Met meer dan 17.000 pixels is de nieuwe AMKID-camera op de APEX-telescoop de grootste ooit voor ver-infraroodlicht. Het Nederlands ontworpen oog legt de eerste sterrenstelsels in niet eerder gezien detail vast en effent het pad voor toekomstige ruimtemissies.
Astronomen hebben een nieuw, krachtig wapen in handen om de allereerste sterrenstelsels in het heelal te bestuderen. Onderzoekers van het Duitse Max Planck Institute for Radio Astronom (MPIfR), het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek (SRON) en TU Delft publiceren vandaag in het vakblad Astronomy & Astrophysics de succesvolle ingebruikname van deze AMKID-camera. Het instrument, geïnstalleerd op de 12-meter APEX-telescoop in Chili, telt maar liefst 17.000 pixels en is daarmee de grootste camera ooit gebouwd voor observaties van het heelal in ver-infraroodlicht.
Licht van de allereerste sterren en sterrenstelsels is niet alleen ongelooflijk zwak, maar ook door de uitdijing van het heelal opgerekt tot golflengtes die in het ver-infrarood liggen. Die straling wordt grotendeels geblokkeerd door de dampkring, waardoor een bijzondere telescoop op een bijzondere plek nodig is. Die vonden de onderzoekers op de 5.100 meter hoge Chajnantor-vlakte in de Chileense Atacama-woestijn. Daar staat de APEX-telescoop, uitgerust met een nieuwe Nederlandse supercamera: AMKID.
Detectoren als duizenden kleine stemvorken
De ontwikkeling van AMKID was een antwoord op de beperkingen van eerdere technologie. Waar voorgangers zoals de succesvolle LABOCA-camera nog afhankelijk waren van enkele honderden pixels, maakt AMKID gebruik van een revolutionair type detector: de KID (Kinetic Inductance Detector). Deze supergeleidende resonantiedetectoren, bedacht in de vroege jaren 2000, kunnen in grote aantallen op een chip worden gefabriceerd en uitgelezen.
“Je kunt een KID een beetje vergelijken met een stemvork”, legt Jochem Baselmans, onderzoeker bij het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek (SRON) en TU Delft, aan Scientias.nl uit. “In plaats van dat hij trilt op een geluidsfrequentie, resoneert hij op een specifieke microgolffrequentie. Als er een foton van het verre sterrenstelsel op valt, verbreekt dat supergeleidende koppels, waardoor de resonantiefrequentie een klein beetje verandert. Die verandering kunnen we extreem nauwkeurig meten.” Het grote voordeel is dat duizenden van deze detectoren, elk met hun eigen unieke frequentie, tegelijkertijd uitgelezen kunnen worden via één enkele kabel. “Dat opent de deur naar camera’s met honderdduizenden pixels, iets wat met de oude technologie simpelweg onmogelijk was.”
17.000-pixelreus in een notendop
Het hart van AMKID wordt gevormd door acht silicium chips, gekoeld tot een fractie boven het absolute nulpunt. Vier chips zijn voor het laagfrequente bereik (LFA: 850 µm./347 GHz.) met elk bijna 900 detectoren. De andere vier zijn voor het hoogfrequente bereik (HFA: 350 µm./850 GHz.) met elk bijna 3.500 detectoren. De fabricage van die laatste chips was een huzarenstukje. Er werd elektronenlithografie gebruikt, wat leidde tot een indrukwekkende precisie: de ontworpen resonantiefrequentie week slechts 0,16 procent af van de gerealiseerde frequentie. Die extreme nauwkeurigheid is nodig om te voorkomen dat detectoren elkaar in de weg zitten, een fenomeen dat ‘frequentiecollisie’ heet en voor ongeveer tien procent uitval zorgt.
Baselmans ziet echter volop ruimte voor verbetering: “De kernvraag is: hoeveel detectoren kunnen we per uitleeslijn kwijt? Dat bepaalt de kosten en het energieverbruik. We kunnen de frequentieprecisie nog iets verbeteren met een extra fabricagestap, maar de echte winst zit in een nieuwe generatie uitleessystemen met een grotere bandbreedte. Waar we nu 4 tot 8 gigahertz gebruiken, kunnen we straks misschien 0,5 tot 4 gigahertz inzetten. Dan zouden we 2.000 tot 3.000 detectoren per lijn kunnen uitlezen, in plaats van de huidige 880. Met die sprong zijn arrays van 100.000 pixels binnen handbereik.”
Van Chileense bergtop naar de ruimte
De technologie is inmiddels zo robuust dat zij wordt overwogen voor toekomstige ruimtetelescopen, zoals de PRIMA-missie. Een belangrijk obstakel daarbij is de extreme omgeving in de ruimte, met name de vele inslagen van kosmische deeltjes. Op de Chileense bergtop is dergelijke flux al aanzienlijk, maar in de ruimte is die nog eens driehonderd keer hoger. Uit het onderzoek blijkt dat de AMKID-detectoren hier goed tegen bestand zijn. “De detectoren zijn voorzien van een speciale absorberende laag van een supergeleider met een lage overgangstemperatuur”, aldus Baselmans. “Uit tests blijkt dat die laag het effect van kosmische straling met een factor vijftien vermindert. De techniek is inmiddels gekwalificeerd voor gebruik in de ruimte.”
Scherpe eerste blikken, ruimte voor groei
De eerste waarnemingen met de lage frequentie array zijn veelbelovend. De camera behaalt een gevoeligheid van 2,2 mK/√s, wat resulteert in een kaartgevoeligheid van 25 mJy/deg²/h. Dat zegt misschien niet direct veel, maar dat resulteert er in dat de AMKID maar liefst 3,8 keer sneller is in het in kaart brengen van de verst gelegen en zwakste stralingsbronnen dan bij zijn voorganger LABOCA het geval was. Dat blijkt uit de eerste opnames, zoals die van het nabije sterrenstelsel NGC 4945 en het extreem verre, stoffige stelsel SPT0311-58, in onderstaand kader.
Om een idee te krijgen van wat AMKID precies in kaart brengt, koos men twee sterrenstelsels als testobjecten. Als eerste; het nabije sterrenstelsel NGC 4945, gemaakt met een optische telescoop van ESO. Het is een voorbeeld van een ‘gewoon’, stoffig sterrenstelsel in het relatief nabije heelal:
De volgende opname is een composiet van de krachtigste telescopen ter wereld – waaronder de James Webb- en Hubble-ruimtetelescopen – van SPT0311-58, een extreem ver sterrenstelsel van maar liefst 12,9 miljard jaar oud. Juist dit soort objecten, vers uit de ‘donkere middeleeuwen’ van het heelal, is het speerpunt van onderzoek van de nieuwe AMKID-camera.
Hoe zien deze twee sterrenstelsels eruit door de ogen van AMKID? De onderstaande opnames, afkomstig uit de vandaag gepubliceerde studie, geven het antwoord:
Toch is de ideale gevoeligheid nog niet bereikt. De gemeten waarde ligt hoger dan de theoretische voorspelling van 0,8 mK/√s. “Het verschil wordt verklaard door een combinatie van kleine factoren”, verduidelijkt Baselmans. “In volgorde van belangrijkheid: ruis van het uitleessysteem, storende signalen in de uitleesketen, variaties in de uitlijning van lensjes en antennes die de koppeling verminderen, en een beetje extra ruis in de detectoren zelf. Ook zorgt een iets te hoge optische belasting door warme filters voor ruis. We weten precies waar we moeten ingrijpen om de prestaties verder te verbeteren.”
Met de huidige prestaties kan de jacht op de allereerste sterrenstelsels nu echt beginnen. De hoogfrequentie array, die nog gevoeliger is voor de allereerste lichtjes, moet eind 2026 operationeel zijn. “Ik verwacht over ongeveer een jaar de eerste significante resultaten”, besluit Baselmans. “We zullen veel meer leren over oude, zwakke, stoffige sterrenstelsels. Misschien kunnen we dan beter verklaren wanneer en hoe de stervorming in het heelal precies op gang is gekomen.” AMKID opent niet alleen een nieuw venster op het verleden, maar bouwt tegelijkertijd aan de technologie voor de telescopen van de toekomst, zowel op aarde als ver daarbuiten.
Lezersvraag: 17.000 pixels klinkt niet bepaald als ‘megacamera’. Hoe verhoudt dit zich tot de camera in mijn smartphone?
Antwoord: Op het eerste gezicht steekt een moderne smartphonecamera met 48 of zelfs 108 megapixels de 17.000 pixels van AMKID moeiteloos naar de kroon. Toch is de vergelijking complexer:
1. Ander soort licht
De pixels in een telefoon vangen zichtbaar licht op: fotonen met golflengtes tussen de 400 en 700 nanometer. De pixels van AMKID zijn ontworpen voor ver-infraroodstraling met golflengtes van 350 en 850 micrometer – duizend keer langer. Die straling komt regelrecht van de allereerste sterrenstelsels, maar is na 13 miljard jaar reizen extreem zwak. Elke individuele pixel moet daarom één foton kunnen detecteren en onderscheiden van de achtergrondruis.
2. Andere optica
Een telefoon gebruikt doorzichtige lenzen om licht te bundelen op een CMOS-chip. Voor ver-infrarood bestaat dat doorzichtige glas niet; het absorbeert de straling juist. AMKID werkt daarom uitsluitend met spiegels: een ingewikkeld systeem van zes reflecterende oppervlakken (waarvan twee supergekoeld) die de straling op de juiste pixel moeten richten. Een afwijking van een fractie van een millimeter maakt het beeld wazig.
3. Gevoeligheid versus hoeveelheid
Een smartphonecamera kent miljoenen pixels op een chip van een paar vierkante millimeter. AMKID heeft 17.000 pixels verdeeld over acht siliciumchips van elk 6 bij 6 centimeter. Die ‘luxe’ van ruimte is nodig omdat elke pixel zijn eigen uitleesfrequentie moet hebben (tussen 4 en 8 gigahertz) en extreem gevoelig moet zijn. Stel je voor dat je 17.000 stemvorken in één ruimte hebt, elk op een eigen toonhoogte, en dat je exact wilt meten wanneer en hoe hard elke stemvork wordt aangeslagen. Dat is de technische uitdaging die hier is opgelost.
4. Ontwikkelingsgeschiedenis
De CCD-chips in een telefoon profiteren van tientallen jaren R&D en een markt van miljarden stuks per jaar. Die massaproductie drijft de prijs omlaag en de prestaties omhoog. AMKID is handgemaakt, ontwikkeld door een consortium van onderzoeksinstituten, en uniek in zijn soort. Elke verbetering – zoals de sprong van 17.000 naar mogelijk 100.000 pixels in de toekomst – is het resultaat van fundamenteel natuurkundig onderzoek, niet van commerciële vraag.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
