Lo studio dell’emissione di raggi X da oggetti astronomici rivela segreti sull’Universo alle scale spaziali più grandi e più piccole. I raggi X celesti sono prodotti dai buchi neri che consumano le stelle vicine, emessi dal gas a milioni di gradi che traccia la struttura tra le galassie e possono essere utilizzati per prevedere se le stelle potrebbero essere in grado di ospitare pianeti ospitali per la vita. Le osservazioni a raggi X hanno mostrato che la maggior parte della materia visibile nell’universo esiste come gas caldo tra le galassie e hanno dimostrato in modo conclusivo che la presenza di “materia oscura” è necessaria per spiegare le dinamiche degli ammassi di galassie, che la materia oscura domina la massa degli ammassi di galassie e che governa l’espansione del cosmo.
Le osservazioni a raggi X ci consentono anche di sondare i misteri dell’Universo su scale più piccole. Le osservazioni a raggi X di oggetti compatti come nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri ci consentono di usare l’Universo come un laboratorio di fisica per studiare condizioni che sono ordini di grandezza più estreme in termini di densità, pressione, temperatura e intensità del campo magnetico rispetto a qualsiasi cosa possa essere prodotta sulla Terra. In questo laboratorio astrofisico, i ricercatori si aspettano di rivelare nuova fisica su scala subatomica conducendo indagini come la sonda dell’equazione di stato delle stelle di neutroni e il test dell’elettrodinamica quantistica con osservazioni delle atmosfere delle stelle di neutroni. Al Marshall Space Flight Center della NASA, un team di scienziati e ingegneri sta costruendo, testando e facendo volare ottiche innovative che mettono a fuoco in modo più nitido i misteri dei raggi X dell’Universo.
A differenza dei telescopi ottici che creano immagini riflettendo o rifrangendo la luce ad angoli prossimi a 90 gradi (incidenza normale), l’ottica a raggi X focalizzata deve essere progettata per riflettere la luce ad angoli molto piccoli (incidenza radente). A incidenza normale, i raggi X vengono assorbiti dalla superficie di uno specchio o la penetrano completamente. Tuttavia, ad angoli di incidenza radenti, i raggi X si riflettono in modo molto efficiente a causa di un effetto chiamato riflessione esterna totale. A incidenza radente, i raggi X si riflettono dalla superficie di uno specchio come sassi che rimbalzano sulla superficie di uno stagno.
Un design classico per l’ottica astronomica a incidenza radente è la prescrizione Wolter-I, che consiste in due superfici riflettenti, una parabola e un’iperbole (vedere la figura sotto). Questa prescrizione ottica viene ruotata attorno all’asse ottico per produrre uno specchio a guscio completo (vale a dire, lo specchio si estende per l’intera circonferenza) che assomiglia a un cono leggermente rastremato. Per aumentare l’area di raccolta della luce, vengono fabbricati più gusci di specchio con diametri progressivamente più grandi e una messa a fuoco comune e annidati concentricamente per comprendere un assemblaggio di moduli specchio (MMA).
Le ottiche di messa a fuoco sono fondamentali per studiare l’universo a raggi X perché, a differenza di altri sistemi ottici come collimatori o maschere codificate, producono immagini con un elevato rapporto segnale/rumore con un basso rumore di fondo. Due parametri chiave che caratterizzano le prestazioni dell’ottica a raggi X sono la risoluzione angolare, ovvero la capacità di un sistema ottico di distinguere tra oggetti ravvicinati, e l’area effettiva, ovvero l’area di raccolta della luce del telescopio, in genere indicata in unità di cm2 . La risoluzione angolare è in genere misurata come il diametro di mezza potenza (HPD) di un punto focalizzato in unità di secondi d’arco. L’HPD circonda metà dei fotoni incidenti in un punto focalizzato e misura la nitidezza dell’immagine finale; un numero inferiore è migliore.
Il NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) costruisce e fa volare ottiche a raggi X focalizzate, leggere e a guscio intero da oltre tre decenni, soddisfacendo o superando sempre i requisiti di risoluzione angolare e area effettiva. Il MSFC utilizza una tecnica di replicazione del nichel elettroformato (ENR) per realizzare queste ottiche a raggi X sottili a guscio intero in lega di nichel.
Lo sviluppo dell’ottica a raggi X presso MSFC è iniziato nei primi anni ’90 con la fabbricazione di ottiche per supportare l’Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF-S) della NASA e poi è proseguito tramite i programmi di sviluppo della tecnologia Constellation-X. Nel 2001, MSFC ha lanciato un carico utile di pallone che includeva due moduli ciascuno con tre specchi, che hanno prodotto le prime immagini focalizzate di raggi X duri (>10 keV) di una sorgente astrofisica tramite l’imaging di Cygnus X-1, GRS 1915 e la Nebulosa del Granchio. Questo sforzo iniziale ha portato a diverse missioni di follow-up nei successivi 12 anni ed è diventato noto come programma di pallone High Energy Replicated Optics (HERO).
Nel 2012, il primo dei quattro voli di razzi sonda del Focusing Optics X-ray Solar Imager (FOXSI) ha volato con ottiche MSFC a bordo, producendo le prime immagini focalizzate del Sole a energie superiori a 5 keV. Nel 2019, lo strumento Astronomical Roentgen Telescope X-ray Concentrator (ART-XC) sulla missione Spectr-Roentgen-Gamma è stato lanciato con sette MMA a raggi X fabbricati da MSFC, ciascuno contenente 28 gusci di specchi. ART-XC sta attualmente mappando il cielo nell’intervallo di energia dei raggi X duri da 4 a 30 keV, studiando oggetti esotici come le stelle di neutroni nella nostra galassia e i nuclei galattici attivi, che sono sparsi nell’universo visibile. Nel 2021, l’Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) ha volato e ora sta eseguendo una scienza straordinaria con un team guidato da MSFC utilizzando tre MMA a 24 gusci fabbricati e calibrati internamente.
Più di recente, nel 2024, è stata lanciata la quarta campagna di razzi sonda FOXSI con un MMA MSFC ad alta risoluzione. L’ottica ha raggiunto una risoluzione angolare HPD di 9,5 secondi d’arco durante il test pre-volo con un HPD previsto di 7 secondi d’arco in volo senza gravità, rendendo questa l’osservazione di volo con la più alta risoluzione angolare realizzata con un’ottica a raggi X replicata in nichel. Attualmente MSFC sta realizzando un MMA per la dimostrazione sperimentale del razzo di un polarimetro a raggi X morbidi (REDSoX), una missione di razzi sonda che farà volare un nuovo strumento polarimetro a raggi X morbidi per osservare i nuclei galattici attivi. L’ottica MMA REDSoX avrà un diametro di 444 mm, il che la renderà la più grande MMA mai prodotta da MSFC e la seconda più grande ottica a raggi X replicata in nichel al mondo.
Le prestazioni finali di un’ottica a raggi X sono determinate da errori nella forma, posizione e ruvidità della superficie ottica. Per spingere le prestazioni dell’ottica a raggi X verso una risoluzione angolare ancora più elevata e raggiungere obiettivi scientifici più ambiziosi, MSFC è attualmente impegnata in uno sforzo fondamentale di ricerca e sviluppo per migliorare tutti gli aspetti della fabbricazione di ottiche full-shell.
Dato che queste ottiche sono realizzate con la tecnica di replicazione del nichel elettroformato, il processo di fabbricazione inizia con la creazione di un master di replicazione, chiamato mandrino, che è un negativo della superficie ottica desiderata. Innanzitutto, il mandrino viene sagomato e lucidato secondo le specifiche, quindi un sottile strato di lega di nichel viene elettroformato sulla superficie del mandrino. Successivamente, lo strato di lega di nichel viene rimosso per produrre un guscio ottico replicato e infine il guscio sottile viene attaccato a una struttura di supporto rigida per l’uso.
Ogni fase di questo processo conferisce un certo grado di errore al guscio finale replicato. Gli sforzi di ricerca e sviluppo presso MSFC si stanno attualmente concentrando sulla riduzione della distorsione indotta durante le fasi di deposizione e rilascio del metallo tramite elettroformatura. La distorsione indotta dall’elettroformatura è causata dallo stress del materiale incorporato nel materiale elettroformato mentre si deposita sul mandrino. La riduzione della distorsione indotta dal rilascio è una questione di riduzione della forza di adesione tra il guscio e il mandrino, aumento della resistenza del materiale del guscio per prevenire lo snervamento e riduzione dei difetti puntuali nello strato di rilascio.
Inoltre, la verifica delle prestazioni di queste ottiche avanzate richiede strutture di prova di livello mondiale. La premessa di base per testare un’ottica progettata per l’astrofisica a raggi X è quella di posizionare una piccola e luminosa sorgente di raggi X lontano dall’ottica. Se la dimensione angolare della sorgente, come vista dall’ottica, è inferiore alla risoluzione angolare dell’ottica, la sorgente simula efficacemente la luce stellare a raggi X. A causa dell’assorbimento dei raggi X da parte dell’aria, l’intero percorso della luce della struttura di prova deve essere posizionato all’interno di una camera a vuoto.
Presso MSFC, un gruppo di scienziati e ingegneri gestisce la linea di luce a raggi X Marshall da 100 metri, una struttura di prova end-to-end di livello mondiale per ottiche, strumenti e telescopi a raggi X da volo e da laboratorio. Come suggerisce il nome, è composta da un tubo a vuoto lungo 100 metri con una camera per strumenti lunga 8 metri e con un diametro di 3 metri e una varietà di sorgenti a raggi X che vanno da 0,25 a 114 keV. Dall’altra parte della strada si trova la struttura per raggi X e criogenici (XRCF), una linea di luce lunga 527 metri con una camera per strumenti lunga 18 metri e con un diametro di 6 metri. Queste strutture sono a disposizione della comunità scientifica per l’uso e mettono in risalto la completa capacità di sviluppo e test dell’ottica per cui Marshall è nota.
All’interno della comunità di astrofisica a raggi X esiste una varietà di esigenze di risoluzione angolare e area effettiva per l’ottica di messa a fuoco. Data la sua storia illustre nell’ottica a raggi X, MSFC è in una posizione unica per soddisfare i requisiti per l’ottica a raggi X a risoluzione angolare grande o piccola, media o alta. Per aiutare a guidare lo sviluppo della tecnologia, la comunità di astrofisica si riunisce una volta ogni decennio per produrre un sondaggio decennale. La necessità di un’ottica a raggi X ad alta risoluzione angolare e ad alta produttività è fortemente sostenuta dal rapporto delle National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for the 2020s . Nel perseguimento di questo obiettivo, MSFC continua a far progredire lo stato dell’arte nell’ottica full-shell. Questo lavoro consentirà di svelare gli straordinari misteri dell’universo a raggi X.
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