The DESHIMA guide to the galaxy

Als astronomen meer willen weten over het prille begin van ons heelal, moeten ze infrarood licht meten dat er tussen de 2 miljard en 10 miljard jaar over heeft gedaan om de aarde te bereiken. Daar zijn gevoelige instrumenten voor nodig. Een team van onze faculteit werkt aan supergeleidende en heel gevoelige meetapparatuur die het huidige meetproces met een factor honderd versnelt. Dit najaar zijn ze op locatie in Chili om alles te installeren en te testen. Als het eenmaal werkt, zijn we in staat om 3D-kaarten te maken van sterrenstelsels, waarmee we terug kunnen kijken in tijd en ruimte. 

Het onderzoeksteam vertrekt in september naar de buitenaards mooie en zeer droge Atacama woestijn in Chili. Op 4,8km hoogte staat daar de Japanse ASTE-telescoop (Atacama Submillimeter Telescope Experiment). Hierin wordt een in Delft ontwikkelde ver-infrarood camera gemonteerd. Dit instrument heet DESHIMA (Deep Spectroscopic High-redshift Mapper). DESHIMA is een spectrometer en is ontworpen om de afstand tot ver-infrarood sterrenstelsels te bepalen door de roodverschuiving van het spectrum van sterrenstelsels te meten. Hiermee wordt kennis vergaard over sterrenvorming in door stofomhulde sterrenstelsels (zie kader: Sterrenstelsels bestuderen 101). De afstanden zijn zo groot dat het licht er tussen de 2 miljard en 10 miljard jaar over heeft gedaan om de aarde te bereiken. De ontwikkelde spectrometer heeft nog niet eerder vertoonde bandbreedte in het ver-infrarood licht. Dit wordt mogelijk gemaakt door een supergeleidende chip die de straling opvangt, filtert in smaller frequentiebanden en de power per band detecteert. DESHIMA is de eerste spectrometer van dit type dat daadwerkelijk op een telescoop wordt getest. Als de missie slaagt, kunnen onze onderzoekers dit najaar in Chili dieper dan ooit tevoren in de tijd en ruimte terug kijken.

Instrument Science: een nieuw vakgebied

De reis begon in 2009 op dezelfde plek, op 5000 meter hoogte, onder de heldere sterrenhemel van de Atacama woestijn in Chili. Op dat moment kreeg Akira Endo (Terahertz Sensing groep) het idee voor een spectrometer met een grote hoeveelheid Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID). Later stelde Jochem Baselmans voor om de gehele spectrometer op een en dezelfde chip te maken, zonder gebruik van optica: het idee van de supergeleidende, on-chip spectrometer is geboren. Endo is van huis uit astronoom, maar had al snel door dat hij, om echt tot baanbrekende ontdekkingen te komen, fundamenteel nieuwe apparatuur nodig heeft. Hij begon zijn onderzoek naar een supergeleidende spectrometer met on-chip filterbank. Endo combineert astronomie met de ontwikkeling van meetapparatuur op basis van supergeleiding. Hij noemt dit zelf instrument science

How it works

De detector in het hart van het instrument werkt op basis van supergeleiding. Wanneer bepaalde metalen extreem worden afgekoeld, kunnen de elektronen plotseling Cooper-paren gaan vormen. Deze Cooper-paren bewegen zonder elektrische weerstand of signaalverlies door het metaal. Voor de detectie van ver-infrarood licht maken we gebruik van een subtiel effect in supergeleiders: een verandering in de kinetische inductie en weerstand van de supergeleidende film wanneer er licht op valt. De DESHIMA chips zijn uitgerust met Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID) om deze minimale veranderingen met grote precisie te meten. Verder wordt er een revolutionair ontwerp voor het scheiden van de kleuren gebruikt, de zogenaamde on-chip filterbank. De chips hebben een zeer compact ontwerp in vergelijk met bijvoorbeeld een immersed grating spectrometer. De chips worden gekoeld in een cryostaat tot een temperatuur van 120 mK. Twee spiegels in de cryostaat en een aantal daarbuiten zorgen voor een efficiënte koppeling tussen de telescoop en de chip. De detectoren worden uitgelezen met elektronica ontwikkeld in Stichting Ruimteonderzoek Nederland (SRON).

Smalbandige ver-infrarood spectrometers bestaan al. DESHIMA is dan ook bijzonder vanwege zijn instantane bandbreedte: DESHIMA gaat in Chili als proof of principle getest worden op een frequentie van 346 Gigahertz en een bandbreedte van 40 Gigahertz. Dat is nog nooit eerder gedaan: met een zo grote bandbreedte zo ver terug in de tijd en diep in de ruimte kijken. De grote instantane bandbreedte stelt DESHIMA in staat om veel sneller metingen te doen dan met andere types spectrometer. Uiteindelijk zal er over een paar jaar een instrument staan dat werkt van 240-720 GHz.

De missie: Chili

David Thoen (38) is een van de onderzoekers die mee gaat naar Chili. Hij is alleen al een paar weken kwijt aan het inpakken van de hele entourage (zie kader: Chip met entourage). Thoen: “Wanneer we aankomen gaan we eerst bij het kantoor van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) langs. We gaan namelijk werken op het grondgebied van ALMA, waar zo’n zesenzestig telescopen staan. Na een medische check mogen we naar de high site op zo’n vijf kilometer hoogte waar de telescoop staat. De eerste dag mogen we maar vier uur op die hoogte zijn in verband met het risico op hoogteziekte. Vanwege de hoogte moet je het werken op de telescoop langzaam opbouwen. Het uitpakken en assembleren duurt een paar weken. Eerst installeren we de onderdelen op de telescoop zelf, zoals de heliumcompressor. Vervolgens de elektronica voor de read-out en signaalverwerking, en de elektronica die de cryostaat aanstuurt. En dan als laatste de koude optica. Dat is een zeer delicaat stukje werk, wat is ontworpen en vervaardigd bij onze collega’s van SRON. Het kost ook nog een paar dagen om de cryostaat uit te lijnen op de telescoop. En dan kunnen we naar de sterren gaan kijken”. David kijkt er zenuwachtig bij. Dat is het moment waar het allemaal om gaat. Hij vervolgt: “Het hele apparaat is super-complex en het draait om details. Als er ergens vibraties in zitten omdat er iets los is getrild of gescheurd tijdens de reis, geeft dat ongewenste energie die er voor zorgt dat de temperatuur omhoog gaat en wij onze metingen niet meer kunnen doen. Van sommige onderdelen hebben we er ook maar een, omdat je ze niet zomaar kunt dupliceren. Echter, we hebben heel goed nagedacht over hoe we alles moeten verschepen, dus als alles goed aankomt, acht ik de kans heel groot dat we de eerste succesvolle astronomische observaties en metingen kunnen doen dit najaar.”

Na Chili: meer pixels

Thoen: “Met de resultaten uit Chili kunnen we ons systeem verder karakteriseren. De chip die we nu gaan testen is beperkt in bandbreedte en hij zit in het relatief makkelijkste deel van het spectrum. De volgende stap is een grotere bandbreedte (240 – 720 GHZ), daar hebben we nu al chips voor liggen, maar die zijn nog niet uitontwikkeld. De structuren op de huidige chips zijn 100nm dik en minimaal twee micrometer lang of breed. Voor grotere bandbreedtes moeten we naar structuren met afmetingen in de orde van nanometers: lijnen en sleufjes met breedtes van 300nm. Hier hebben we een procedé voor ontwikkeld in de cleanroom. De eerste chips van de 300nm-generatie worden nu gereed gemaakt voor metingen in ons cryogene meetlab in het Else Kooij Laboratorium op de faculteit. Naast het aanpassen van de bandbreedte kunnen we de chip van meer lichtfilters voorzien en het huidige single-pixel ontwerp uitbreiden naar een multipixel systeem. Dat zou een grote upgrade zijn, want DESHIMA is ontworpen voor meerdere pixels. Een tweede project waar de TU Delft/SRON aan werkt is MOSAIC. Hier zijn we bezig met een groot multipixel systeem van 16 tot zelfs 25 pixels.


Sterrenstelsels bestuderen 101

Sterren kijken doe je met een telescoop. Een spectrometer is een type camera waarmee astronomen de roodverschuiving kunnen meten. Roodverschuiving neemt toe met de snelheid waarmee de bron zich van de ontvanger verwijdert. Hubble heeft in de vorige eeuw laten zien dat ons universum uitdijt: van bijna alle intergalactische voorwerpen wordt de afstand tot de aarde groter. Hoe verder het sterrenstelsel van ons weg staat, hoe groter de snelheid waarmee het zich van ons verwijdert: dit levert een zekere roodverschuiving op, die gelinkt is aan de afstand en ouderdom van het sterrenstelsel. Licht heeft een eindige snelheid en de metingen van roodverschuiving met DESHIMA laten ons zien hoeveel miljard jaar het licht onderweg is geweest naar de aarde, waaruit we kunnen afleiden hoe ver weg de bron staat. Met andere multipixel ver-infrarood camera’s (bijv. AMKID, waaraan de TU Delft heeft bijgedragen) verkrijgen we een plaatje met intensiteiten, vergelijkbaar met een zwart-wit foto. Met de single-pixel DESHIMA camera krijgen we een kleurenfoto, omdat we naar de bron kijken en het kleurenspectrum zien. De roodverschuiving onthult de verborgen informatie die in het kleurenspectrum zit.


Een chip met een entourage

De lichtgevoelige chips hebben een grootte van 14 millimeter breed, 42 millimeter lang en 0,3 millimeter dik. Deze chips gaan in hun houder in de handbagage mee naar Chili. DESHIMA heeft echter zijn hele entourage nodig. Ze werkt alleen als de detectorchips supergeleidend zijn en stabiel zijn gekoeld tot een temperatuur van zo’n 0,120 graden boven het absolute nulpunt (-273.0 graden Celsius). Daarvoor heb je een cryostaat nodig die vacuüm wordt gepompt om de chip af te schermen van warmte van buitenaf. Infrarood warmtestraling wordt afgegeven door alles wat warmer is dan het absolute nulpunt en dat zou de metingen kunnen beïnvloeden. De onderdelen van de cryostaat zijn dan zo ontworpen dat de detectorchip wordt afgeschermd voor beïnvloeding van onderdelen die warmer zijn dan 120mK. De thermisch mechanische ophanging is bijzonder, want het moet voorkomen dat mechanische vibraties de metingen beïnvloeden en tegelijkertijd de chip extreem koud houden. De cryostaat is geoptimaliseerd om ver-infrarood te observeren en daarbij wordt rekening gehouden met strooilicht. Lichtvallen zorgen ervoor dat het strooilicht wordt geabsorbeerd op onschadelijke plaatsen in plaats van op plaatsen waar de metingen verstoord worden. Niets aan het ontwerp van DESHIMA is aan het toeval overgelaten. Het team gaat ook niet voor niets naar ASTE, een van de beste ver-infraroodtelescopen ter wereld.


Het team

In het DESHIMA project werkt de TU Delft nauw samen met Stichting Ruimte Onderzoek Nederland (SRON), Leiden Observatory en de Universiteit van Tokyo. Elk instituut heeft met veel toewijding en enthousiasme de eigen kennis en expertise ingebracht bij de realisatie van de DESHIMA spectrometer.

Het DESHIMA project is gestart door pioniers Akira Endo (project leider, Terahertz Sensing, TU Delft) en Jochem Baselmans (onderzoeksleider, Terahertz Sensing, TU Delft en SRON). Daarna zijn onder andere David Thoen voor chip fabricage en Kenichi Karatsu voor de metingen toegevoegd aan het team (beiden TU Delft). SRON is nauw betrokken bij het project, met name Vignesh Murugesan voor de chip fabricage, Martin Grim voor de read-out en Robert Huiting voor het mechanische design van de cryostaat. Daarnaast hebben vele studenten en post-docs een bijdrage geleverd aan zeer divers onderzoek. Dat varieert van materiaalkennis en cleanroom processing tot aan nieuwe ontwerpen voor de detectorchips. En het simuleren van een virtueel ver-infrarood universum om de snelste methode voor het scannen van de firmament te vinden. Masterstudent Sjoerd Bosma (TU Delft) is eind augustus afgestudeerd op het ontwerp van de spiegelset voor de ASTE telescoop. Nadat de spiegelset is vervaardigd in Japan, zal die half oktober in de telescoop worden geplaatst om de prestaties van DESHIMA te maximaliseren.

Lees ook het interview met Akira Endo uit 2016. Of de profielen van de onderzoekers op de blog van het project. Hier volg je de onderzoekers tijdens hun missie in Chili.

Tekst: Marieke Roggeveen | Foto's: David Thoen en Akira Endo | September 2017

Epiloog

De campagne is Chili is buitengewoon succesvol verlopen. Nadat DESHIMA in goede orde is aangekomen en geassembleerd, is het instrument op 6 oktober 2017 ingebouwd op de ASTE telescoop. Op 19 oktober is de astronomische First Light meting gedaan, waar bij het spectrum van de planeet Saturnus werd gemeten. De metingen werden gevolgd door observaties aan astronomische objecten variërend van de maan, planeten en galactische moleculaire wolken tot sterrenstelsels met hoge roodverschuiving.

De resultaten geven aan dat het DESHIMA team op de goede weg is. Momenteel worden er voorbereidingen getroffen voor DESHIMA 2.0: de full-scale upgrade van het huidige prototype moet in februari 2019 op de ASTE telescoop zijn eerste sterrenlicht gaan waarnemen.