Een kijkje in het universum met supergeleidende elektronica
Vragen als Hoe is het heelal ontstaan? en Waar komen wij, mensen, vandaan? kun je op twee manieren benaderen: filosofisch en wetenschappelijk. Wetenschappelijk doe je dat door te kijken naar licht – héél oud licht. ‘En daarvoor heb je supergeleidende detectoren en gevoelige meetapparatuur nodig,’ stelt professor Jochem Baselmans. ‘Alleen dán kun je antwoord krijgen op misschien wel de meest relevante vragen van ons universum.’
Al eeuwenlang probeert de mens grip te krijgen op het heelal. De vroege Babyloniërs waagden al een poging, maar het bekendste voorbeeld is misschien wel Galileo Galilei. In 1610 tuurde hij met een verrekijker, die gemaakt was door brillenmaker Hans Lippershey uit Middelburg, naar de sterren. ‘Galilei kocht de kijker op een markt in Venetië, demonteerde het ding en maakte hem dertigmaal krachtiger,’ vertelt Baselmans. ‘Dagenlang bestudeerde Galilei de vier grote manen van Jupiter totdat hij het zeker wist: de manen bewegen zich in een baan rond Jupiter. Zijn ontdekking demonstreerde dat niet alles in de ruimte om de Aarde draait en ondermijnde het geocentrische wereldbeeld dat toen voor waar werd aangezien. Het voorbeeld van Galilei toont aan dat nieuwe instrumentatie leidt tot nieuwe ontdekkingen. En dat nieuwe ontdekkingen leiden tot nieuwe inzichten. Sindsdien is astronomie dé tak van wetenschap waarbij nieuwe technologie verreweg het snelst toegepast wordt.’
Nieuwe inzichten
Nieuwe instrumenten maken het dus mogelijk om een beter beeld te krijgen van het ontstaan van het heelal. Technologie die volgens Baselmans simpelweg onmisbaar is. ‘Je kunt immers niet zomaar door het heelal vliegen of een ster in een laboratorium bestuderen. Omdat waarnemen in de astronomie best lastig is (enorme afstanden, zwakke signalen) en er niet geëxperimenteerd kan worden (even twee sterrenstelsels laten botsen om te kijken wat er dan gebeurt) is technologie dé sleutel.’ Tot de jaren zeventig werd er vooral gewerkt met fotografische platen, maar met de komst van de Charge Coupled Devices, ook wel CCD’s, brak een nieuw tijdperk aan: die van de zeer gevoelige lichtdetectoren. ‘Opeens konden astronomen beelden en spectra van zeer zwakke objecten vastleggen. Probeer maar een nieuwe planeet of een nieuwe asteroïde te zoeken. Dan moet één van die tienmiljoen stipjes boven je in beweging komen. Met een computer ontdek je dat makkelijker dan met foto’s.’
Het voorbeeld van Galilei toont aan dat nieuwe instrumentatie leidt tot nieuwe ontdekkingen. En dat nieuwe ontdekkingen leiden tot nieuwe inzichten.
Wereldtop
Deze zogenoemde halfgeleidertechnologie is overigens gewoon te koop. ‘Er zit een hele industrie achter,’ legt Baselmans uit. ‘Defensie maakt er gebruik van, maar ook commerciële fotografen. Maar veel straling uit het universum is geen zichtbaar licht en wordt uitgezonden op andere golflengtes. Een belangrijk voorbeeld is submillimeter-straling die ook wel ver-infraroodstraling wordt genoemd. Om deze straling te kunnen detecteren heb je supergeleidende detectoren en chips nodig, met halfgeleidertechnologie lukt dat niet. Maar die supergeleidende detectoren werken alleen bij héle lage temperaturen. Temperaturen die in de buurt van het absolute nulpunt (-273.15 graden Celsius) liggen, en dat maakt het voor de meeste toepassingen te duur en te moeilijk. Je werkt er dus eigenlijk alleen maar mee als je écht ieder streepje licht wil begrijpen, en dat wil ik! Ik wil een vraag als Waar komen we vandaan? helpen beantwoorden en dat kan dus enkel met supergeleidende detectoren voor submillimeter-straling. Voor het maken ervan werk ik, aan de TU Delft, ongelooflijk fijn samen met de Terahertz Sensing group. In die groep bevindt zich de absolute wereldtop op het gebied van quasi-optica en elektromagnetisme, namelijk Andrea Neto en Nuria Llombart.’
INTREEREDE
Op 11 oktober 2019 vindt de intreerede van Jochem Baselmans plaats. Hij heeft een gedeelde positie, en werkt voor 50% aan de TU Delft en voor 50% aan SRON. De combinatie van deze twee instituten maakt het mogelijk om revolutionair nieuwe instrumentatie te ontwikkelen. De grote uitdaging: het ontwikkelen van geïntegreerde schakelingen gebaseerd op supergeleidende elektronica die stralingskoppeling, filtering en detectie combineren op een enkele chip. Hiermee wordt het mogelijk om de in de tekst genoemde breedbandige camera-spectrograaf te maken. Ook wel de imaging spectrometer genoemd. De intreerede van Baselmans valt samen met die van Nuria Llombart. Over haar werkzaamheden verscheen begin 2017 het Nodes-artikel Passagiers digitaal doorlichten op afstand. Daarin vertelt Llombart hoe zij o.a. werkt aan de nieuwste technieken voor luchthavenbeveiliging. Op afstand gecontroleerd worden op verborgen voorwerpen, nog voordat je de scanner in gaat. Dat is de toekomst. ‘Eigenlijk loopt het ontwikkelen van nieuwe antennesystemen als een rode draad door mijn onderzoek. Dat kunnen antennes zijn voor beveiligingssystemen, maar ook voor draadloze communicatie. Of voor radiotelescopen die naar de achtergrondstraling in het heelal luisteren. Ruimtevaart heeft altijd een belangrijke rol gehad in mijn onderzoek.’
Missing link
Volgens Baselmans vormt de kennis, die Andrea en Nuria hebben, de missing link in zijn expertise. ‘Een telescoop bestaat uit een of twee grote spiegels die het licht de cabin van de telescoop insturen. Om die straling goed in mijn supergeleidende chips te krijgen, heb ik de kennis van de Terahertz Sensing group nodig. Eén van Nuria’s PhD’ers heeft bijvoorbeeld de optica voor DESHIMA – Deep Spectroscopic High-redshift Mapper – ontworpen. Met DESHIMA, een chip die ongeveer net zo groot is als twee euromunten, worden de afstanden en leeftijden van verre sterrenstelsels in kaart gebracht. Dat gebeurt door het meten van verschillende tinten infraroodlicht. In oktober 2017 monteerden onderzoekers, onder toeziend oog van collega Akira Endo, deze chip op de ASTE-telescoop in Chili.
Ik wil een vraag als Waar komen we vandaan? helpen beantwoorden en dat kan dus enkel met supergeleidende detectoren voor submillimeter-straling.
Ver-infrarood
Waarom is het zó belangrijk om met infraroodlicht te werken? Wat vertelt ver-infrarood ons over het heelal? ‘Om die vragen te kunnen beantwoorden, geef ik je eerst even een korte geschiedenisles over het universum,’ vertelt Baselmans verder. ‘Het universum ontstond zo’n 13,8 miljard jaar geleden met de big bang – de oerknal – een hete plasmabol die, in een heel kort tijdsbestek, alsmaar groter en groter werd. Op de nagloed van de oerknal na, de cosmic microwave background, was het universum nog donker. Vervolgens koelde het universum af. Doordat het universum kouder werd, kon het element waterstof gevormd worden, en werd het universum transparant voor licht. Met de geboorte van de allereerste sterren ging het licht in het universum aan. In de kernen van die sterren, en de supernova-explosies waarmee ze aan hun einde kwamen, werden al de andere elementen gevormd. Wij zijn dus allemaal sterrenstof! Met ver-infrarood licht kun je dus naar de oudste sterren kijken én alle generaties van sterren die direct daarna ontstonden. Doordat te bestuderen, doe je kennis op over de oudste sterrenstelsels, maar ook over de geboorte van planeten en andere sterrenstelsels.’
Hubble & Alma
Met de Hubbletelescoop zijn vele optische en nabij-infraroodfoto’s van het heelal gemaakt. En sinds kort is er ook de Alma: de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, een geavanceerde telescoop waarmee ver-infraroodstraling van enkele van de koudste objecten in het heelal kan worden waargenomen. Om dat te kunnen doen, gebruikt Alma supergeleidende technologie die deels aan de TU Delft en deels bij SRON is ontwikkeld. ‘Alma meet met een hele hoge spatiale en spectrale resolutie het ver-infrarood licht. Om het wat makkelijker uit te leggen: Alma kan hele scherpe foto’s maken (spatiaal) en op elke “pixel” precies meten wat voor een straling er zit op basis van de golflengte (spectraal). Met behulp van deze spectroscopische waarnemingen is men in staat een nieuw beeld van het heelal te schetsen.’
Toen ik in 2002 promoveerde, waren telescopen als de Hubble – die nu als een kunstmaan ronde de aarde draait – en de Alma helemaal booming.
Als wetenschappers 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. Jochem Baselmans werkt aan supergeleidende en heel gevoelige meetapparatuur die het huidige meetproces met een factor honderd versnelt. Als het eenmaal werkt, zijn we in staat om 3D-kaarten te maken van sterrenstelsels, waarmee we terug kunnen kijken in tijd en ruimte.
Imaging spectrometer
DESHIMA is een ander type spectrometer dat heel goed gebruikt kan worden in combinatie met een telescoop als Alma. Hoewel DESHIMA straling met een veel lagere spectrale resolutie meet, gebeurt dit op een veel grotere bandbreedte. Hierdoor is DESHIMA in staat om de afstand tot ver-infrarood sterrenstelsels te bepalen en kan er kennis worden vergaard over sterrenvorming in door stofomhulde sterrenstelsels. ‘Het fijne van DESHIMA is, is dat we nu een spectrometer hebben die net zo klein is als een lens én die het doet. Voorlopig werken we nog met één pixel, maar een van de volgende stappen is het naast elkaar plaatsen van een heleboel lensjes. Ieder lensje krijgt dan een eigen spectrometer. Op die manier vergroten we het aantal pixels van 1 naar 25. Of misschien wel 100! Je spreekt dan van een imaging spectrometer.’
Ruimtereis
Voldoet de imaging spectrometer aan alle verwachtingen, dan lonkt het heelal. En om de ruimte in te kunnen, moet je bij SRON zijn: het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek. Het instituut waar Baselmans de helft van zijn werkzame tijd doorbrengt. ‘Daarnaast moeten we iemand vinden die zó gek is om een telescoop te bouwen die afgekoeld kan worden tot 4 Kelvin,’ lacht Baselmans. ‘Dat is zo’n 269 graden (Celsius) onder nul. Je moet dus een koelkast de lucht inschieten die, met behulp van een aantal zonnepanelen, in staat is die hele spiegel op 4 Kelvin te houden. Anders verblindt de straling van de telescoop je detectoren. Wat wij nú doen, werkt tot 1 Terahertz. Maar als je de ruimte ingaat, wil je het laten werken tot op z’n minst 10 Terahertz. Daar ligt voor ons nog behoorlijk wat huiswerk.’
Koeler
Met behulp van supergeleidende technologie, die alleen werkt in extreem koude omstandigheden, krijgen we dus een geavanceerd beeld van het heelal. ‘Die bizar lage temperatuur was overigens ook iets waarmee wij bij het maken van DESHIMA rekening moesten houden. We hebben bijvoorbeeld een koeler omgebouwd en getest. Daarnaast heb je uitleeselektronica nodig. Die elektronica koop je niet zomaar, en is ook geen fundamenteel onderzoek… nee… dat is high-level-engineering. Ook moet je de natuurkunde van die chips kunnen begrijpen. Daar heeft Teun Klapwijk, dé expert op het gebied van nanotechnologie, mij veel over geleerd. Als je zo’n chip eenmaal goed begrijpt en kunt uitlezen, dan moet je er nog steeds voor zorgen dat het licht op de juiste plek terechtkomt. Anders heb je er natuurlijk helemaal niets aan. Met de huidige quasi-optische technieken is dat niet goed mogelijk voor de grote bandbreedte van de toekomstige imaging spectrometers. Gelukkig zijn we daar bij EWI druk mee bezig. Sterker nog: de afgelopen tweeënhalf jaar is mijn collega Nuria Llombart van de Terahertz Sensing group bezig geweest om erachter te komen hoe je dat überhaupt kunt doen. Blijkt enorm lastig.’
De kracht van EWI en SRON
Maar het werken in Delft en bij SRON biedt meer, stelt Baselmans. Zo zijn er in Delft twee grote cleanrooms aanwezig waar van alles uitgeprobeerd kan worden. Daarnaast zorgt SRON voor heel veel kennis en ervaring op het gebied van ruimte-instrumentatie. Ook wil hij, in de nabije toekomst, meer gaan doen op het gebied van single processing. ‘Als je het ideale instrument hebt, hoe ga je er dan vervolgens voor zorgen dat je er astronomische waarnemingen mee kunt doen? Hoe zorg je ervoor dat je geen last hebt van ruis in de detectoren of rondzwervende deeltjes in de atmosfeer? En wat als je straks met zo’n vijftigduizend detectoren tegelijkertijd aan de slag wil? Hoe ga je je data dan snel genoeg verwerkt krijgen? Hoe zorg je ervoor dat algoritmes zo efficiënt mogelijk werken? Dat laatste is een tak van sport waar ik niets van af weet. Gelukkig is ook een groot deel van die expertise binnen de TU Delft aanwezig en kan ik met die vraag zo bij collega’s binnenlopen.’
Hoger doel
De reden waarom Baselmans zich met supergeleidende elektronica bezighoudt, komt voort uit zijn promotieonderzoek. ‘Toen ik in 2002 promoveerde, waren telescopen als de Hubble – die nu als een kunstmaan ronde de aarde draait – en de Alma helemaal booming. In die periode was Terahertz-technologie met supergeleiders het he-le-maal. En dat terwijl mijn promotieonderzoek vrij fundamenteel was. Wat ik tijdens mijn promotie miste, was een interessante context. Ik ben meer van het creëren. Ik wil eindeloos nieuwe dingen maken, maar het moet wél nuttig zijn, het moet een hoger doel dienen. Vragen als Hoe is het heelal ontstaan? en Hoe steekt alles in elkaar? dienen dat doel. Relevanter wordt het nauwelijks.’
Tekst: Dave Boomkens | Foto Jochem: Mark Prins