Satellite instrumentation for High-energy astrophysics. The main aims of the Astronomy and Space Science Group (GACE) is to develop space-borne instrumentation for high-energy astrophysics satellites, as well as data analysis of cosmic X and Gamma-ray sources using ground-based facilities. Here the author outlines the group’s work in the following areas: Low Energy Gamma-ray Imager (LEGRI) on Minisat-01 mission, the spatial multiplexing systems on the ESA mission International Gamma-ray Astrophysical Laboratory (INTEGRAL), and on-going co-operative projects with Denmark and NASA.
El Grup d’Astronomia i Ciències de l’Espai (GACE) naix a finals dels anys vuitanta com una línia d’investigació dins del Departament de Matemàtica Aplicada i Astronomia que més tard es consolida dins del Departament d’Astronomia i Astrofísica i en l’Institut de Ciències dels Materials de la Universitat de València. La idea matriu del GACE va ser la d’ampliar el camp de treball des del punt de vista purament observacional i d’anàlisi de dades en l’òptic que fins el moment realitzaven els seus investigadors fins al camp del desenvolupament d’instrumentació per a astronomia d’alta energia embarcada en satèl·lits. Amb la participació en els projectes Legri i Integral, el GACE s’amplia i passa de ser un grup merament de la Universitat de València (UVEG) a un grup més ampli amb investigadors del CSIC-IFIC i de les universitats d’Alacant i Jaume I. Les dues àrees de treball fonamentals han estat el desenvolupament del Legri per al Minisat-01 espanyol i el satèl·lit Integral de l’Agència Espacial Europea (ESA). També s’ha mantingut una activitat sostinguda en l’àrea d’anàlisi de dades en l’òptic i l’infraroig de sistemes binaris emissors de raigs X d’alta massa.
LEGRI
LEGRI és l’acrònim de Low Energy Gamma-Ray Imager. Com el seu nom indica es tracta d’un instrument astronòmic que té com a propòsit fer imatges en el rang dels raigs gamma dèbils amb energies entre els 20-200 KeV. El LEGRI és definit al voltant de l’ús de dues noves tecnologies: multiplexadors espacials del senyal (màscares codificades) i una nova generació de detectors d’estat sòlid. El LEGRI és en realitat un prototipus de demostració en l’espai de les tecnologies que seran usades de manera massiva en l’Integral.
Una visió artística del Minisat-01 i de les seues unitats.
La tècnica de codificació del senyal mitjançant màscares codificades en astronomia d’alta energia es va posar en pràctica operacionalment per primera vegada en la missió francosoviètica Granat, el 1990. La idea és molt senzilla. En alta energia no es poden fer servir lents o espills per fer imatges, la llum simplement els travessa sense adonar-se de la seua presència. L’alternativa elegida consisteix a mirar el passat i usar el principi en què es basa la primera càmera fotogràfica de mitjan segle xix. Una placa opaca a la llum i un simple forat ens donen una imatge sobre el nostre detector que és la placa fotogràfica. Són les fotos primitives, no hi ha lents ni espills, tan sols un forat i un detector de llum.
Una màscara codificada és el mateix. Una placa opaca molt densa per poder frenar la llum (wolframi) amb molts forats petits. Per què molts forats? La raó és simple, el nombre de fotons d’alta energia és molt petit fins i tot per a les fonts més brillants de l’univers, com ara els púlsars, els estels de neutrons i els forats negres. L’univers és escàs en fotons molt energètics, perquè solament processos en condicions extremes els poden produir. Per tant necessitem la màxima àrea col·lectora possible i això ho aconseguim fent més forats en la placa. El LEGRI porta 98 càmeres elementals funcionant juntes. La resolució del problema matemàtic que això planteja no és pas trivial. Aquest és un dels treballs prioritaris de desenvolupament en el GACE tant per al LEGRI com per a l’Integral. Els algorismes i els codis numèrics per realitzar la deconvolució. Les màscares codificades representen formes de treball noves en una òptica no geomètrica. És una nova òptica «binària».
Els detectors del LEGRI són cristalls de HgI2 i de CdZnTe de novíssima generació produïts a Espanya i als EUA. Representen un avenç espectacular respecte als dispositius utilitzats fins al moment amb reduccions en massa i volum en factors 10 a 100. A més treballen a temperatures ambient (10° C) qualitat que els fa especialment adequats per a l’espai. No cal refredar-los!
D’acord amb aquests dos conceptes es va començar a desenvolupar el LEGRI el 1993, i es va lliurar a l’Institut Nacional de Tècnica Aeroespacial (INTA) el 1996 per al seu muntatge en el Minisat-01. Tot el maquinari de vol i el programari de bord i de terra es va desenvolupar a Espanya i al Regne Unit. En total, amb 100 detectors d’1 cm2 cadascun, el LEGRI pesa 25 kg i consta de les següents unitats: unitat detectora (UVEG), máscara codificada (UVEG), unitat de procés de dades (U. Birmingham), unitat d’alta tensió i sensor estel·lar (Rutherford Appleton Laboratory).
L’Science Operation Center està en la Universitat de València i és l’encarregat de les operacions del LEGRI. Les seues funcions són la recepció dels fitxers originals de dades, la seua descompressió, la vigilància de la salut de l’instrument (temperatures i voltatges), les anotacions dades orbitals i arxiu dels diferents fitxers de dades. Des del seu llançament el 24 d’abril de 1997, el LEGRI envia un 7 Mb de dades cada dia, el que representa a hores d’ara un volum d’uns 3,5 Gb de dades comprimides.
El pròxim 21 d’abril, si tot va bé, complirem els dos anys d’operacions, que és la vida útil definida per al Minisat. Tot un èxit si es té en compte que el Minisat és el primer satèl·lit mitjà desenvolupat totalment a Espanya, a l’igual com el LEGRI és el primer instrument astronòmic de vol desenvolupat a Espanya.
INTEGRAL
L’Integral és un dels satèl·lits que componen el programa científic de l’Agència Espacial Europea. Des de la seua concepció el 1990, l’Integral està definit com una missió classe observatori dirigida a explorar l’univers a alta energia en el rang gamma 20 KeV-10 MeV.
Es tracta d’una plataforma multiús que permet fer estudis en aquesta regió de l’espectre durant els sis anys previstos de funcionament, entre l’any 2001 i el 2006. La comunitat astronòmica internacional podrà demanar temps d’observació que seran assignats mitjançant processos de selecció competitius. De fet Integral és l’única missió prevista en el món en astronomia d’alta energia per al decenni vinent. En la seua definició es van tenir en compte tres paràmetres fonamentals: capacitat per fer imatges i per localitzar la posició de les fonts amb precisions 3.000 vegades superiors a les existents actualment, l’ús de noves tecnologies de detectors en estat sòlid i de sistemes actius de supressió del soroll provocat pels raigs còsmics de manera que n’augmentem la sensibilitat en un factor 10 respecte als satèl·lits actuals. D’aquesta manera s’espera poder obtenir dades fonamentals per a astronomia dels objectes compactes galàctics (estels de neutrons i forats negres), sobre les regions on es produeixen o s’han produït processos de nucleosíntesi d’elements pesants (com ara les supernoves), resoldre la incògnita de l’existència d’un forat negre molt massiu en el centre de la galàxia estudiant la línia d’aniquilació matèria-antimatèria dels 511 KeV i, finalment, estendre considerablement el nostre coneixement sobre els nuclis actius de galàxies amb forats negres supermassius i sobre els enigmàtics quàsars.
Visió frontal del satèl·lit on es veuen les màscares.
Aquest conjunt d’objectius amb les seues tecnologies associades que constitueixen la definició de l’Integral va ser aprovat per l’Esa el 1994 dins d’un procés de selecció realitzat entre 52 propostes de quatre anys de durada. Integral és un satèl·lit de gran pes (4.000 kg) amb una òrbita molt excèntrica, entre els 10.000 i els 150.000 km per a evitar els cinturons de radiació que envolten la Terra. En el seu desenvolupament col·laboren instituts i centres d’investigació de la pràctica totalitat de la UE, més Rússia i centres dels EUA. La seua complexitat i cost (500 milions d’euros) fan que solament una àmplia col·laboració internacional puga dur-lo avant en més de deu anys de feina.
La participació de la Universitat de València en el projecte es remunta a la seua concepció el 1990. L’autor d’aquest article va ser un dels quinze proponents de la missió i la resta dels membres de l’equip espanyol que treballen en el projecte s’hi van anar incorporant a mesura que aquest anava desenvolupant-se fins assolir actualment un nombre total de cinquanta investigadors.
Els sistemes òptics per a la instrumentació d’Integral estan basats en el principi de multiplexació espacial del senyal, com els del LEGRI exposats adés. Són, per tant, màscares codificades, per bé que molt més grans, complexes i precises que les del LEGRI. El seu pes aproximat és de 400 kg en comparació amb els 2,5 kg de la del LEGRI, i el seu cost, segons estimacions de l’ESA, és de 10 milions d’euros.
Durant els darrers quatre anys l’equip del GACE ha desenvolupat el disseny científic, tècnic i la fabricació dels diferents models de les tres màscares. En aquest desenvolupament treballen 25 investigadors del GACE i de l’INTA i 14 empreses.
El 1998 els models de qualificació de les tres màscares van ser lliurats a l’ESA i provats amb el model del satèl·lit. Els resultats han estat totalment satisfactoris i han culminat quatre anys de feina. A hores d’ara procedim a la fabricació dels models de vol, que esperem enllestir a mitjan any 2000.
PROJECTES FUTURS
A banda dels dos projectes anteriorment esmentats, el GACE ha participat i participa en dos projectes espacials més. El XRASE, en col·laboració amb la Universitat de Harvard, per a la NASA, i l’AXO, amb el Danish Space Reserach Institute. L’objectiu del primer és fer espectroscòpia de molt alta resolució de plasmes còsmics. L’AXO pretén observar les emissions de raigs X de les tempestes (raigs) en la Terra i a les regions polars. Per treballar-hi fa servir una tecnologia de detectors en estat sòlid de CdZnTe anàlegs als del LEGRI però amb una resolució millorada en un factor pròxim a 10. Aquest projecte ha estat seleccionat com un dels quatre finalistes de dotze propostes i esperem una decisió per a aquest estiu.
