SRON-onderzoeker Pieter de Visser krijgt van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) een Veni-beurs van 250.000 euro voor de ontwikkeling van een nieuw type detector om exoplaneten te onderzoeken op onder meer de aanwezigheid van leven of de bouwstenen daarvoor.

(English follows Dutch)

Radiointerview met Pieter op BNR Radio

De gevoelige en efficiënte detector kan uit het zeer zwakke schijnsel van aardachtige exoplaneten, elk afzonderlijk lichtdeeltje (foton) detecteren én daar meteen de energie van meten. Dat laatste maakt dat je een spectrum van de atmosfeer van de exoplaneet kan verkrijgen. Als er bouwstenen van leven op de planeet zijn, zullen hun moleculaire lijnen in zulke spectra te zien zijn.

De zoektocht naar leven op exoplaneten is de komende decennia een van de belangrijkste doelen binnen de astronomie. Sinds de vondst van vele duizenden exoplaneten, groot en klein, heet en koud, van gas of steenachtig, beseffen we dat ons zonnestelsel behoorlijk uniek is. En we moeten onze modellen voor hoe planeten gevormd worden bijstellen. Er zijn nu al heel wat planeten gevonden in de ‘bewoonbare zone’ van hun ster en er volgen er alleen maar meer. De vraag dringt zich op of er daar ook leven is. Een antwoord komt voor de eerste keer in de geschiedenis van de mensheid in zicht.

Technologie achter de zoektocht

Het onderzoek van Pieter de Visser legt het fundament voor toekomstige instrumenten in de ruimte, die gaan speuren naar aardachtige exoplaneten. Het gedetailleerd observeren van een aardachtige exoplaneet zal een flinke uitdaging zijn. Zo’n planeet draait om een ster waarvan het schijnsel 10 miljard keer feller is dan dat van de planeet zelf. Vergelijk het schijnsel van een vuurvliegje met het licht van een vuurtoren.

De Visser werkt met supergeleidende detectoren die niet of nauwelijks ‘ruis’ geven bij metingen. Bovendien zijn ze zo goed in het meten van de energie van het foton – in specialistentaal: ze hebben een intrinsiek energie oplossend vermogen van 70 – dat daarmee een spectrum van de atmosfeer van de exoplaneet kan worden verkregen. En dank zij dat oplossend vermogen wel zo sterk dat de lijnen van de meeste karakteristieke moleculen te zien zijn.

Het zal voor het eerst zijn dat een spectrometer met zulke ultragevoelige detectoren, een zogenaamde Integral Field Spectrograph (IFS), voor zichtbaar licht ontwikkeld wordt. In essentie is de IFS een supergevoelige camera, die kleurenfoto’s kan maken zonder dat daarvoor verstrooiende optische componenten nodig zijn. Omdat de detectie en spectroscopie gecombineerd zijn, is er weinig signaalverlies en kan het ontwerp eenvoudig blijven.

Stappen zetten

Tijdens zijn Veni-onderzoek wil Pieter de Visser belangrijke stappen zetten. “Ten eerste wil ik een enkele detectorpixel ontwikkelen met een energieoplossend vermogen van 20. Ten tweede wil ik een array (schakeling) maken van 2000 van die pixels. En ten derde het energie-oplossend vermogen opvoeren naar 70.”

De 2000-pixel array zal de potentie van de nieuwe technologie in het lab demonstreren. Met een energie oplossend vermogen van 20 worden al toepassingen mogelijk voor ‘fringe-tracking’ en schokgolf detectie met grondtelescopen, twee meetmethoden voor astronomen. Het derde doel is het meest uitdagend en vereist waarschijnlijk een dieper begrip van microscopische fysica van zogenoemde wanordelijke supergeleiders.

Noiseless superconducting detectors to detect extra-terrestrial life

SRON researcher Pieter de Visser will receive a 250.000 euro Veni grant from NWO to develop a novel detector for the study of exoplanets and the presence of life or life’s building blocks on them. The detector will be very sensitive and efficient: each photon coming from a very faint, Earth-like, exoplanet will be detected. Simultaneously its energy is measured. The latter allows astronomers to make a spectrum of the atmosphere of the exoplanet. Such a spectrum can show the molecular lines related to life.

The search for life on exoplanets is one of the most important goals for astronomy in the coming decades. After finding many thousands of exoplanets, large and small, hot and cold, gaseous or rocky, we have realised that our solar system is not typical and we are forced to reinvent planet formation models. Quite a few planets have been found in the habitable zone of their star and therefore the question whether there is life on them is pressing. The answer appears in reach for the first time in human history.

Technology behind the search for life

The research of Pieter de Visser will lay the foundation for future instruments in space that will search for Earth-like exoplanets. Observing an Earth-like exoplanet will be a true challenge as it orbits a parent star that is 10 billion times brighter than the planet. De Visser will base his work on superconducting detectors that are truly noiseless and should ultimately have an intrinsic energy resolving power of 70 to acquire the spectrum of the atmosphere of the exoplanet.

It is for the first time that such an instrument, a so-called Integral Field Spectrograph (IFS), will be developed for visible light, and with these specifications. Essentially, the IFS is a supersensitive camera that can make colour images without requiring dispersive optics. Since imaging and spectroscopy are combined, the final instrument can be of high throughput and may have a simplified design.

Development in steps

During the Veni research Pieter de Visser plans to (i) develop a single pixel with a resolving power of 20, (ii) make an array with 2000 pixels and a resolving power of 20, and (iii) push the resolving power to 70 for a small array. The 2000 pixel array in the second objective will demonstrate the potential of the novel technology in the lab. The resolving power of 20 is more than sufficient to enable demonstrators for fringe tracking and wavefront sensors for ground-based astronomy. The third objective is the most challenging and will probably require deeper understanding of the microscopic physics of disordered superconductors.