Raios-X, emitidos por matéria com temperatura superior a um milhão de Kelvin, revelam a composição e o movimento de objetos celestes através da espectroscopia de alta resolução. Uma nova era na astronomia de raios-X emerge com o desenvolvimento de calorímetros quânticos, dispositivos que possibilitam medições precisas da energia de raios-X.
Calorímetros Quânticos: A Tecnologia da Precisão
Um calorímetro quântico mede precisamente quanta de energia ao detectar variações mínimas de temperatura causadas pela deposição dessa energia em um absorvedor de baixa capacidade térmica. O absorvedor é conectado a um termômetro, parcialmente isolado de um dissipador de calor, permitindo que o sensor aqueça e resfrie rapidamente. Para reduzir ruídos e capacidade térmica, o dispositivo opera a temperaturas inferiores a 0,1 Kelvin.
A ideia de medição térmica de pequenas quantidades de energia surgiu de forma independente em vários locais, quando cientistas observaram pulsos em termômetros de baixa temperatura e detectores infravermelhos. Atribuíram estes sinais a partículas de raios cósmicos, otimizando detectores para medições precisas de energia de partículas e fótons.
Origens e Desafios da Tecnologia
Em 1982, no Goddard Space Flight Center (GSFC) da Nasa, surgiu a ideia de usar tais sensores para astronomia de raios-X. Harvey Moseley, astrônomo de infravermelho, sugeriu que a detecção térmica poderia melhorar significativamente os detectores de estado sólido existentes. O desenvolvimento avançou e, dois anos depois, um espectrômetro de raios-X com calorímetro quântico (XRS) foi proposto para o projeto *Advanced X-ray Astrophysics Facility* (AXAF) da Nasa. A proposta foi aceita devido ao seu potencial revolucionário, apesar da sua imaturidade técnica.
O projeto AXAF evoluiu e o XRS foi eliminado do seu conjunto de instrumentos. Posteriormente, um novo XRS foi incluído no observatório japonês *Astro-E*, após negociações entre a Nasa e o Instituto Japonês de Ciências Espaciais e Astronáuticas (ISAS). O lançamento do *Astro-E* em 2000 falhou, mas o *Astro-E2*, uma reconstrução do primeiro, foi lançado com sucesso em 2005 e renomeado Suzaku. Contudo, o instrumento XRS do Suzaku parou de funcionar devido à perda de hélio líquido, essencial para o sistema de resfriamento, causada por uma falha no armazenamento.
Em 2016, a missão redesenhada *Astro-H*, incluindo um instrumento com calorímetro quântico e sistema de resfriamento redundante, foi lançada com sucesso e renomeada Hitomi. O espectrômetro de raios-X (SXS) do Hitomi obteve espectros de alta resolução do aglomerado de galáxias de Perseu, antes de ser perdido devido a um problema no sistema de controle de atitude, aproximadamente um mês após o lançamento. Apesar disso, Hitomi foi o primeiro observatório orbital a obter resultados científicos com calorímetros quânticos de raios-X.
O espetacular espectro de Perseu obtido pelo SXS motivou uma nova tentativa de implementação de um espectrômetro de calorímetro quântico espacial. A Missão de Imagem e Espectroscopia de Raios-X (XRISM) foi lançada em setembro de 2023, com o espectrômetro *Resolve*. A missão XRISM, resultado da colaboração entre Estados Unidos e Japão, tem operado em órbita com sucesso por mais de um ano, marcando o início de uma nova era na exploração do universo.
Desenvolvimento da Tecnologia do Sensor
O desenvolvimento da tecnologia do sensor usado no *Resolve* começou há quatro décadas, sendo baseada em termômetros de termistor de silício e absorvedores de raios-X de telureto de mercúrio (HgTe). Esses sensores são compostos por arrays de 32 a 36 pixels, cada um funcionando como um calorímetro quântico independente. Entre as missões *Astro-E* e *Astro-E2*, um novo método para fabricação do termistor reduziu o ruído de baixa frequência, e outros avanços permitiram a fabricação de conexões reprodutíveis entre absorvedores e termistores, viabilizando a construção de arrays quadrados.
Através de um contrato do Programa de Pesquisa de Inovação para Pequenas Empresas (SBIR), a EPIR Technologies Inc. reduziu o calor específico dos absorvedores de HgTe. Melhorias no dissipador de calor permitiram operação a temperaturas ainda mais baixas, reduzindo ainda mais o calor específico. Com essas mudanças, a largura do pixel aumentou de 0,64 mm para 0,83 mm, melhorando a resolução de energia. Entre *Astro-E* e *Astro-H*, a resolução de energia para raios-X de 6000 eV melhorou de 11 eV para 4 eV. Não houve mudanças no design do array entre *Astro-H* e XRISM.
Paralelamente, outras abordagens para arrays de calorímetros quânticos foram desenvolvidas, como o uso de sensores supercondutores de borda de transição (TES), que resultam em melhor resolução de energia, mais pixels por array e multiplexação. Arrays de calorímetros quânticos com milhares de pixels são agora comuns em missões futuras como a *New Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics* (newAthena), da Agência Espacial Europeia. O uso de termômetros paramagnéticos, que não dissipam calor na medição, combinado com cabeamento de alta densidade, é promissor para arrays ainda maiores.
Resultados Iniciais do Resolve
O *Resolve* está revelando informações sobre o universo através da espectroscopia, possibilitando a criação de imagens de ambientes complexos onde gás e poeira com diferentes características emitem e absorvem raios-X. Por exemplo, no centro da galáxia NGC 4151, a matéria espiralando em direção a um buraco negro supermassivo forma uma estrutura circular que, segundo dados do *Resolve*, é ligeiramente irregular. O espectro do *Resolve* mostra uma linha de emissão brilhante de átomos de ferro neutro, proveniente de matéria mais fria na estrutura circular. A forma da linha de ferro necessita de três componentes para ser descrita, cada um vindo de diferentes partes da estrutura. Linhas de absorção no espectro fornecem detalhes adicionais sobre a matéria em queda.
Outro exemplo é a detecção de emissão de raios-X do *Resolve* nos restos de estrelas que explodiram, como a N132D. Esses dados aprimoram nosso entendimento sobre os mecanismos de explosão estelar e a distribuição dos elementos produzidos, permitindo inferir o tipo de estrela que havia antes da supernova. A identificação dos elementos é feita pelas linhas de emissão características, e o efeito Doppler revela a velocidade do material.
Esses resultados são apenas o começo. Os dados do *Resolve* identificam estruturas de velocidade complexas, elementos raros e componentes de múltiplas temperaturas em objetos cósmicos diversos. A era dos calorímetros quânticos está apenas começando, prometendo muitas outras descobertas.
Liderança do Projeto: Dra. Caroline Kilbourne, NASA Goddard Space Flight Center (GSFC), liderou o desenvolvimento do calorímetro quântico de termistor de silício de Astro-E2 a XRISM e o desenvolvimento inicial do TES. Liderança essencial e fundacional foi fornecida por Dr. Harvey Moseley, Dr. John Mather, Dr. Richard Kelley, Dr. Andrew Szymkowiak, Mr. Brent Mott, Dr. F. Scott Porter, Ms. Christine Jhabvala, Dr. James Chervenak (GSFC na época do trabalho) e Dr. Dan McCammon (U. Wisconsin).
Organizações e Programas Patrocinadores: A Divisão de Astrofísica da Sede da NASA patrocinou os projetos, missões e outros esforços que culminaram no desenvolvimento do instrumento Resolve.
Para mais informações sobre os avanços tecnológicos, veja o artigo Astrophysics Technology Highlight.
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