Die Astronomie hat im Bereich der Ferninfrarotstrahlung im Vergleich zu den meisten anderen Wellenlängen einen blinden Fleck. Ein Ferninfrarot-Weltraumteleskop kann seine volle Empfindlichkeit nur mit einem aktiv gekühlten Spiegel bei Temperaturen unter 4 Kelvin (-269 °C) ausschöpfen. Ein solches Teleskop gibt es noch nicht, weshalb weltweit wenig in die Entwicklung entsprechender Detektoren investiert wurde.
Im Jahr 2004 beschloss SRON, diesen Kreislauf zu durchbrechen und in die Entwicklung von Kinetic Inductance Detectors (KIDs) zu investieren. Jetzt haben Forscher von SRON und der TU Delft die höchstmögliche Empfindlichkeit erreicht, vergleichbar damit, die Wärme einer Kerze auf dem Mond von der Erde aus zu spüren. Ihre Studie erscheint in Astronomie & Astrophysik am 6.9.
In den letzten Jahren wurden wir mit den schönsten Bildern von Teleskopen verwöhnt, die mit Röntgenstrahlen, Infrarot, Radio und sichtbarem Licht arbeiten. Um nur einige zu nennen: das Bild des Schwarzen Lochs in M87, das Hubble Extreme Deep Field oder das Babybild eines Planetensystems. Doch in einem Wellenlängenbereich ist die Astronomie relativ blind: dem fernen Infrarot, insbesondere bei Wellenlängen zwischen 300 μm und 10 μm.
Die Erdatmosphäre blockiert den größten Teil dieser Strahlung für bodengestützte Teleskope, während Weltraumteleskope oft eine solche Temperatur haben, dass sie ihre Detektoren mit der von ihnen selbst emittierten Ferninfrarotstrahlung blenden. Bei so viel Rauschen gibt es wenig Anreiz, große Summen in die Entwicklung empfindlicherer Ferninfrarot-Detektoren zu stecken. Und mit einem Mangel an empfindlichen Detektoren werden die Regierungen keine Mittel für supergekühlte geräuschlose Teleskope bereitstellen.
Durchbruch
Zu Beginn dieses Jahrhunderts beschloss SRON, mit dem Muster zu brechen und in die Entwicklung von Kinetic Inductance Detectors (KIDs) zu investieren. Diese Entscheidung trägt nun Früchte. Zusammen mit der TU Delft haben SRON-Forscher die Technologie nahezu perfektioniert, indem sie sie empfindlich genug gemacht haben, um die permanente Hintergrundstrahlung des Universums zu sehen.
„Eine noch höhere Empfindlichkeit hätte keinen Sinn“, sagt Jochem Baselmans (SRON/TU Delft). „Denn Sie werden immer durch das Rauschen der Hintergrundstrahlung des Universums eingeschränkt. Unsere Technologie versorgt Teleskopbauer wie die NASA und die ESA mit möglichst empfindlichen Ferninfrarot-Detektoren. Wir sehen bereits zwei Vorschläge, die der NASA für einen Supercooler vorgelegt wurden Teleskop. Die sind viel teurer als relativ warme Teleskope, aber unsere KIDs sind es wert.“
Terahertz-Lücke
KIDs helfen der Astronomie, die Terahertz-Lücke zu schließen, die nach der Frequenz des Lichts im fernen Infrarot benannt ist. Astronomen verpassen jetzt Licht, das von Sternen im fernen, jungen Universum erzeugt wird, und hinterlassen eine Lücke in unserem Wissen über die Entwicklung von Sternen. Darüber hinaus ist die Terahertz-Lücke eine einzigartige Gelegenheit für abenteuerlustige Astronomen, in das Unbekannte einzutauchen.
„Man weiß nicht, was man nicht weiß. Das Hubble Deep Field wurde erzeugt, indem das Hubble-Teleskop auf einen pechschwarzen Teil des Himmels gerichtet wurde, in dem sich scheinbar nichts befand. Danach tauchten Tausende von Galaxien aus einem kleineren Bereich auf als ein Prozent des Vollmonds“, sagt Baselmans.
Die Empfindlichkeit, die die Forscher mit ihren KIDs erreichten, lässt sich am besten durch eine hypothetische Kerze auf dem Mond beschreiben. Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf der Erde – oder schweben knapp über der Atmosphäre – und halten Ihre Hand hoch, um die Wärme der Kerze zu spüren. Scheint wie eine vergebliche Übung? Nicht für ein KIND. Es ist sogar zehnmal empfindlicher. Bei einer Integrationszeit von einer Sekunde kann ein KID nur 3*10-20 Watt erkennen.
JJA Baselmans et al, Ultra-sensitive Super-THz Microwave Kinetic Inductance Detectors for Future Space Telescopes, Astronomie & Astrophysik (2022). arxiv.org/abs/2207.08647