Les nouveaux détecteurs de la NASA pourraient améliorer les vues de Gamma

En utilisant une technologie similaire à celle trouvée dans les caméras des smartphones, les scientifiques de la NASA développent des capteurs améliorés pour révéler plus de détails sur les explosions de trous noirs et les étoiles qui explosent, tout en étant moins gourmands en énergie et plus faciles à produire en masse que les détecteurs utilisés aujourd'hui.

"Quand vous pensez aux trous noirs qui détruisent activement les étoiles, ou aux étoiles à neutrons qui explosent et créent des éclats de lumière à très haute énergie, vous regardez les événements les plus extrêmes de l'univers", a déclaré la chercheuse astrophysicienne, le Dr Regina Caputo. "Pour observer ces événements, vous devez regarder la forme de lumière la plus énergétique : les rayons gamma.

Caputo dirige un effort de développement d'instruments appelé AstroPix au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. Les capteurs de pixels en silicium d'AstroPix - toujours en développement et en test - rappellent les capteurs à semi-conducteurs qui permettent aux caméras des smartphones d'être si petites.

"Les rayons gamma sont notoirement difficiles à mesurer en raison de la façon dont la particule entrante interagit avec votre détecteur", a déclaré le Dr Amanda Steinhebel, boursière du programme postdoctoral de la NASA travaillant avec Caputo.

Les rayons gamma sont des longueurs d'onde de lumière plus énergétiques que les rayons ultraviolets et X, et leurs photons agissent plus comme des particules que comme des ondes. "Au lieu d'être simplement absorbés par un capteur comme la lumière visible", a déclaré Steinhebel, "les rayons gamma rebondissent tout autour".

Les sursauts gamma sont les explosions les plus lumineuses du cosmos. Les astronomes pensent que la plupart se produisent lorsque le noyau d'une étoile massive manque de combustible nucléaire, s'effondre sous son propre poids et forme un trou noir, comme illustré dans cette animation. Le trou noir entraîne alors des jets de particules qui traversent l'étoile qui s'effondre presque à la vitesse de la lumière. Ces jets traversent l'étoile, émettant des rayons X et des rayons gamma (magenta) lorsqu'ils se propagent dans l'espace. Ils pénètrent ensuite dans la matière entourant l'étoile condamnée et produisent une rémanence à plusieurs longueurs d'onde qui s'estompe progressivement. Plus nous regardons de face l'un de ces jets, plus il apparaît brillant. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA, qui étudie le ciel à rayons gamma depuis 2008, a résolu le problème du "rebond" dans son instrument principal en utilisant des tours de capteurs en forme de bande. Ce cube de la taille d'une table, le télescope à grande surface de Fermi, était lui-même une technologie révolutionnaire lorsque la mission a été lancée.

Chaque bande cartographie une frappe de rayons gamma dans une seule dimension, tandis que des couches de bandes orientées perpendiculairement les unes aux autres enregistrent la deuxième dimension. Les rayons gamma génèrent une cascade de frappes énergétiques à travers plusieurs couches, fournissant une carte pointant vers la source.

De la taille d'un sac de golf, un instrument de télescope spatial utilisant des capteurs AstroPix nécessiterait deux fois moins de couches que la technologie de détecteur à bande de Fermi, a déclaré Caputo.

"Il est plus facile de dire exactement où les particules interagissent", a déclaré Steinhebel, "car il vous suffit d'identifier le point de la grille avec lequel elles ont interagi. Ensuite, vous utilisez plusieurs couches pour retracer littéralement les chemins empruntés par les particules."

AstroPix pourrait enregistrer des rayons gamma de moindre énergie que la technologie actuelle, a expliqué Steinhebel, car ces photons ont tendance à se perdre en filtrant à travers les multiples couches d'un détecteur à bande. Les capturer fournirait plus d'informations sur ce qui se passe lors d'événements énergétiques de courte durée. "Ces rayons gamma à faible énergie sont les plus courants pendant les pics de luminosité", a-t-elle expliqué.

Les détecteurs de pixels consomment également moins d'électricité pour fonctionner, a déclaré Caputo, un avantage majeur pour les futures missions qui planifient leur consommation d'énergie.

Les détecteurs pixélisés au silicium ont fait leurs preuves dans les expériences sur les accélérateurs de particules, a-t-elle déclaré, et leur utilisation courante et leur production de masse pour les téléphones portables et les appareils photo numériques les rendent plus faciles et moins coûteux à obtenir.

Développer différents prototypes sur plusieurs années et voir AstroPix créer des tracés précis de rayons gamma a été exaltant et extrêmement satisfaisant, a déclaré Steinhebel.

Alors que l'équipe continue de travailler sur le développement et l'amélioration de sa technologie, Caputo a déclaré que la prochaine étape serait de lancer la technologie sur un court vol de fusée à sondage pour des tests supplémentaires au-dessus de l'atmosphère terrestre.

Ils espèrent bénéficier d'une future mission de rayons gamma destinée à approfondir l'étude des événements de l'univers à haute énergie.

"Nous pouvons faire de la science tellement cool avec ça", a déclaré Caputo. "Je veux juste que cela se produise."

Co-fondateur de SpaceRef, membre du Explorers Club, ex-NASA, équipes extérieures, journaliste, espace et astrobiologie, grimpeur décédé.