Nieuwe chip ziet 49 tinten infrarood

Astronomie Met een chip van een paar centimeter kunnen astronomen de straling van oude sterrenstelsels nu heel gedetailleerd meten.

De ASTE-telescoop (in de Atacama-woestijn in Chili, waarop de nieuwe DESHIMA-chip is gemonteerd.
De ASTE-telescoop (in de Atacama-woestijn in Chili, waarop de nieuwe DESHIMA-chip is gemonteerd. Foto NAOJ

Een nieuw soort spectrometer die de afstand en leeftijd van sterrenstelsels bepaalt, heeft bij de eerste proefobservaties 49 tinten in het ver-infraroodspectrum kunnen meten. Het is voor het eerst dat het instrument, een chip ter grootte van een euromunt en een 5 yen-munt, op een telescoop is gebruikt. Onderzoekers van de Stichting Ruimte Onderzoek Nederland (SRON), de TU Delft, Universiteit Leiden en een consortium uit Japan publiceerden de resultaten in Nature Astronomy.

De 10 tot 13 miljard jaar oude straling van verre sterrenstelsels is afkomstig van de hoogenergetische explosies waar stervorming mee gepaard gaat. Het gaat dan om stelsels die tot de oudste van ons 13,7 miljard jaar oude universum behoren. Het licht uit de vroege explosies daar is door de dichte stof- en gaswolken in het sterrenstelsel geabsorbeerd, en vervolgens opnieuw uitgestraald met golflengten van enkele micrometers tot een millimeter: infraroodstraling. Die stof- en gaswolken zijn zo dicht, dat zichtbaar licht er niet doorheen komt.

Duizenden chips

Uiteindelijk willen de onderzoekers een paar duizend van hun nieuwe chips aan elkaar koppelen tot een ‘imaging-spectrometer’, om meerdere stelsels tegelijkertijd te kunnen observeren. Dat nieuwe instrument moet zowel op telescopen hier op aarde als op ruimtetelescopen gebruikt kunnen worden. „Als je met zo’n instrument een plaatje maakt van een stuk hemel en je detecteert de straling van al die objecten, dan heb je ook meteen een driedimensionaal beeld van het heelal”, zegt Jochem Baselmans van de TU Delft die aan het onderzoek meewerkte.

De DESHIMA-chip. Foto Jochem Baselmans

De onderzoekers hebben namelijk ook laten zien dat ze met hun chip niet alleen de positie aan de hemel van een stelsel kunnen bepalen, maar ook hoe ver weg het staat. Dat kan door de zogenoemde roodverschuiving te meten. Hoe verder weg, hoe ‘roder’ het licht.

Astronomen kunnen al een paar jaar hoge-resolutiemetingen doen van infraroodstraling. Die kunnen echter maar een heel kleine band aan frequenties meten (elke golflengte heeft zijn eigen frequentie). Dat kan een probleem zijn als je nog niet precies weet op welke golflengte (of frequentie) je moet zoeken. „Je wilt wel wat resolutie inleveren, als je de bandbreedte kunt ophogen. Dat systeem bestond nog niet”, legt Baselmans uit.

Supergeleidende chip

Het instrument DESHIMA (Deep Spectroscopic High-redshift Mapper) dat de onderzoekers in 2017 op de Chileense ASTE-telescoop monteerden, moet daar verandering in brengen. Net als een prisma breken de filters op de chip het licht op in verschillende golflengten. In tegenstelling tot bij zichtbaar licht kun je de ver-infraroodstraling opvangen in een klein, supergeleidend circuit – een chip – zonder dat het signaal vermogen verliest. In dit geval bestaat de chip uit een dun plaatje niobiumtitaniumnitride (NbTiN). Het instrument is zo maar een paar vierkante centimeter groot en het signaal is grotendeels ruisvrij.

Voor dit eerste experiment is gekeken naar het frequentiebereik van 332 tot 377 GHz dat in 49 stukjes werd opgedeeld door evenveel filters die elk de signaalsterkte voor één specifieke golflengte detecteren. De technologie is uit te breiden, vertelt Baselmans. „Het is nu al het meest breedbandige spectrum bij deze frequenties. We zijn nu bezig met een systeem voor 220 tot 440 GHz.” Dat zijn meer dan 300 ‘tinten’ ver-infrarood.