lectura a las cuatro grandes regiones verdes rectangulares en las regiones exteriores del detector que se muestran en la Figura 1. El NIST ha demostrado recientemente un calamar μ-MUX de bajo ruido, en una forma pequeña. Conjuntos de resonadores dimensionales adecuados para nuevos calorímetros magnéticos. Los μ-MUX SQUID han medido el ruido del flujo magnético que corresponde a solo 20 cuantos (o fotones) en frecuencias de señal, cumpliendo con exigentes requisitos de diseño.

En un futuro próximo, las versiones 2D de esta lectura se vincularán al detector que se muestra en la Figura 1, y el equipo espera demostrar una nueva capacidad innovadora en el campo de los instrumentos astrofísicos.