NASAの新しい検出器はガンマ線現象の見方を改善する可能性がある
2023年 6月 7日
NASA の科学者たちは、スマートフォンのカメラと同様の技術を使用して、ブラック ホールの爆発や星の爆発についての詳細を明らかにするためのアップグレードされたセンサーを開発しています。その一方で、現在使用されている検出器よりも消費電力が少なく、大量生産が容易です。
研究天体物理学者のレジーナ・カプト博士は、「ブラックホールが活発に星を粉砕したり、中性子星が爆発して非常に高エネルギーの光のバーストを生み出したりすることを考えるとき、それは宇宙で最も極端な出来事を見ていることになる」と述べた。「これらの現象を観察するには、光の最高エネルギー形態であるガンマ線を観察する必要があります。」
Overview Animation of Gamma-ray Burst
ガンマ線バーストは、宇宙で最も明るい爆発です。天文学者らは、このアニメーションで示されているように、大質量星の中心が核燃料を使い果たし、自重で崩壊し、ブラックホールを形成するときに最も多くのことが起こると考えています。次に、ブラックホールは粒子のジェットを駆動し、ほぼ光の速度で崩壊する星を貫通します。これらのジェットは星を突き抜け、宇宙に流れ込むときに X 線とガンマ線 (マゼンタ) を放出します。次に、それらは運命の星の周囲の物質に侵入し、徐々に消えていく複数の波長の残光を生成します。これらのジェットを正面から見るほど、より明るく見えます。
クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター
カプト氏は、メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターで、AstroPix と呼ばれる機器開発の取り組みを率いています。AstroPix のシリコン ピクセル センサーは、まだ開発とテスト中ですが、スマートフォンのカメラを非常に小型化できる半導体センサーを思い出させます。
「ガンマ線は、入ってくる粒子が検出器と相互作用する方法により、測定が難しいことで知られています」と、カプートと協力している NASA ポスドク プログラム研究員のアマンダ スタインヘベル博士は述べています。
ガンマ線は、紫外線や X 線よりもエネルギーの高い光の波長であり、その光子は波というよりも粒子のように作用します。「ガンマ線は可視光のようにセンサーに吸収されるだけでなく、周囲に跳ね返ります」とスタインヘーベル氏は言う。
2008 年からガンマ線の空を研究してきた NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、帯状のセンサーのタワーを使用することで、主要機器の「バウンス」問題を解決しました。このテーブルサイズの立方体、フェルミの大面積望遠鏡は、ミッションが開始された時点ではそれ自体が画期的な技術でした。
各ストリップはガンマ線の衝突を 1 次元でマッピングし、互いに垂直に配向されたストリップの層は 2 次元を記録します。ガンマ線は、複数の層を通るエネルギー攻撃のカスケードを生成し、発生源を指すマップを提供します。
カプート氏によると、AstroPixセンサーを使用する宇宙望遠鏡の機器はゴルフバッグほどの大きさで、フェルミストリップ検出器技術の半分の層が必要になるという。
図では、灰色の長方形のボックス内に、青と赤の他のコンポーネントの上に重ねられた緑色のセンサー チップで構成される機器が示されています。
この観測ロケット試験装置の設計のような実際の応用では、ガンマ線天文台は複数層の Astropix センサーを使用し、一連の 2 次元のピクセル化された検出器を通じて 3 次元の粒子の軌道を追跡できます。
クレジット: Regina Caputo
「粒子が相互作用する場所を正確に知るのは簡単です。粒子が相互作用したグリッド内の点を特定するだけなので、」と Steinhebel 氏は言います。次に、複数のレイヤーを使用して、粒子が通過した経路を文字通り追跡します。」
スタインヘベル氏は、これらの光子はストリップ検出器の多層のフィルターで失われる傾向があるため、AstroPix は現在の技術よりも低エネルギーのガンマ線を記録できると説明した。それらを捕らえれば、短期間のエネルギー的な出来事の間に何が起こるかについて、より多くの情報が得られるでしょう。「これらの低エネルギーのガンマ線は、バースト輝度のピーク時に最も一般的です」と彼女は説明しました。
また、ピクセル検出器の動作に必要な電力消費も少なくなり、電力使用量を計画する将来のミッションにとって大きな利点になるとカプート氏は述べた。
ピクセル化シリコン検出器は粒子加速器の実験で証明されており、携帯電話やデジタルカメラでの一般的な使用と大量生産により、入手が容易になり、安価になると彼女は述べた。
スタインヘベル氏は、何年にもわたってさまざまなプロトタイプを開発し、AstroPix がガンマ線光の正確なプロットを作成するのを見るのは爽快であり、非常に満足していると語った。
チームは引き続き技術の開発と改善に取り組んでいるが、カプト氏は、次のステップは、地球の大気上空でさらなるテストを行うために、この技術を短い観測ロケット飛行で打ち上げることだと述べた。
彼らは、高エネルギー宇宙事象の研究を促進することを目的とした将来のガンマ線ミッションに利益をもたらすことを期待している。
「これを使えば、このようなすばらしい科学ができるのです」とカプト氏は語った。「私はただそれが起こるのを見たいだけなのです。」
バナー画像: AstroPix センサー チップの 3 つのバージョンすべてが、左側の最も古いものから右側のバージョン 3 まで展示されています。2023 年 4月にテストが開始されたバージョン 3 では、ピクセルが大きくなり、機能が向上しました。ゴダード氏の Astropix チームには、次世代ガンマ線検出器の開発とテストに協力する世界中のメンバーが含まれています。(画像クレジット: Regina Caputo)
最終更新日: 2023年 6月 7日
タグ: ゴダード宇宙飛行センター, 科学機器 宇宙技術
2023年 6月 7日
NASA の科学者たちは、スマートフォンのカメラと同様の技術を使用して、ブラック ホールの爆発や星の爆発についての詳細を明らかにするためのアップグレードされたセンサーを開発しています。その一方で、現在使用されている検出器よりも消費電力が少なく、大量生産が容易です。
研究天体物理学者のレジーナ・カプト博士は、「ブラックホールが活発に星を粉砕したり、中性子星が爆発して非常に高エネルギーの光のバーストを生み出したりすることを考えるとき、それは宇宙で最も極端な出来事を見ていることになる」と述べた。「これらの現象を観察するには、光の最高エネルギー形態であるガンマ線を観察する必要があります。」
Overview Animation of Gamma-ray Burst
ガンマ線バーストは、宇宙で最も明るい爆発です。天文学者らは、このアニメーションで示されているように、大質量星の中心が核燃料を使い果たし、自重で崩壊し、ブラックホールを形成するときに最も多くのことが起こると考えています。次に、ブラックホールは粒子のジェットを駆動し、ほぼ光の速度で崩壊する星を貫通します。これらのジェットは星を突き抜け、宇宙に流れ込むときに X 線とガンマ線 (マゼンタ) を放出します。次に、それらは運命の星の周囲の物質に侵入し、徐々に消えていく複数の波長の残光を生成します。これらのジェットを正面から見るほど、より明るく見えます。
クレジット: NASA のゴダード宇宙飛行センター
カプト氏は、メリーランド州グリーンベルトにある NASA のゴダード宇宙飛行センターで、AstroPix と呼ばれる機器開発の取り組みを率いています。AstroPix のシリコン ピクセル センサーは、まだ開発とテスト中ですが、スマートフォンのカメラを非常に小型化できる半導体センサーを思い出させます。
「ガンマ線は、入ってくる粒子が検出器と相互作用する方法により、測定が難しいことで知られています」と、カプートと協力している NASA ポスドク プログラム研究員のアマンダ スタインヘベル博士は述べています。
ガンマ線は、紫外線や X 線よりもエネルギーの高い光の波長であり、その光子は波というよりも粒子のように作用します。「ガンマ線は可視光のようにセンサーに吸収されるだけでなく、周囲に跳ね返ります」とスタインヘーベル氏は言う。
2008 年からガンマ線の空を研究してきた NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、帯状のセンサーのタワーを使用することで、主要機器の「バウンス」問題を解決しました。このテーブルサイズの立方体、フェルミの大面積望遠鏡は、ミッションが開始された時点ではそれ自体が画期的な技術でした。
各ストリップはガンマ線の衝突を 1 次元でマッピングし、互いに垂直に配向されたストリップの層は 2 次元を記録します。ガンマ線は、複数の層を通るエネルギー攻撃のカスケードを生成し、発生源を指すマップを提供します。
カプート氏によると、AstroPixセンサーを使用する宇宙望遠鏡の機器はゴルフバッグほどの大きさで、フェルミストリップ検出器技術の半分の層が必要になるという。
図では、灰色の長方形のボックス内に、青と赤の他のコンポーネントの上に重ねられた緑色のセンサー チップで構成される機器が示されています。
この観測ロケット試験装置の設計のような実際の応用では、ガンマ線天文台は複数層の Astropix センサーを使用し、一連の 2 次元のピクセル化された検出器を通じて 3 次元の粒子の軌道を追跡できます。
クレジット: Regina Caputo
「粒子が相互作用する場所を正確に知るのは簡単です。粒子が相互作用したグリッド内の点を特定するだけなので、」と Steinhebel 氏は言います。次に、複数のレイヤーを使用して、粒子が通過した経路を文字通り追跡します。」
スタインヘベル氏は、これらの光子はストリップ検出器の多層のフィルターで失われる傾向があるため、AstroPix は現在の技術よりも低エネルギーのガンマ線を記録できると説明した。それらを捕らえれば、短期間のエネルギー的な出来事の間に何が起こるかについて、より多くの情報が得られるでしょう。「これらの低エネルギーのガンマ線は、バースト輝度のピーク時に最も一般的です」と彼女は説明しました。
また、ピクセル検出器の動作に必要な電力消費も少なくなり、電力使用量を計画する将来のミッションにとって大きな利点になるとカプート氏は述べた。
ピクセル化シリコン検出器は粒子加速器の実験で証明されており、携帯電話やデジタルカメラでの一般的な使用と大量生産により、入手が容易になり、安価になると彼女は述べた。
スタインヘベル氏は、何年にもわたってさまざまなプロトタイプを開発し、AstroPix がガンマ線光の正確なプロットを作成するのを見るのは爽快であり、非常に満足していると語った。
チームは引き続き技術の開発と改善に取り組んでいるが、カプト氏は、次のステップは、地球の大気上空でさらなるテストを行うために、この技術を短い観測ロケット飛行で打ち上げることだと述べた。
彼らは、高エネルギー宇宙事象の研究を促進することを目的とした将来のガンマ線ミッションに利益をもたらすことを期待している。
「これを使えば、このようなすばらしい科学ができるのです」とカプト氏は語った。「私はただそれが起こるのを見たいだけなのです。」
バナー画像: AstroPix センサー チップの 3 つのバージョンすべてが、左側の最も古いものから右側のバージョン 3 まで展示されています。2023 年 4月にテストが開始されたバージョン 3 では、ピクセルが大きくなり、機能が向上しました。ゴダード氏の Astropix チームには、次世代ガンマ線検出器の開発とテストに協力する世界中のメンバーが含まれています。(画像クレジット: Regina Caputo)
最終更新日: 2023年 6月 7日
タグ: ゴダード宇宙飛行センター, 科学機器 宇宙技術
