Van de acht projecten die meedongen om als NASA’s Probe-missie de ruimte in te gaan, zijn er nu nog twee over. Ver-infraroodtelescoop PRIMA en röntgentelescoop AXiS zijn geselecteerd voor de tweede ronde. SRON levert de detectoren, ontwikkeld samen met TU Delft, voor PRIMA.
NASA schreef in 2022 een call uit voor de zogenoemde Probe-missie, waar röntgen- en ver-infraroodmissies zich voor konden inschrijven. Vijf röntgenmissies, waaronder AXiS, Strobe-X en LEM, en drie ver-infraroodmissies (PRIMA, SALTUS, FIRSST) behoorden tot de eerste groep kandidaten. Nu blijven PRIMA en AXiS over om in een zogenoemde phase-A studie aan te tonen dat hun missie het meeste oplevert voor de sterrenkunde en bovendien realiseerbaar is binnen de gestelde tijd en het budget.
SRON deed mee aan alle drie de ver-infraroodvoorstellen met zijn KID-detectoren, ontwikkeld samen met TU Delft. Dat is te danken aan hun ongeëvenaarde gevoeligheid. Professor Jochem Baselmans (SRON/TU Delft) onlangs aan dat zijn KIDs gevoelig genoeg zijn om de achtergrondstraling van het universum te zien. Daarmee bereiken ze de limiet van wat mogelijk is. Nog gevoeliger heeft geen zin omdat de achtergrondstraling dan als ruis in de weg zit.
De gevoeligheid van KIDs maakt het voor het eerst de moeite waard om een supergekoelde ruimtespiegel te maken nabij het absolute nulpunt. Eerdere detectoren waren niet in staat om de voordelen van zo’n relatief dure spiegel te benutten. Dit heeft geleid tot een zogenoemde Terahertz gap in de sterrenkunde. Op deze frequentie—ver-infrarood—hebben astronomen nog nauwelijks het heelal kunnen bestuderen. ‘Met de combinatie van KIDs en een grote koude spiegel gaan we bijvoorbeeld voor het eerst het stof zien in de allereerste sterrenstelsels,’ zegt Baselmans. ‘En wie weet wat nog meer. Dit is het laatste onontgonnen terrein in de sterrenkunde.’
‘Als je detectoren voor een ruimtemissie ontwikkelt, hoort daar uitvoerig testen bij’, zegt projectleider Lorenza Ferrari (SRON). ‘Daarom bouwen we op SRON’s Groningse afdeling een simulator waarin de extreme omstandigheden van ruimte worden nagebootst, zoals kou en vacuüm.’ Onderzoeker Willem Jellema (SRON): ‘We leveren behalve de KIDs ook een optisch component aan PRIMA: een lineair variabel kleurenfilter (LVF). Die combinatie zorgt voor een heel gevoelige meerkleurencamera. De optica ontrafelt het licht in een waaier van ongeveer twaalf verschillende kleuren. Omdat we precies weten hoe een KID werkt binnen een instrument, kunnen we dat heel scherp afstellen.’
Na voltooiing van de phase-A studie zal NASA naar verwachting in 2026 een van deze twee kandidaten selecteren als de daadwerkelijke Probe-missie. Lancering staat dan gepland voor 2032.
PRIMA prototype van een KID detector chip. Credit: Dimitry Lamers (SRON)
SRON levert ook een optisch component aan PRIMA: een lineair variabel kleurenfilter (LVF). Credit (LVF chip): Kenichiro Nagayoshi (SRON) Credit (background): Webb medium-deep field of galaxies. NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI) & R. Jansen (ASU); CC BY 4.0.
Out of the eight projects that competed to become NASA’s Probe mission, only two remain. The Probe far-Infrared Mission for Astrophysics (PRIMA) and the Advanced X-ray Imaging Satellite (AXiS) have been selected for the second round. SRON delivers the detectors for PRIMA, developed together with TU Delft.
In 2022, NASA issued a call for the so-called Probe mission, to which X-ray and far-infrared projects could apply. Five X-ray missions and three far-infrared missions (PRIMA, SALTUS, FIRSST) formed the first group of candidates. Now PRIMA and AXiS have made it to the phase-A study, in which they need to demonstrate that their mission will provide the most benefit to astronomy and is also achievable on time and within budget.
SRON competed in all three far-infrared proposals with its KID detectors, developed jointly with TU Delft. This involvement is due to their unparalleled sensitivity. Professor Jochem Baselmans (SRON/TU Delft) recently showed that his KIDs are sensitive enough to see the background radiation of the Universe. This means they have reached the limit of what is possible.
KID’s sensitivity makes it for the first time worthwhile to build a super cooled space mirror near absolute zero. Previous detectors were unable to exploit the benefits of such a valuable mirror. This led to the ‘Terahertz gap’ in astronomy. At this frequency—far-infrared—astronomers have barely begun to study the Universe. ‘With the combination of KIDs and a large cold mirror, we will see many things for the first time, for example the dust in the very first galaxies,’ says Baselmans. ‘And who knows what else. This part of the spectrum is one of the last unexplored areas in astronomy.’
‘When you develop detectors for a space mission, that also means extensive testing,’ says project leader Lorenza Ferrari (SRON). ‘That is why we are building a setup at SRON’s Groningen location in which the conditions of space are simulated, such as extreme cold and vacuum.’ Researcher Willem Jellema (SRON): ‘In addition to the KIDs, we also develop an optical component for PRIMA: a linear variable filter. That combination provides a very sensitive multi-color camera. The optics divide the light into a range of about twelve different colors. Because we know exactly how a KID works within an instrument, we can fine-tune it precisely.’
Following completion of the Phase A studies, NASA is expected to select one these two candidate missions for implementation early in 2026 with the final mission expected to launch in 2032.
PRIMA prototype MKID detector chip enabling polarimetric imaging observations of Magellanic Clouds and other nearby galaxies. PRIMA will quantify the influence of magnetic fields in star formation and galaxy evolution. The detector array picture reveals little antennas that are rotated with respect to each other. This clocking concept allows detection of the linear degree of polarisation, as intended for the 80-261 µm polarimetric imager of PRIMA. Credit: Dimitry Lamers (SRON)
Linear Variable Filter (LVF) chip enabling extragalactic hyper-spectral imaging with PRIMA. The graded filter chip contains of order 1 million different resonant structures, photo-lithographically patterned into a gold film suspended by a 1 micron thin membrane. The etched structures are 5 times smaller than the diameter of a human hair. The grading of the structures across the surface provides a postion dependent color filter, which converts a far-infrared MKID image sensor into a high efficiency R10 hyper-spectral camera operating between 24-84 µm. Image credit (LVF chip): Kenichiro Nagayoshi (SRON) Image credit (background): Webb medium-deep field of galaxies. NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI) & R. Jansen (ASU); CC BY 4.0.