De karakterisering van exoplaneten is een van de belangrijkste doelen voor de sterrenkunde in de komende decennia.
Naast de basisparameters van een exoplaneet, zoals zijn baan, massa en grootte, willen we ook de samenstelling van de planeet zelf en zijn atmosfeer (indien aanwezig) weten. Deze karakterisering is alleen mogelijk door spectroscopie van het sterlicht dat door de atmosfeer sijpelt en op de wolken weerkaatst.
Figuur 1. Atmosferisch spectrum van een aardachtige exoplaneet in de bewoonbare zone; exoplaneten kunnen heel verschillende vingerafdrukken van hun atmosfeer hebben.
Spectroscopie van exoplaneten
De atmosferen van exoplaneten kunnen worden bestudeerd op zichtbare en nabij-infrarode golflengten (bijvoorbeeld met NASA’s toekomstige Habitable Worlds Observatory) en op midden-infrarode golflengten (bijvoorbeeld met ESA’s toekomstige Large Interferometer For Exoplanets). Deze spectroscopische vensters geven complementaire informatie. In beide gevallen overtreft de ster de planeet met een factor tien miljoen of zelfs een miljard, respectievelijk in het midden-infrarood of in het zichtbare/nabije-infrarood. Het meetinstrument moet het meeste sterrenlicht uit zijn zicht verwijderen voordat het enige zinvolle informatie over de planeet kan verzamelen. En zelfs dan moet het de meeste binnenkomende lichtdeeltjes efficiënt opvangen, want exoplaneten zijn notoir zwakke lichtbronnen.
Fotonspectroscopie
SRON ontwikkelt een spectrograaf gebaseerd op MKID’s die geoptimaliseerd zijn voor zichtbare, nabij-infrarode en midden-infrarode golflengten. Deze detectoren identificeren enkelvoudige fotonen met een intrinsiek energieoplossend vermogen van meer dan 100, wat spectroscopie mogelijk maakt zonder dispersieve optiek zoals roosters of een prisma. Dit betekent dat er minder optische elementen nodig zijn, waardoor een eenvoudiger en efficiënter ontwerp mogelijk is. In tegenstelling tot conventionele halfgeleiderdetectoren kunnen MKID’s enkele fotonen detecteren en karakteriseren zonder de nadelen van donkere stroom en leesruis.
MKID’s zijn gebaseerd op een supergeleidend metaal waarvan de elektrische weerstand verdwijnt wanneer het wordt afgekoeld tot lage temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt. Om gebruik te maken van deze eigenschap houden we onze MKID’s rond een temperatuur van 0,1 graden boven nul-0,1 Kelvin. Wanneer een lichtstraal de detector raakt, warmt het metaal op en verandert de supergeleidende toestand. Dit beïnvloedt de elektrische stroom die er doorheen loopt, wat we waarnemen in het uitleessignaal. MKID’s zijn ideaal om in een grote array te koppelen omdat ze gemakkelijk in één keer uit te lezen zijn. Om onderscheid te maken tussen pixels geven we elke detector een iets andere lengte zodat hun uitleessignaal een andere frequentie heeft.
Figuur 1: Werkingsprincipe van MKID-detectoren. a) Foto van een van onze MKID-pixels. De spoel en condensator vormen een supergeleidende microgolfresonator, die gekoppeld is aan de uitleeslijn. Bovenop is een diëlektrische lens geplaatst om de straling te focussen op de inductor. b) Wanneer een foton wordt geabsorbeerd, zullen duizenden Cooperparen uiteenvallen in quasideeltjes. c) De MKID is een microgolfresonator, waarbij de weerstand en inductantie veranderen bij de absorptie van een foton. De verandering in de resonantiecurve wanneer een foton wordt geabsorbeerd, wordt afgelezen bij de evenwichtsresonantiefrequentie. d) De respons van een MKID op enkele fotonen van verschillende kleur, die de energiegevoeligheid van de detector laat zien. e) Een histogram van gemeten pulshoogten van enkele fotonen, dat het geavanceerde intrinsieke oplossende vermogen van MKID’s laat zien, hier het scheiden van verschillende roodtinten.
