Nederland ontwikkelt hardware voor detector zwaartekrachtsgolven

20-06-2019

Nederland is in de race om hardware te leveren voor LISA, de eerste ruimtetelescoop voor zwaartekrachtsgolven die gepland staat voor lancering in 2034. NWO-instituten SRON en Nikhef hebben een contract getekend met de Nederlandse bedrijven Bright Photonics en Smart Photonics voor de ontwikkeling van LISA’s laser-detectiesysteem. TNO heeft financiering verkregen van het Netherlands Space Office voor de ontwikkeling van technologie voor het richten van optische systemen.

Astronomen gebruiken zwaartekrachtsgolven om gebeurtenissen in het heelal waar te nemen die onzichtbaar zijn voor onze huidige telescopen, zoals botsingen tussen stellaire zwarte gaten of neutronensterren. Observatoria op aarde zijn niet in staat om zwaartekrachtsgolven met een lengte van meer dan 10.000 kilometer waar te nemen, zodat bijvoorbeeld superzware zwarte gaten onzichtbaar blijven. ESA lanceert in 2034 daarom de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die met zijn meetarmen van 2,5 miljoen kilometer veel langere golflengtes kan detecteren. Met behulp van die enorme meetarmen—gevormd door laserstralen tussen drie afzonderlijke satellieten—detecteert LISA zwaartekrachtsgolven via minuscule veranderingen in de onderlinge afstanden.

Nederlands consortium
Twee Nederlandse samenwerkingsverbanden willen hardware voor LISA leveren. TNO gaat prototypes ontwikkelen voor het richten van delen van de optica: LISA’s bril. Hiermee kunnen bijvoorbeeld de laserstralen precies uitgelijnd worden. Nikhef, Bright Photonics en Smart Photonics starten onder leiding van SRON de ontwikkeling van een prototype van de zogenoemde quadrant-fotodiodes: het laserdetectiesysteem oftewel LISA’s ogen. Over ongeveer een jaar moeten beide prototypes klaar zijn, als een eerste proeve van bekwaamheid.

Fotodiodes
De quadrant-fotodiodes registreren de infrarode laserstralen tussen LISA’s drie satellieten. De laserstralen hebben een vermogen van 1 watt, maar divergeren tijdens hun 2,5 miljoen kilometerlange reis zodanig dat er slechts 100 picowatt overblijft. ‘Om dat nog te kunnen opmerken mogen de diodes maar heel weinig ruis hebben,’ zegt Jean in ’t Zand, SRON-onderzoeker en projectleider van het diode-project. Niels van Bakel (Nikhef) noemt het werken met een ander materiaal dan silicium als andere uitdaging: ‘Om de gevoeligheid van LISA’s ogen te vergroten moeten we indium-gallium-arsenide gebruiken. Ik ben heel blij dat we twee goede bedrijven hebben gevonden in Nederland die daarmee aan de slag kunnen.’

Point-ahead mechanisme
LISA’s drie satellieten—die onderling dus op een afstand van 2,5 miljoen km staan—bewegen continu ten opzichte van elkaar binnen een marge van ongeveer tienduizend kilometer. Gelukkig gaat dat zo geleidelijk dat het de metingen niet verstoort. De laserstralen moeten daardoor wel vaak bijgestuurd worden. TNO ontwikkelt hiervoor mechanismes die met een nauwkeurigheid van milliboogseconden kunnen richten onder extreme ruimtevaartcondities, wat neerkomt op het aanwijzen van een dubbeltje op de Eiffeltoren vanuit Nederland.

‘De state-of-the-art technologie die TNO ontwikkelt voor deze mechanismes is cruciaal voor het tot stand komen van de LISA-missie,’ zegt Oana van der Togt, Business Developer bij TNO. ‘We maken daarbij gebruik van de uitgebreide optische kennis die beschikbaar is in Nederland.’

LISA en de Nederlandse wetenschap
Het Nederlandse samenwerkingsverband dat aan LISA werkt, wordt vertegenwoordigd door prof. Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit, die ook de initiator is van Nederlandse hardware-bijdragen aan LISA. Hij kijkt uit naar de nieuwe instrumenten: ‘De combinatie van de korte en lange golflengtes maakt dat we na het recente spectaculaire begin van dit nieuwe vakgebied in de toekomst een veel completer beeld krijgen van het heelal in zwaartekrachtgolven.’

 

SRON en Nikhef ontvingen een startimpuls vanuit de Nationale Wetenschapsagenda om aan de fotodiodes te werken.

Bron: SRON