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. Publicatie op 6 september 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.

Publicatie

J.J.A. Baselmans, F. Facchin, A. Pascual Laguna, J. Bueno, D.J. Thoen, V. Murugesan, N. Llombart, P. de Visser, ‘Ultra-sensitive Super-THz Microwave Kinetic Inductance Detectors for future space telescopes’, Astronomy & Astrophysics

Header image: Andromeda sterrenstelsel in ver-infrarood. Credit ESA/NASA/JPL-Caltech/B. Schulz

Far-infrared detector KID reaches highest possible sensitivity

Compared to most other wavelengths, astronomy has a blind spot in the area of far-infrared radiation. A far-infrared space telescope can only utilize its full sensitivity with an actively cooled mirror below 4 Kelvin (-269 ℃). Such a telescope doesn’t exist yet, which is why there has been little worldwide investment in the development of corresponding detectors. In 2004, SRON decided to break this vicious circle and invest in the development of Kinetic Inductance Detectors (KIDs). Now researchers from SRON and TU Delft have achieved the highest possible sensitivity, comparable to feeling the warmth of a candle on the Moon from Earth. Publication on September 6th in Astronomy & Astrophysics.

In recent years we have been spoiled with the most beautiful pictures from telescopes working with X-rays, infrared, radio and visible light. To name a few: the image of the black hole in M87, the Hubble Extreme Deep Field or the baby picture of a planetary system. But in one wavelength area, astronomy is relatively blind: the far-infrared, especially at wavelengths between 300 μm and 10 μm. The Earth’s atmosphere blocks most of this radiation for ground-based telescopes, while space telescopes often have a temperature such that they blind their detectors with the far-infrared radiation they emit themselves. With so much noise there is little incentive to commit large sums of money to the development of more sensitive far-infrared detectors. And with a lack of sensitive detectors, governments won’t allocate funds to super-cooled noiseless telescopes. The story of the chicken and the egg.

Breakthrough

At the start of this century, SRON decided to break the vicious circle and invest in the development of Kinetic Inductance Detectors (KIDs). That decision is now bearing fruit. Together with the TU Delft, SRON researchers have almost perfected the technology by making them sensitive enough to see the permanent background radiation of the Universe. ‘An even higher sensitivity would have no use,’ says Jochem Baselmans (SRON/TU Delft). ‘Because you will always be limited by the noise of the Universe’s background radiation. So our technology provides telescopes builders such as NASA and ESA with far-infrared detectors as sensitive as possible. We already see two proposals submitted to NASA for a super-cooled telescope. Those are much more expensive than relatively warm telescopes, but our KIDs make it worth it.’

Terahertz gap

KIDs help astronomy to close the terahertz gap, named after the frequency of far-infrared light. Astronomers are now missing out on light produced by stars in the far-away, young Universe, leaving a gap in our knowledge of stellar evolution. Moreover, the terahertz gap is a unique opportunity for adventurous astronomers to dive into the unknown. Baselmans: ‘You don’t know what you don’t know. The Hubble Deep Field was created by pointing the Hubble telescope at a pitch-black piece of the sky with seemingly nothing in it. Afterwards, thousands of galaxies emerged, from an area smaller than one percent of the full moon.’

Candle on the Moon

The sensitivity that the researchers achieved with their KIDs can be best described with a candle on the Moon. Imagine standing on Earth—or floating just above the atmosphere—and holding up your hand to feel the candle’s warmth. Seems like a futile exercise? Not for a KID. It is even ten times more sensitive than that. With an integration time of a second, a KID can detect as little as 3*10^-20 Watt.

Publication

Header image: Andromeda galaxy in far-infrared. Credit ESA/NASA/JPL-Caltech/B. Schulz