Sterrenstof in terahertz

Tien jaar geleden nam dr. Jian-Rong Gao, projectleider bij de afdeling quantum nanoscience (Technische Natuurwetenschappen) en bij het TU Delft Space Institute, zich voor om een betere technologie te ontwikkelen voor de detectie van terahertz-straling: elektromagnetische straling die tussen infrarode straling en microgolven ligt. Terahertz-straling geeft inzicht in de samenstelling van stofwolken in ons Melkwegstelsel; de kraamkamers van nieuwe zonnestelsels.

Gao werkte sindsdien gestaag door aan de ontwikkeling van zijn terahertz-detectoren en wist ze, in samenwerking met de Nederlandse ruimteonderzoekorganisatie SRON, geselecteerd te krijgen door NASA voor de missie Stratospheric Terahertz Observatory (STO2). Zo vlak voor de lancering van zijn levenswerk (half december) verklaart hij licht nerveus: “We hopen op Gods hulp om de lancering succesvol te laten zijn.” Vandaar de proefballonnetjes.

Primitiever
Vanaf begin november zijn SRON-onderzoekers Darren Hayton en Wouter Laauwen op de McMurdo basis op Antarctica om de ballongondel op te bouwen en alle onderdelen te testen. Eerder gebeurde dat al afgelopen augustus in een hal in Palestine, Texas, waar de hele gondel werd opgehesen en getest. Nadat die hangtest naar tevredenheid was afgesloten, werd het hele gevaarte weer uit elkaar gehaald, en in kisten naar de Zuidpool verscheept. Half november schreef Laauwen op zijn blog: ‘Binnen in onze hangar staat de ballongondel. Hij is al een heel eind klaar. Daar werken de collega’s van APL (Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University, red.) en het CSBF (Columbia Scientific Balloon Facility, red.) voorlopig aan verder. Wij gaan onze instrument inbouwen in een cryostaat, een soort grote thermosfles die gevuld met vloeibaar helium het hele instrument afkoelt tot ongeveer 270 graden onder 0 of 4 kelvin, 4 graden boven het absolute nulpunt. Hoewel het allemaal wat primitiever is, kun je in het lab makkelijk vergeten waar je bent, er zijn geen ramen. Zodra de deur open gaat is het weer duidelijk: ik ben echt op Antarctica.’

Stervorming
Vier dagen later laat hij weten: ‘Het goede nieuws is dat we zojuist de hele signaalketen van de 4.7 THz-ontvanger werkend hebben gekregen (zie kader Delftse detector, red). Er gaat een lokaal signaal naar binnen, we zien de hemel en er komt een gewenst signaal uit de detector naar buiten. Er moet nog wat geoptimaliseerd worden maar alle stappen werken. Het slechte nieuws is dat de wc stuk is. ‘

De eerste sterren ontstonden zo’n 13,5 miljard jaar geleden uit lichte elementen als waterstof, helium en lithium. Door kernfusie in die sterren ontstonden zwaardere elementen als koolstof, stikstof en zuurstof, wat nu veel voorkomende elementen zijn in de stofwolken van ‘ons’ Melkwegstelsel. Vreemd te beseffen dat de bouwstoffen van onze levende natuur en ons eigen lichaam ooit zijn samengesmeed in het binnenste van sterren en miljarden jaren later met een enorme explosie verstrooid werden tot rondzwevend sterrenstof.

Uit dat interstellaire stof vormen zich steeds weer nieuwe sterren en planeten in een eindeloze dans van energie en materie. Dat is het algemene plaatje, maar in welke verhouding de elementen koolstof, zuurstof en stikstof voorkomen, hoe snel de gassen afkoelen, hoeveel sterren er gevormd worden, hoe snel dat gaat en hoe zwaar die sterren worden – daar is nog weinig over bekend.

Hoogleraar submillimeter-astronomie aan de Rijksuniversiteit Groningen, prof.dr. Floris van der Tak, hoopt dat metingen van de STO2-missie daar duidelijkheid over zullen bieden. Toegegeven, de ballonmissie heeft een beperkte duur van naar schatting twee weken voordat het helium verbruikt is. Daarom wordt ook maar een beperkt gebied van de Melkweg gescand van 10 graden breed en 2 graden hoog. In dat gebied brengen de verschillende detectoren de verdeling van stikstof, koolstof en zuurstof in kaart. Van der Tak, werkzaam bij SRON, is zelf vooral benieuwd naar de zuurstoflijn omdat zuurstof opgloeit bij 300 Kelvin (kamertemperatuur), wat een stuk warmer is dan de omgeving van 100 Kelvin. Met andere woorden: de zuurstoflijn toont de eerste opwarming van een ster in wording. Van der Tak: “Vergelijk een gaswolk met een baarmoeder voor sterren. De zuurstoflijn is dan de echoscopie die je vertelt dat er van binnen iets aan de hand is.”

Afhankelijk van de metingen is het de bedoeling om met latere missies grotere gebieden in hogere resolutie te scannen. Wat dat betreft is de STO2-missie zelf ook een soort proefballon.

OGEN
“Twintig jaar geleden vond de eerste waarneming van terahertz straling uit de ruimte plaats. Dat was met halfgeleider detectoren vanuit een klein vliegtuig op tien kilometer hoogte. De metingen hadden teveel ruis om iets mee te doen, maar ze toonden wel aan dat er straling in het verre infrarood was”, aldus Gao over het begin van de submillimeter astronomie. Tien jaar geleden besloot de detector-specialist dat hij de beste detector voor terahertz straling zou ontwikkelen (zie kader Delftse detector). Zijn detectoren zouden meegaan op ruimtemissies van Nasa en ESA en ze zouden onze ogen openen voor een tot dan toe duister gebied van het spectrum.

Zijn inspanningen werden beloond toen missieleider prof. Christopher Walker van de Universiteit van Arizona de Delftse detectoren uitkoos voor de STO2 ballonmissie. Walker had besloten dat Gao’s team in de afdeling quantum nano-science de beste detectoren bouwde.

Uiteindelijk hebben de Delftenaren de STO2-missie zelfs gered. Want toen afgelopen zomer duidelijk werd dat het Jet Propulsion Lab de toegezegde infrarood detectoren niet kon leveren, trok Gao er nog een stel uit een la die hij voor de Europese Herschel-missie (2009-2013) had gemaakt. Het gevolg is dat nu alle detectoren aan boord van de STO2 uit Delft komen. “Wij zijn de ogen van de missie”, zegt Gao.

Vervolgmissie
Gao was graag de eerste geweest om met de nieuwste technologie de zuurstoflijnen te meten. Helaas – Duitse onderzoekers deden dat eerder dit jaar vanuit een vliegtuig op veertien kilometer hoogte. Zij hebben de primeur, maar als alles volgens plan verloopt, zullen de metingen op 40 kilometer hoogte niet alleen beter zijn (de atmosfeer absorbeert terahertz-straling uit de ruimte), maar ook veel uitgebreider.

Een plan voor de vervolgmissie Gussto (Galactic/Xtragalactic Ultra long duration balloon Spectroscopic Stratospheric THz Observatory) ligt al bij Nasa. Die missie zal 3 x 16 pixels aan boord hebben (voor de drie verschillende golflengten voor stikstof, koolstof en stikstof) en meer dan honderd dagen actief zijn.
Gao’s droom die uitkwam smaakt kennelijk naar meer.

Lees de laatste stand van zaken op Laauwens
weblog: sron.nl/sto2/antartica

​Delftse detector

​Delftse detector

​Delftse detector

Hoe werkt de techniek? Een parabool concentreert de invallende straling op een halfdoorlatende spiegel. Daarop valt ook de straling van een terahertz laser die dienst doet als lokale oscillator. Die speciaal ontwikkelde quantum cascade laser (QCL), die de 4,7 THz straling opwekt, wordt door een compacte Stirling koelmachine op een werktemperatuur van 50 Kelvin (minus 223 graden Celsius) gehouden. De laser zelf is miniem: slechts een millimeter lang en 20-40 micrometer breed.

Het mengen van een signaal met een referentiestraling van een lokale oscillator heet heterodyne detectie. Het voordeel van die methode is dat het de frequentie van het signaal terugbrengt van terahertz naar gigahertz niveau, en dat er voor die microgolfstraling goede versterkers, filters en meters beschikbaar zijn.

De gemengde straling (signaal en referentie) wordt door een silicium lens op een klein antennetje geconcentreerd dat verbonden is met een supergeleidende detector met de naam hot-electron bolometer of HEB-mixer. Simpel gezegd bestaat zo’n detector uit een supergeleidend brugje van niobium nitride tussen twee gouden contactjes. De opgevangen straling verwarmt het brugje (2 bij 0,2 micrometer groot) waardoor de supergeleiding verstoord wordt. Het resulterende spanningsverschil valt te meten.

Een sterrencamera fixeert de positie van de telescoop ten opzichte van het firmament. Na de meting van 1 pixel (op drie golflengten tegelijkertijd) verschuift de positie een heel klein beetje naar het volgende beeldpunt. Op die manier tast de telescoop punt-voor-punt in naar verwachting 15 dagen tijd een vooraf bepaald observatiekader af van 2 booggraden hoog en 10 booggraden breed.