Aus ultravioletten, optischen und Submillimeter-Beobachtungen des Stern-, Staub- und Kaltgasgehalts von Galaxien liegen mittlerweile sehr detaillierte Informationen vor, und dennoch mangelt es an Verständnis über die Mechanismen, die diese Galaxien gebildet haben. Um wirklich zu verstehen, wie Galaxien entstehen, sind Röntgenbeobachtungen mit bildgebenden Spektrometern mit hoher Energieauflösung erforderlich, um die Kerne der Galaxien selbst zu sehen.
Neue großflächige, bildgebende Röntgenspektrometer mit hoher Winkelauflösung werden die wesentlichen Treiber der Galaxienentwicklung aufdecken, die Spuren im warmen bis heißen Plasma hinterlassen, von dem Kosmologen glauben, dass es in den Räumen zwischen Galaxien existiert. Diese intergalaktischen Räume enthalten 40–50 % der „normalen Materie“ im Universum und reichen weit über die derzeit sichtbare Größe von Galaxien hinaus.
Eine Klasse von Röntgenspektrometern, sogenannte Mikrokalorimeter, arbeitet bei einer sehr niedrigen Temperatur – einige zehn Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt. In den letzten fünf Jahren haben die X-ray Microcalorimeter Group am Goddard Space Flight Center (GSFC) der NASA, die Advanced Imager Technology Group am Lincoln Laboratory (MIT/LL) des Massachusetts Institute of Technology und die Quantum Sensors Group am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, haben an der Entwicklung einer ehrgeizigen neuen Röntgenkamera mit beispiellosen Bildgebungs- und Spektroskopfähigkeiten zusammengearbeitet.
Diese Kamera basiert auf einem neuen Typ eines Röntgenmikrokalorimeters, einem sogenannten magnetischen Mikrokalorimeter. Diese Bemühungen von NASA, MIT und NIST erweitern die Möglichkeiten der Technologie erheblich. Beispielsweise besteht die Mission X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM), eine Zusammenarbeit zwischen JAXA und der NASA, deren Start für 2023 geplant ist, aus einem Mikrokalorimeter-Array mit 36 Pixeln.
Eine derzeit in Vorbereitung befindliche Flaggschiffmission der ESA (das Advanced Telescope for High Energy Astrophysics, kurz ATHENA) wird über ein Mikrokalorimeter-Array mit etwa zweitausend Pixeln verfügen. Die von der NASA/MIT/NIST-Zusammenarbeit entwickelten Arrays haben etwa einhunderttausend Pixel oder mehr und erreichen die Winkelskalen und Array-Größen, die normalerweise nur mit CCD-Kameras (Charged Coupled Device) verbunden sind.
Abbildung 2 zeigt eines der 100.000-Pixel-Arrays, die das Team entwickelt hat. Die Pixel sind so konzipiert, dass sie eine Energieauflösung haben, die etwa zwei Größenordnungen höher ist als die einer Röntgen-CCD-Kamera. Diese exquisite Hochenergieauflösung ist entscheidend für die Messung der Häufigkeit, Temperatur, Dichte und Geschwindigkeit astrophysikalischer Plasmen. Solche Messungen werden die wesentlichen Treiber der Galaxienentwicklung aufdecken, die in den Plasmen des Universums verborgen sind.
Wenn ein einfallender Röntgenstrahl auf den Absorber des Mikrokalorimeters trifft, wird seine Energie in Wärme umgewandelt, die von einem Thermometer gemessen wird. Der Temperaturanstieg ist direkt proportional zur Energie der Röntgenstrahlung. Die mit magnetischen Mikrokalorimetern verwendeten Thermometer nutzen Paramagnetismus, um eine hochpräzise Temperaturmessung zu ermöglichen. Bei einem Paramagneten ist die Magnetisierung umgekehrt proportional zur Temperatur, wodurch er bei den niedrigen Temperaturen (bei oder unter 50 Millikelvin), bei denen diese Geräte arbeiten, sehr empfindlich auf kleine Änderungen reagiert.
Neben Einzelpixel-Sensoren ist es möglich, ortsempfindliche magnetische Mikrokalorimeter zu entwerfen, bei denen ein Sensor an mehreren Röntgenabsorbern mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit befestigt ist. Die einzigartige zeitliche Reaktion der verschiedenen Pixel auf Röntgenereignisse ermöglicht die Unterscheidung des Ortes des Pixelereignisses. Aufgrund der vielen Köpfe im Sensor wird diese Art von thermischem Multiplexgerät oft als „Hydra“ bezeichnet, nach dem mehrköpfigen schlangenförmigen Wassermonster in der griechischen und römischen Mythologie. Ein Beispiel eines magnetischen Kalorimeter-Hydra-Sensors ist in Abbildung 3 dargestellt.
Die Hauptfaktoren, die die Entwicklung von Mikrokalorimeter-Arrays mit der gewünschten Größe und Winkelauflösung (der Abstand von der Mitte eines Pixels zum nächsten oder „Pitch“) einschränken, sind die Herausforderungen bei der Herstellung von Mikrostreifen-Supraleitern mit hoher Dichte und hoher Ausbeute Verkabelung, um alle Pixel im Array zu verbinden. Die wichtigste Innovation zur Überwindung dieser Schwierigkeit besteht darin, viele Schichten vergrabener Verkabelung unter die Oberseite der Detektorchips zu integrieren, auf denen dann die Mikrokalorimeter-Arrays hergestellt werden.
Durch eine Investition in Technologie für supraleitende Elektronik entwickelte MIT/LL einen Prozess, der über acht Schichten supraleitender Verdrahtung mit hoher Ausbeute ermöglicht. Das in Abbildung 2 gezeigte Array verwendet vier Schichten supraleitender Verkabelung, und die nächste Generation von Geräten, die derzeit hergestellt werden, nutzt sieben Schichten vergrabener Verkabelung.
Durch die Kombination dieses vergrabenen Verdrahtungsprozesses mit den am NASA GSFC entwickelten „thermisch gemultiplexten“ Mikrokalorimetern mit 25 Pixeln konnte das Team großformatige Anordnungen von Drähten mit einem Rastermaß von bis zu 25 Mikrometern herstellen.
Die letzte wichtige Entwicklung, die erforderlich ist, um diesen Detektor für zukünftige Astrophysik-Missionen geeignet zu machen, ist das Multiplex-Auslesen, das für solch große Pixelarrays erforderlich ist. Mit Finanzierung durch die NASA entwickelt das NIST ein Mikrowellen-Multiplexer-Supraleiter-Quanteninterferenzgerät (μ-MUX SQUID), das in einem Formfaktor ausgelesen werden kann, der für die direkte Integration in diesen Detektor geeignet ist.
Vier zweidimensionale Chips, die diese Auslesung tragen, werden per Bump-Bond an die vier großen grünen rechteckigen Bereiche in den äußeren Bereichen des in Abbildung 1 gezeigten Detektors angeschlossen. NIST hat kürzlich rauscharme μ-MUX-SQUIDs in kleinen ein- dimensionale Resonator-Arrays, die für die neuen magnetischen Kalorimeter geeignet sind. Diese μ-MUX-SQUIDs haben magnetisches Flussrauschen gemessen, das nur 20 Quanten (oder Photonen) bei Signalfrequenzen entspricht, und erfüllten damit die anspruchsvollen Designanforderungen.
In naher Zukunft werden zweidimensionale Versionen dieser Anzeige mit dem in Abbildung 1 gezeigten Detektor per Bump-Bond verbunden, und das Team hofft, eine bahnbrechende neue Instrumentierungsfähigkeit für die Astrophysik zu demonstrieren.