Novos detectores da NASA podem melhorar as visualizações de gama

Usando tecnologia semelhante à encontrada em câmeras de smartphones, os cientistas da NASA estão desenvolvendo sensores atualizados para revelar mais detalhes sobre explosões de buracos negros e estrelas explosivas – ao mesmo tempo em que gastam menos energia e são mais fáceis de produzir em massa do que os detectores usados ​​hoje.

"Quando você pensa em buracos negros destruindo estrelas ativamente, ou estrelas de nêutrons explodindo e criando rajadas de luz realmente de alta energia, você está olhando para os eventos mais extremos do universo", disse a astrofísica pesquisadora Dra. Regina Caputo. "Para observar esses eventos, você precisa olhar para a forma de luz de maior energia: os raios gama.

Caputo lidera um esforço de desenvolvimento de instrumentos chamado AstroPix no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. Os sensores de pixel de silício no AstroPix – ainda em desenvolvimento e teste – são uma reminiscência dos sensores semicondutores que permitem que as câmeras dos smartphones sejam tão pequenas.

"Os raios gama são notoriamente difíceis de medir por causa da maneira como a partícula incidente interage com o detector", disse a Dra. Amanda Steinhebel, pesquisadora do Programa de Pós-Doutorado da NASA que trabalha com Caputo.

Os raios gama são comprimentos de onda de luz mais energéticos do que os raios ultravioleta e X, e seus fótons agem mais como partículas do que como ondas. “Em vez de apenas serem absorvidos por um sensor como a luz visível”, disse Steinhebel, “os raios gama saltam por toda parte”.

Explosões de raios gama são as explosões mais luminosas do cosmos. Os astrônomos acham que a maioria ocorre quando o núcleo de uma estrela massiva fica sem combustível nuclear, colapsa sob seu próprio peso e forma um buraco negro, conforme ilustrado nesta animação. O buraco negro então impulsiona jatos de partículas que perfuram todo o caminho através da estrela em colapso quase à velocidade da luz. Esses jatos perfuram a estrela, emitindo raios-X e raios gama (magenta) à medida que fluem para o espaço. Eles então penetram no material ao redor da estrela condenada e produzem um brilho residual de vários comprimentos de onda que desaparece gradualmente. Quanto mais de perto vemos um desses jatos, mais brilhante ele aparece. Crédito: Goddard Space Flight Center da NASA

O Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA, que estuda o céu de raios gama desde 2008, resolveu o problema de "salto" em seu instrumento principal usando torres de sensores em forma de faixa. Este cubo do tamanho de uma mesa, o Telescópio de Grande Área de Fermi, era uma tecnologia inovadora quando a missão foi lançada.

Cada faixa mapeia uma incidência de raios gama em uma única dimensão, enquanto camadas de faixas orientadas perpendicularmente umas às outras registram a segunda dimensão. Os raios gama geram uma cascata de ataques energéticos através de múltiplas camadas, fornecendo um mapa que aponta para a fonte.

Do tamanho de uma sacola de golfe, um instrumento de telescópio espacial usando sensores AstroPix exigiria metade das camadas que a tecnologia do detector de faixa Fermi, disse Caputo.

"É mais fácil dizer exatamente onde as partículas interagem", disse Steinhebel, "porque você apenas identifica o ponto na grade com o qual ela interagiu. Então você usa várias camadas para rastrear literalmente os caminhos que as partículas percorreram."

O AstroPix poderia registrar raios gama de energia mais baixa do que a tecnologia atual, Steinhebel explicou, porque esses fótons tendem a se perder filtrando através das múltiplas camadas de um detector de tira. Capturá-los forneceria mais informações sobre o que acontece durante eventos energéticos de curta duração. "Esses raios gama de baixa energia são mais comuns durante picos de brilho", explicou ela.

Os detectores de pixel também consomem menos eletricidade para operar, disse Caputo, uma grande vantagem para futuras missões que planejam seu uso de energia.

Os detectores de silício pixelados foram comprovados em experimentos com aceleradores de partículas, disse ela, e seu uso comum e produção em massa para telefones celulares e câmeras digitais os tornam mais fáceis e baratos de obter.

Desenvolver diferentes protótipos ao longo de vários anos e ver o AstroPix criar gráficos precisos de luz de raios gama foi emocionante e extremamente satisfatório, disse Steinhebel.