Mithilfe einer Technologie, die der von Smartphone-Kameras ähnelt, entwickeln NASA-Wissenschaftler verbesserte Sensoren, um mehr Details über Ausbrüche von Schwarzen Löchern und explodierenden Sternen zu ermitteln – und das alles bei geringerem Stromverbrauch und einfacherer Massenproduktion als heute verwendete Detektoren.
„Wenn man an Schwarze Löcher denkt, die aktiv Sterne zerfetzen, oder an Neutronensterne, die explodieren und wirklich energiereiche Lichtausbrüche erzeugen, hat man es mit den extremsten Ereignissen im Universum zu tun“, sagte die forschende Astrophysikerin Dr. Regina Caputo. „Um diese Ereignisse zu beobachten, muss man die energiereichste Form des Lichts betrachten: Gammastrahlen.“
Caputo leitet ein Instrumentenentwicklungsprogramm namens AstroPix am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. Die Silizium-Pixelsensoren in AstroPix – die sich noch in der Entwicklung und Erprobung befinden – erinnern an die Halbleitersensoren, die dafür sorgen, dass Smartphone-Kameras so klein sind.
„Gammastrahlen sind aufgrund der Art und Weise, wie das einfallende Teilchen mit Ihrem Detektor interagiert, bekanntermaßen schwierig zu messen“, sagte Dr. Amanda Steinhebel, eine Postdoc-Stipendiatin der NASA, die mit Caputo zusammenarbeitet.
Gammastrahlen sind Lichtwellenlängen, die energiereicher sind als Ultraviolett- und Röntgenstrahlen, und ihre Photonen wirken eher wie Teilchen als wie Wellen. „Statt wie sichtbares Licht nur von einem Sensor absorbiert zu werden“, sagte Steinhebel, „prallen Gammastrahlen überall ab.“
Das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA, das seit 2008 den Gammastrahlenhimmel untersucht, löste das „Bounce“-Problem in seinem Hauptinstrument durch den Einsatz von Türmen aus streifenförmigen Sensoren. Dieser tischgroße Würfel, Fermis Large Area Telescope, war beim Start der Mission selbst eine bahnbrechende Technologie.
Jeder Streifen bildet einen Gammastrahleneinschlag in einer einzigen Dimension ab, während Streifenschichten, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, die zweite Dimension aufzeichnen. Gammastrahlen erzeugen eine Kaskade energiereicher Einschläge durch mehrere Schichten und liefern eine Karte, die zurück zur Quelle zeigt.
Ein etwa so großes Weltraumteleskop mit AstroPix-Sensoren wie eine Golftasche würde halb so viele Schichten erfordern wie die Fermi-Streifendetektortechnologie, sagte Caputo.
Gammastrahlenausbrüche sind die leuchtendsten Explosionen im Kosmos. Astronomen gehen davon aus, dass die meisten Ereignisse auftreten, wenn dem Kern eines massereichen Sterns der Kernbrennstoff ausgeht, er unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht und ein Schwarzes Loch entsteht, wie in dieser Animation dargestellt. Das Schwarze Loch treibt dann Partikelstrahlen an, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vollständig durch den kollabierenden Stern bohren. Diese Jets durchdringen den Stern und emittieren Röntgen- und Gammastrahlen (Magenta), während sie in den Weltraum strömen. Anschließend dringen sie in die Materie ein, die den dem Untergang geweihten Stern umgibt, und erzeugen ein Nachleuchten mit mehreren Wellenlängen, das allmählich verblasst. Je näher wir einen dieser Jets frontal betrachten, desto heller erscheint er. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
„Es ist einfacher, genau zu sagen, wo Partikel interagieren“, sagte Steinhebel, „weil man einfach den Punkt im Gitter identifiziert, mit dem sie interagiert haben. Dann verwendet man mehrere Schichten, um buchstäblich die Wege zurückzuverfolgen, die die Partikel durch das Gitter genommen haben.“
AstroPix könne Gammastrahlen mit niedrigerer Energie aufzeichnen als die derzeitige Technologie, erklärte Steinhebel, da diese Photonen beim Filtern durch die mehreren Schichten eines Streifendetektors tendenziell verloren gehen. Ihre Erfassung würde mehr Informationen darüber liefern, was bei kurzlebigen, energiereichen Ereignissen passiert. „Diese niederenergetischen Gammastrahlen treten am häufigsten während der Spitzenhelligkeit auf“, erklärte sie.
Laut Caputo verbrauchen die Pixeldetektoren im Betrieb auch weniger Strom, was ein großer Vorteil für zukünftige Missionen bei der Planung ihres Stromverbrauchs sei.
Pixelierte Siliziumdetektoren hätten sich in Teilchenbeschleunigerexperimenten bewährt, sagte sie, und ihre allgemeine Verwendung und Massenproduktion für Mobiltelefone und Digitalkameras mache ihre Beschaffung einfacher und kostengünstiger.
Es sei aufregend und äußerst befriedigend gewesen, über mehrere Jahre hinweg verschiedene Prototypen zu entwickeln und zu sehen, wie AstroPix genaue Diagramme des Gammastrahlenlichts erstellt, sagte Steinhebel.
Während das Team weiterhin an der Entwicklung und Verbesserung seiner Technologie arbeitet, sagte Caputo, dass der nächste Schritt darin bestünde, die Technologie auf einem kurzen Höhenforschungsraketenflug für weitere Tests über der Erdatmosphäre zu starten.
Sie hoffen, dass sie einer zukünftigen Gammastrahlenmission zugutekommen, die die Erforschung hochenergetischer Ereignisse im Universum vorantreiben soll.
„Damit können wir so coole Wissenschaft betreiben“, sagte Caputo. „Ich möchte einfach sehen, dass das passiert.“