Waarnemingen van het heelal bij golflengten tussen 0,3 – 3 mm stellen ons in staat om het koude en obscure heelal te bestuderen. Dit type straling wordt uitgezonden door koude objecten zoals gas- en stofwolken.
Verborgen in deze wolken bevinden zich de geboortekamers van nieuwe planetenstelsels en zelfs hele sterrenstelsels. Optische instrumenten kunnen niet door deze wolken heen prikken. Daarom ziet het heelal er in het sub-mm heel anders uit dan in het optisch, omdat we heel andere objecten zien.
Figuur 1. Composiet van een deel van het optische Hubble-diepveld (in blauw), overlayed met een ALMA-opname op 1,3 mm van hetzelfde veld. Het is duidelijk dat ALMA-objecten onzichtbaar zijn voor Hubble, en omgekeerd.
Technologiekloof
Er zijn verschillende camera’s actief in het sub-mm gebied, zoals AMKID en SCUBA-2, en spectroscopische instrumenten zoals ALMA en NOEMA. Wat echter ontbreekt is een spectrometer met een grote bandbreedte, wat vooral relevant is bij het meten van objecten buiten ons eigen melkwegstelsel. Door de uitdijing van het heelal wordt de golflengte van hun straling uitgerekt, oftewel roodverschoven. Een spectrometer met een smalle band kan gemakkelijk een spectroscopisch kenmerk missen, zoals de emissielijn van een specifiek element zoals CO. Bovendien kunnen we bij het meten van een paar emissielijnen over een brede band de roodverschuiving achterhalen, die direct gerelateerd is aan de afstand van het object. Uiteindelijk kunnen we met een breedbandspectrometer de afstand van buitengalactische objecten meten en zo een 3D-kaart van het heelal maken. Andere belangrijke toepassingen zijn in de kosmologie, omdat een breedbandspectrometer ideaal is om de kosmische microgolfachtergrond in kaart te brengen – de overgebleven straling van de oerknal.
Figuur 2. Door de roodverschuiving van afstandsobjecten te meten met een on-chip spectrometer, verandert een 2D-kaart in een 3D-model van het heelal, samen met het eerste lichtspectrum (linksboven). Het DESHIMA-instrument (rechtsboven) is opgesteld bij de ASTE-telescoop.
Werkingsprincipe
Dispersieve spectrometers met tralies of prisma’s worden erg groot (~1 meter) bij submm-golflengten. Om dit probleem op te lossen heeft SRON de on-chip spectrometer uitgevonden. Deze schakeling, gebaseerd op supergeleidende NbTiN-films, koppelt zich aan het breedbandsignaal van een telescoop en verdeelt het in smalbandige secties met behulp van een set filters. Elk filter is verbonden met zijn eigen detector, zodat elke detector slechts gevoelig is voor één golflengte. Het eerste instrument, DESHIMA, werd in 2016 geïnstalleerd op de ASTE-telescoop in Chili en heeft met succes spectra van verschillende bronnen gedetecteerd. In 2023 werd de verbeterde DESHIMA-2 geïnstalleerd op de ASTE-telescoop, met een nog hogere gevoeligheid en een grotere bandbreedte.
Figuur 3. Principe van een on-chip spectrometer: straling uit de ruimte (THz-signaal) wordt gekoppeld aan een antenne, die het in een transmissielijn naar een set filters stuurt, die elk slechts een signaal met beperkte bandbreedte doorlaten naar een detector. Een afbeelding van de eerste realisatie van dit concept, DESHIMA-1, wordt rechts getoond.
