SRON en Nikhef ontvangen een ENW-M subsidie van NWO voor de ontwikkeling van de detectoren voor zwaartekrachtsgolventelescoop LISA. Met de beurs kunnen ze het bestaande prototype doorontwikkelen tot een ruimtewaardige versie die voldoet aan de strenge nauwkeurigheidseisen.
De twee instituten werken samen met de Nederlandse bedrijven BRIGHT Photonics en SMART Photonics om een fotodiode te maken die groot en ruisvrij genoeg is om LISA’s zwakke lasersignalen van ongeveer een nanoWatt op te pikken.
Astronomen en natuurkundigen gebruiken zwaartekrachtsgolven om gebeurtenissen in het heelal waar te nemen die meestal onzichtbaar zijn voor onze telescopen, zoals botsingen tussen stellaire zwarte gaten of neutronensterren. Maar 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 alsnog onzichtbaar blijven.
ESA lanceert daarom halverwege de jaren 2030 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 picometer-veranderingen in de onderlinge afstanden.
ENW-M subsidie
SRON en Nikhef zijn samen kandidaat om de detectoren voor LISA’s laserstralen te leveren. Ze hebben de afgelopen jaren een prototype ontwikkeld en ontvangen nu een ENW-M subsidie van 500duizend euro van NWO om dit door te ontwikkelen tot een volwaardige detector voor LISA. Die moet bestand zijn tegen de extreme omstandigheden in de ruimte, een hoge betrouwbaarheid tonen en voldoen aan de hoge eisen die LISA stelt om de minieme trillingen te detecteren die dwars door ons zonnestelsel razen.
Hoge eisen
Nadat LISA’s laserstralen hun 2,5 miljoen kilometer hebben afgelegd blijft er slechtsongeveer een nanoWatt over, waardoor de detectoren een laag ruisniveau nodig hebben om het signaal niet te overstemmen. Bovendien moeten ze een diameter van twee millimeter hebben om het ontwerp van LISA’s optiek zo eenvoudig mogelijk te houden. Zo’n diameter is tien tot honderd maal groter dan gebruikelijk in fotonica-applicaties.
Fotodiode
Vanwege de specifieke eisen moeten SRON en Nikhef de detectoren vanaf nul opbouwen, samen met de Nederlandse bedrijven BRIGHT Photonics en SMART Photonics. Ze maken een fotodiode door micrometer-dunne laagjes van het halfgeleidermateriaal indium-gallium-arsenide te kweken op een wafer. Om de ruis laag te houden moet de capaciteit van de diode laag zijn, en dus ook de dotering van de halfgeleider. Het prototype heeft al de vereiste lage ruis voor diameters tot 1,5 mm, maar er is nog verbetering nodig voor een diameter van 2 mm.
Behuizing
Als de fotodiode volledig is ontwikkeld met behulp van de ENW-M subsidie, moet de detector ook nog ingepast worden in één behuizing met de uitlees-elektronica. Die behuizing wordt ook door SRON en Nikhef ontwikkeld. Dat is weer een uitdaging op zichzelf omdat de behuizing niet teveel mag uitzetten en krimpen door temperatuurschommelingen en hij de fotodiode op minder dan een micrometer nauwkeurig stabiel moet houden. Uiteindelijk heeft LISA 72 exemplaren nodig voor haar drie ruimtevaartuigen, plus enkele tientallen als back-up.
LISA-NL consortium
De Nederlandse (astro)fysici die zich bezighouden met zwaartekrachtsgolven hebben zich verenigd in het LISA-NL consortium, dat op vrijdag 1 oktober haar eerste bijeenkomst organiseert. Betrokkenheid bij de bouw van LISA betekent behalve ontwikkelde expertise ook betere toegang tot de data die LISA produceert als ze eenmaal door de ruimte zweeft.
