Μια ομάδα Ιαπώνων επιστημόνων ανέπτυξε ένα τηλεσκόπιο ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης ικανό να ανιχνεύσει ένα αντικείμενο πλάτους μόλις 3,5 χιλιοστών από απόσταση ενός χιλιομέτρου. Δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας ένα μοναδικό επίγειο σύστημα που προσομοιώνει το φως των αστεριών.

Το έργο φέρνει σε επαφή ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια και την εγκατάσταση σύγχροτρον SPring-8, συνδυάζοντας την εμπειρία τους στην αστρονομία και τη μηχανική ακριβείας. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στις “Δημοσιεύσεις της Αστρονομικής Εταιρείας του Ειρηνικού“, υπογραμμίζουν τόσο το τεχνικό επίτευγμα όσο και έναν νέο δρόμο για μικρότερα, υψηλής απόδοσης όργανα.

Η παρατήρηση του σύμπαντος με ακτίνες Χ παραμένει το κλειδί για την κατανόηση ακραίων κοσμικών περιβαλλόντων. Όπως δηλώνουν οι ερευνητές, γεγονότα όπως οι ηλιακές εκλάμψεις, οι αστρικές εκρήξεις και η ύλη κοντά σε μαύρες τρύπες εκπέμπουν έντονη ακτινοβολία ακτίνων Χ που μεταφέρει κρίσιμες πληροφορίες από άποψη φυσικής επιστήμης.

Η “καρδιά” του τηλεσκοπίου βρίσκεται στο κάτοπτρό του, ένα εξάρτημα που πρέπει να πληροί ασυνήθιστα αυστηρές απαιτήσεις. Οι ακτίνες Χ δεν συμπεριφέρονται όπως το ορατό φως και μπορούν να ανακλαστούν μόνο σε πολύ μικρές γωνίες. Αυτό απαιτεί επιφάνειες διαμορφωμένες με ακρίβεια νανομέτρου.

Για να αντιμετωπίσει αυτήν την πρόκληση, η ομάδα χρησιμοποίησε μια μέθοδο ηλεκτροδιαμόρφωσης ακριβείας που αναπτύχθηκε στο SPring-8. Όπως αναφέρεται στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Publications of the Astronomical Society of the Pacific, παρήγαγαν έναν καθρέφτη από νικέλιο με διάμετρο 60 mm και ύψος 200 mm.

Αυτός ο καθρέφτης διαφέρει από τα συμβατικά σχέδια σε μια βασική πτυχή. Είναι ένα ενιαίο κέλυφος χωρίς ραφές. Χωρίς αρμούς ή ραφές, υπάρχουν λιγότερες πιθανότητες για κακή ευθυγράμμιση ή παραμόρφωση. Όπως εξήγησε ο Ikuyuki Mitsuishi, επικεφαλής του έργου στη Μεταπτυχιακή Σχολή Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Nagoya:

«Ο καθρέφτης είναι σαν μια πολύ ακριβής χοάνη για ακτίνες Χ. Αν οποιοδήποτε μέρος της χοάνης είναι έστω και λίγο εκτός θέσης, οι ακτίνες Χ αστοχούν στον στόχο τους και η εικόνα θολώνει». Πρόσθεσε ότι: «Πρέπει επίσης να επιβιώσει από τις έντονες δονήσεις μιας εκτόξευσης πυραύλου, διατηρώντας παράλληλα την οπτική του ακρίβεια».

Πριν από την αποστολή του τηλεσκοπίου στο διάστημα, οι ερευνητές έπρεπε να επαληθεύσουν την απόδοσή του σε ρεαλιστικές συνθήκες. Αυτό αποτελούσε μια θεμελιώδη δυσκολία, καθώς το φως των άστρων φτάνει στη Γη ως σχεδόν παράλληλες ακτίνες λόγω των τεράστιων αποστάσεων που υπάρχουν.

Για να αναπαράγει αυτό, η ομάδα σχεδίασε ένα ειδικό σύστημα δοκιμών στο SPring-8. Σύμφωνα με τους ερευνητές, τοποθέτησαν μια πηγή ακτίνων Χ 10 μικρομέτρων περίπου 900 μέτρα μακριά από τον καθρέφτη. Σε αυτή την απόσταση, οι ακτίνες παραμένουν επαρκώς παράλληλες ώστε να προσομοιώνουν εκείνες που προέρχονται από μακρινά αστέρια.

Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε την ακριβή μέτρηση της γωνιακής ανάλυσης του τηλεσκοπίου. Ο Ryuto Fujii, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε ότι:

«Είναι το πρώτο επίγειο σύστημα ικανό να αξιολογεί με ακρίβεια την απόδοση των διαστημικών τηλεσκοπίων ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης σε σκληρές ενέργειες ακτίνων Χ και είναι διαθέσιμο σε ερευνητές παγκοσμίως που θέλουν να αναπτύξουν και να δοκιμάσουν παρόμοια τεχνολογία».

Το τηλεσκόπιο αργότερα μεταφέρθηκε με τον FOXSI-4, μια πυραυλική αποστολή ανίχνευσης που εκτοξεύτηκε από την Αλάσκα στις 17 Απριλίου 2024. Η αποστολή μετέφερε επτά τηλεσκόπια ακτίνων Χ σχεδιασμένα για να παρατηρούν τη δραστηριότητα του Ήλιου.

Με βάση τα δεδομένα της αποστολής, το όργανο παρατήρησε με επιτυχία μια ενεργή ηλιακή έκλαμψη, επιβεβαιώνοντας τις δυνατότητές του σε πραγματικές συνθήκες. Αυτή η πτήση σηματοδότησε την πρώτη συμμετοχή ενός εγχώρια ανεπτυγμένου ιαπωνικού τηλεσκοπίου ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης σε ένα διεθνές πρόγραμμα πυραυλικών βυθομετρήσεων.

Οι ερευνητές εντόπισαν ότι ο κύριος περιορισμός στην ευκρίνεια της εικόνας προέρχεται από μικροσκοπικές ατέλειες κατά μήκος της επιφάνειας του καθρέφτη. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν μια σαφή κατεύθυνση για βελτίωση. Μια ενημερωμένη έκδοση του τηλεσκοπίου έχει δρομολογηθεί για το FOXSI-5, που έχει προγραμματιστεί για το 2026.

Μακροπρόθεσμα, ο στόχος είναι να “συρρικνωθεί” αυτή η τεχνολογία ώστε να μπορεί να χωρέσει μέσα στους CubeSats, αυτούς τους μικροσκοπικούς δορυφόρους που έχουν περίπου το μέγεθος ενός κουτιού παπουτσιών. Η ερευνητική ομάδα δήλωσε ότι καμία αποστολή δεν έχει χρησιμοποιήσει ακόμη οπτικά συστήματα ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης σε τόσο μικρές πλατφόρμες, κάτι που θα μπορούσε να κάνει τις διαστημικές παρατηρήσεις ακτίνων Χ πολύ πιο εύκολη στην πρόσβαση.

photo: pixabay