Ver-infrarood detector KID bereikt hoogst mogelijke gevoeligheid

Vergeleken met de meeste andere golflengtes heeft de sterrenkunde een blinde vlek op het gebied van ver-infraroodstraling. Een ver-infrarood ruimtetelescoop is pas echt gevoelig met een actief gekoelde spiegel van 4 Kelvin (-269 ℃). Zo’n telescoop bestaat nog niet, en daarom werd er ook weinig geïnvesteerd in de ontwikkeling van bijbehorende detectoren. SRON besloot in 2004 om deze vicieuze cirkel te doorbreken en te investeren in de ontwikkeling van Kinetic Inductance Detectors (KIDs). Nu bereiken SRON-onderzoekers samen met de TU Delft de hoogst mogelijke gevoeligheid, te vergelijken met het voelen van de warmte van een kaars op de Maan vanaf de Aarde.

Het onderzoek is gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics. 

De afgelopen jaren worden we verwend met de prachtigste plaatjes vanuit telescopen die werken met röntgen, infrarood, radio of zichtbare straling. Denk aan de foto van het zwarte gat in M87, de Hubble Extreme Deep Field of de babyfoto van een planetenstelsel. Maar op één golflengtegebied is de sterrenkunde relatief blind: het ver-infrarood, en dan vooral op golflengtes tussen de 300 μm en 10 μm. De aardatmosfeer blokkeert het meeste van die straling voor grondtelescopen, terwijl ruimtetelescopen vaak een dusdanige temperatuur hebben dat ze hun detectoren verblinden met ver-infraroodstraling die ze zelf uitzenden. Met zoveel ruis heeft het geen zin om veel geld te steken in de ontwikkeling van gevoeligere ver-infrarooddetectoren. En door een gebrek aan gevoelige detectoren committeerden overheden ook weer weinig budget aan supergekoelde telescopen die geen ruis veroorzaken. Het verhaal van de kip en het ei.

Doorbraak

Begin deze eeuw besloot SRON om de vicieuze cirkel te gaan doorbreken en te investeren in de ontwikkeling van Kinetic Inductance Detectors (Kids). Dat werpt nu zijn vruchten af. Samen met de TU Delft hebben SRON-onderzoekers de technologie bijna geperfectioneerd door ze zo gevoelig te maken dat ze de permanente achtergrondstraling van het heelal kunnen zien. ‘Nóg gevoeliger heeft geen zin,’ zegt Jochem Baselmans (SRON/TU Delft). ‘Want dan loop je altijd tegen de ruis van de achtergrondstraling zelf aan. Dus krijgen telescoopbouwers als Nasa en Esa nu de beschikking over de gevoeligst mogelijke ver-infrarooddetectoren. Dat zie je al terug in twee voorstellen die er bij NASA liggen voor een supergekoelde telescoop. Die zijn veel duurder dan relatief warme telescopen, maar onze KIDs maken het de moeite waard.’

Terahertz gap

KIDs helpen de sterrenkunde om de terahertz gap te dichten, vernoemd naar de frequentie van ver-infrarood licht. Astronomen zijn nu bijvoorbeeld verstoken van licht dat sterren in het verre, jonge heelal uitzenden, wat een gat veroorzaakt in onze kennis over sterevolutie. De terahertz gap is bovendien een uitgelezen kans voor avontuurlijke sterrenkundigen om een duik te nemen in het onbekende. Baselmans: ‘Je weet niet wat je niet weet. De Hubble Deep Field is gemaakt door de Hubble-telescoop te richten op een pikzwart stukje hemel en maar afwachten wat we zien. Er kwamen duizenden sterrenstelsels tevoorschijn, uit een gebiedje kleiner dan een procent van de volle maan.’

Kaars op de Maan

De gevoeligheid die de onderzoekers hebben bereikt met hun KIDs laat zich goed beschrijven door een kaars op de Maan. Stel je voor dat je op Aarde—of net buiten de dampkring—je hand een paar seconden omhoog houdt om de warmte van die kaars te voelen. Nutteloze exercitie? Een KID lukt dit wel, en is zelfs nog tienmaal gevoeliger. Met een waarneemtijd van een seconde kan een KID zo weinig als 3*10^-20 Watt registreren.