Wetenschappers gebruiken supergeleidende detectoren (MKIDs) om losse fotonen vanaf exoplaneten in te vangen. MKIDs monitoren continu hun eigen kinetische inductie, die afhangt van de energie van een invallend foton. SRON-onderzoekers hebben nu de spectrale resolutie meer dan verdubbeld door veel van de weggelekte energie opnieuw te vangen. Publicatie in Physical Review Applied. 

In een supergeleider op lage temperatuur leven de meeste elektronen in paren. Een wisselstroom versnelt en vertraagt deze paren, waarmee ze een bijzonder verschijnsel opwekken: kinetische inductie. Wanneer een foton op een supergeleider invalt, baant de energie zich als een waterval door het materiaal, waarbij hij duizenden elektronparen opbreekt. Een lagere dichtheid paren betekent een hogere kinetische inductie.

Wetenschappers gebruiken dit verschijnsel om losse fotonen van zichtbaar en nabij-infraroodlicht te detecteren, bijvoorbeeld van exoplaneten, door supergeleidende enkel-foton-detectoren te bouwen in de vorm van zogenoemde Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). Deze detectoren meten continu de kinetische inductie van hun materiaal, zodat het opvalt als een foton invalt. Daarbij wordt ook meteen de golflengte bepaald, zodat elke pixel een spectrum kan opmeten. Pieter de Visser van SRON Netherlands Institute for Space Research en zijn collega’s hebben nu het ontwerp van MKIDs aangepast waarmee ze een tweeënhalf maal zo hoge nauwkeurigheid halen om de golflengte van een foton te meten.

Conventionele enkel-foton-detectoren bestaan uit supergeleidende circuitjes, aangebracht op een dikke (>300 μm) silicium of saffieren substraat. De spectrale resolutie van deze detectoren is gelimiteerd, omdat een deel van de oorspronkelijke energie van het invallende foton weglekt in het substraat via akoestische golven—fononen—voordat het wordt geregistreerd. Dit energieverlies vergroot de statistische variatie van het kinetische inductiesignaal dat wordt gebruikt om het foton te detecteren, waardoor het spectrum breder wordt.

In hun aangepaste apparaat vervangen De Visser en zijn collega’s het substraat met een dun (110 nm) siliciumnitride membraan. Ze laten zien dat fononen die ontsnappen vanuit de supergeleidende draad naar dit membraan, weer terugkaatsen vanaf de onderkant van het membraan naar de supergeleider. Daar maken ze hun werk af door meer elektronparen op te breken. De onderzoekers bereiken een oplossend vermogen van 52 en 19 voor respectievelijk zichtbaar en nabij-infrarode fotonen, tegenover 21 en 10 bij conventionele MKIDs.

Nu staan er twee nieuwe uitdagingen op de agenda. Ten eerste om een nog hogere spectrale resolutie te bereiken via betere invanging van ontsnapte fononen, met gebruik van zogenoemde fononische kristallen. Ten tweede om deze methode toe te passen op apparaten met veel pixels, om meetinstrumenten te maken die geschikt zijn voor astronomische en biologische toepassingen, zoals het bestuderen van exoplaneet-atmosferen en fluorescentiemetingen aan biologisch materiaal.

Publicatie

Pieter J. de Visser, Steven A. H. de Rooij, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, and Jochem J. A. Baselmans, 'Phonon-trapping enhanced energy resolution in superconducting single photon detectors', Physical Review Applied

Credit header image: ESA

Bijschrift foto rechts: Om de setup te testen sturen de onderzoekers licht in de MKID (in de samplehouder) via een glasvezelkabel.



Spectral resolution of superconducting single photon detectors more than doubled

Scientist use superconducting detectors (MKIDs) to capture single photons coming from exoplanets. MKIDs constantly monitor their own kinetic inductance, which changes proportionally to the energy of an incoming photon. SRON researchers have now more than doubled their spectral resolution by re-trapping most of the leaked energy. Publication in Physical Review Applied.

In a superconductor at low temperature, most electrons live in pairs. An oscillating current accelerates and decelerates these pairs, giving rise to an effect called kinetic inductance. When a photon strikes a superconductor, its energy cascades through the material, breaking up thousands of electron pairs. A lower density of pairs means a higher kinetic inductance.

Scientists use this property to detect single visible and near-infrared photons, for example from exoplanets, by building superconducting single-photon detectors in the shape of microwave resonators, called Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs). These detectors constantly measure the kinetic inductance of their material and deduce if a photon has hit. And if so, with what wavelength, so that each pixel can also measure a spectrum. Pieter de Visser at SRON Netherlands Institute for Space Research and colleagues have now modified the design of MKIDs to achieve a 2.5-fold increase in the precision with which the device can measure a photon’s wavelength.

Currently, conventional single photon detectors are superconducting circuits, deposited on a thick (>300 μm) silicon or sapphire substrate. The spectral resolution of these detectors is limited, because part of the initial energy from the detected photon can leak away into the substrate through acoustical waves—phonons— before it is registered. This energy loss increases the statistical variance of the kinetic-inductance signal used to detect a photon, which broadens the measured spectrum.

In their redesigned device, De Visser and his colleagues replace the substrate with a thin (110 nm) silicon-nitride membrane. They show that phonons escaping from the superconducting wire into this membrane reflect from the membrane’s bottom surface back into the superconductor. There they finish their job breaking up more electron pairs. The researchers experimentally achieved resolving powers of 52 and 19 for optical and near-infrared photons, respectively. For conventional MKIDs these numbers were 21 and 10.

They now plan to address two challenges. Firstly to reach even higher spectral resolution by stronger phonon-trapping, using so-called phononic crystals. Secondly to apply this method to devices with many pixels, to create instruments suitable for astronomical and biological applications, such as studying exoplanet atmosphere and fluorescence measurements of biological samples.

Publication

Pieter J. de Visser, Steven A. H. de Rooij, Vignesh Murugesan, David J. Thoen, and Jochem J. A. Baselmans, 'Phonon-trapping enhanced energy resolution in superconducting single photon detectors', Physical Review Applied

Na jaren wachten is het half december zo ver: de James Webb-ruimtetelescoop wordt gelanceerd. Deze infrarode grote broer van de Hubble-telescoop gaat onze kennis van veel gebieden binnen de sterrenkunde enorm vergroten. Van de chemische samenstelling van de atmosferen van exoplaneten tot het ontstaan van de eerste sterrenstelsels kort na de oerknal. Webb gaat alle bestaande metingen met minstens een factor 10 verbeteren. Maar hoe doet die telescoop dat? Waarom heet hij eigenlijk zo? En waarom hebben we er zo lang op moeten wachten? De Groningse SRON-astronoom Floris van der Tak legt het uit.

Artist’s impression van de Webb-ruimtetelescoop. Copyright: ESA/ATG medialab

Ook voor wie wel eens vaker een ruimtetelescoop heeft gezien, is de James Webb Space Telescope (kortweg Webb) een bijzonder geval. Dat is met name vanwege zijn reusachtige spiegel van 6,5 meter doorsnee. Zelfs op aarde zijn maar een paar telescopen groter dan deze (zie bijvoorbeeld dit overzicht). Hij is zo groot dat zelfs een Ariane 5-raket, de grootste ter wereld, te klein is om Webb zomaar mee te nemen. De hoofdspiegel, de zonnepanelen en het zonnescherm worden daarom opgevouwen voor de lancering, en pas na aankomst in de ruimte uitgeklapt. Voor zonnepanelen is dat normaal, maar bij de spiegel moet het veel preciezer, en dat is nog nooit vertoond.

Hoewel NASA het uitklappen uitgebreid geoefend heeft, is dit het spannendste moment voor veel astronomen. Veel spannender dan de lancering zelf. Op het moment dat ik dit schrijf, wordt Webb verscheept naar de ESA-lanceerbasis van Kourou in Frans Guyana. De lancering is een Europese bijdrage aan het project. De precieze datum van het transport is trouwens geheim uit angst voor piraten die Webb willen kapen om losgeld te eisen. Pirates of the Caribbean, inderdaad.

James wie?

De naam James Webb is meteen al iets bijzonders. Normaal noemen NASA en ESA hun ruimtetelescopen naar beroemde sterrenkundigen. Zo heet de Hubble-telescoop naar Edwin Hubble (1889-1953), die ontdekte dat het heelal uitdijt, de Chandra-telescoop naar Subramanyan Chandrasekhar (1910-1995), die het bestaan van witte dwergsterren voorspelde, en de Kepler-telescoop naar Johannes Kepler (1571-1630), die ontdekte dat planeten in ellipsbanen om de zon bewegen. Soms glipt er ook een natuurkundige tussendoor. Zo is de Planck-telescoop genoemd naar Max Planck (1858-1947), die als eerste het golf- en het deeltjeskarakter van licht wist te combineren.

James Webb was echter geen natuur- of sterrenkundige, maar directeur van NASA in de jaren 60, tijdens de aanloop naar het Apollo-project. Veel sterrenkundigen waren verbaasd toen NASA de opvolger van de Hubble-telescoop (die tot dan NGST heette: Next Generation Space Telescope) in 2002 omdoopte tot Webb. Maar intussen is iedereen eraan gewend en vond niemand het raar toen WFIRST, een nieuwe infrarode ruimtetelescoop die de NASA op dit moment bouwt, in 2020 werd hernoemd naar Nancy Grace Roman, de eerste vrouwelijke hoofdingenieur van NASA.

Dat telescopen van naam veranderen, komt trouwens vaker voor. Zo heette de Spitzer-telescoop aanvankelijk SIRTF (Space Infrared Telescope Facility) en werd FIRST (Far-Infrared and Submillimeter Telescope) pas later Herschel genoemd. In Japan is het zelfs traditie om ruimtetelescopen pas hun definitieve naam te geven als ze veilig en wel in de ruimte zijn. Mocht er onderweg iets misgaan, dan is die naam niet besmet.

MIRI (verpakt in aluminium) geïntegreerd in de Integrated Science Instrument Module (ISIM) van de Webb. Foto copyright: NASA/Goddard Space Flight Center/Chris Gunn)

Wat doet Nederland?

Webb is een internationaal project, en Nederland draagt op allerlei gebieden bij. Belangrijke onderdelen van de mid-infrarode camera MIRI zijn gebouwd in het optische laboratorium van NOVA in Dwingeloo. Bovendien levert het nationale ruimteonderzoeksinstituut SRON (waar ik werk) belangrijke stukken van de software om MIRI te bedienen en de data te analyseren. Voor deze bijdragen krijgt Nederland een aantal uren gegarandeerde waarneemtijd op Webb, die vooral gebruikt gaat worden voor studies aan het ontstaan van planeten met MIRI.

Bovendien zijn Nederlandse astronomen heel succesvol geweest in het vergaren van open waarneemtijd, in competitie met collega’s van over de hele wereld. Veel van deze open tijd gaat naar studies van de vorming van sterrenstelsels in het jonge heelal. En er is bijvoorbeeld een programma over de samenstelling van ijslagen op stofdeeltjes in donkere wolken in onze Melkweg. Dankzij Herschel weten we al dat het water op aarde als zulke ijslagen ontstaan is, en met Webb hopen we te ontdekken welke stoffen nog meer op die manier zijn ontstaan.

Een kostbaar project …

Behalve buitengewoon groot en buitengewoon krachtig, is Webb ook buitengewoon duur. De kosten zijn vertwintigvoudigd van 500 miljoen dollar met lancering in 2007 naar 10 miljard dollar met lancering in 2021. Het komt vaker voor dat telescopen vertraging hebben, en dat leidt automatisch tot hogere kosten omdat de mensen die eraan werken moeten worden doorbetaald.

Is 10 miljard dollar nou veel geld voor een telescoop? Dat is maar hoe je het bekijkt. Het project ging van start in 1996 en loopt minimaal tot 2026, dus zeker dertig jaar. De VS hebben 335 miljoen inwoners, dus Webb kost per Amerikaanse belastingbetaler 30 dollar in totaal, en maar 1 dollar per jaar. En nog minder als je meeneemt dat Canada en Europa ook aan Webb bijdragen. Bovendien verdwijnt maar een klein deel van het geld de ruimte in. Het meeste is een investering in kennis en kunde op de grond. Die kosten moeten we afzetten tegen de golf aan nieuwe inzichten en ontdekkingen die we mogen verwachten.

… met veel vertraging

Veertien jaar vertraging is wel uitzonderlijk. De Europese infrarode ruimtetelescoop Herschel had bijvoorbeeld twee jaar uitstel, van 2007 naar 2009. Het enige project dat ik ken met nog meer vertraging is de Nederlandse robot-arm voor de ISS, maar dat kwam doordat de lancering heel vaak is uitgesteld. De vertraging van Webb komt vooral door de telescoop zelf. De instrumenten, waaronder de Europese mid-infrarode camera MIRI, zijn al in 2012 opgeleverd en liggen dus al bijna tien jaar in een magazijn. Dat betekent helaas dat deze instrumenten hadden kunnen profiteren van jaren extra ontwikkeling in de techniek. Het voordeel is dat de software van de telescoop en de instrumenten nu veel beter ontwikkeld is.

Waarom James Webb nu precies zoveel vertraagd is, weet alleen NASA. Maar allicht is de complexiteit van het uitvouwen van de hoofdspiegel (achttien segmenten van 1,3 meter en 40 kilo), de zonnepanelen, en het zonnescherm onderschat. Behalve de spiegel luistert het zonnescherm erg nauw. Dit bestaat uit vijf lagen metaalfolie van 21 bij 14 meter die dicht op elkaar zitten, maar elkaar absoluut niet mogen raken.

Adelaarsnevel: The Pillars of Creation. Foto: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Een paar jaar vertraging levert dus wel extra kosten op, maar is wetenschappelijk geen probleem. Ruimtetelescopen worden zo ontworpen dat hun doelen niet snel achterhaald zijn. Zo heeft het Europese ruimtevaartagentschap ESA dit jaar plannen ontvouwd voor de periode tot 2050. Dat is een tijdschaal die je verder alleen hoort als het over de overgang naar groene energie gaat. Ik was lid van een werkgroep die ESA hierover adviseerde, en we hebben allerlei ideeën voor ruimtemissies juist daarop beoordeeld dat hun doelen niet mogelijk binnen een paar jaar achterhaald zijn.

Toen Webb werd ontworpen (midden jaren 90) stond het ontstaan van sterren en sterrenstelsels volop in de belangstelling. Twee beroemde foto’s van Hubble illustreren dit mooi: een bijzonder fraaie van de Adelaarsnevel (hierboven), en een bijzonder diepe van het jonge heelal (hieronder). Een infrarode opvolger voor Hubble lag dus voor de hand: hoe ouder het licht des te roder het wordt (de zogenaamde roodverschuiving). Een infrarode telescoop kan dus dieper het heelal in kijken. Terug tot de tijd van de eerste sterren. Bovendien worden sterren geboren in wolken van stof, en in infrarood licht kijkt een telescoop daar beter doorheen dan in zichtbaar licht. Al te ver het infrarood in moet trouwens ook niet, want dan wordt het sterlicht wel erg zwak. Webb zit wat dat betreft precies goed.

Hubble Ultra Deep Field. Foto: NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

Van sterrenstelsels tot exoplaneten

Midden jaren 90 is voor ons lang geleden. Het was de tijd van de eerste mobiele telefoons, waarin nog haast niemand internet thuis had, laat staan een eigen email-adres. En ook in de sterrenkunde is sindsdien veel gebeurd. Het is niet zo dat de oorspronkelijke doelen van Webb achterhaald zijn, maar de Europese ver-infrarode ruimtetelescoop Herschel (2009-2013) en de submillimeter-interferometer ALMA in Chili (sinds 2012) hebben veel vragen over het ontstaan van sterren en sterrenstelsels opgelost en deze onderzoeksvelden in nieuwe richtingen bewogen. Bovendien waren midden jaren 90 de eerste ‘exoplaneten‘ (planeten bij andere sterren) net ontdekt, en moest de eerste planeet die voor zijn ster langs beweegt nog gevonden worden.

Tegenwoordig staan exoplaneten centraal in het internationale ruimte-onderzoek, en vormen ‘transits’ (dat voorlangs schuiven) de methode bij uitstek om hun atmosferen te bestuderen. Met Webb kan dat wel, en er zijn (ook vanuit Nederland, en ook door mij) allerlei plannen ingediend om planeten buiten ons zonnestelsel met Webb te bestuderen, maar hij is er niet speciaal geschikt voor. Dat komt omdat Webb groot en log is.

Webb is gemaakt voor het vroege heelal, waarvoor je lang naar hetzelfde veld moet staren en geduldig fotonen moet verzamelen. Daarom is de spiegel zo groot en dat zonnescherm zo belangrijk. Maar voor planeten die af en toe voor hun ster langs bewegen is juist een wendbare telescoop nodig, die op het goede moment naar de goede ster kijkt. Wat Webb wel heel goed kan, is exoplaneten observeren die vlak naast hun ster staan (zoals HR 8799) Op dit gebied worden dan ook veel ontdekkingen verwacht.

Beperkte houdbaarheid?

De missie van Webb duurt minstens vijf en maximaal tien jaar, dus de leeftijd van Hubble, die tegen de dertig loopt, gaat hij zeker niet halen. De levensduur van ruimtetelescopen wordt niet alleen beperkt door de hoeveelheid brandstof aan boord voor manoeuvres, maar ook door schade van kosmische straling en inslaande stofdeeltjes. Vooral electronica is kwetsbaar. In tegenstelling tot Hubble kunnen astronauten Webb niet repareren of bijtanken. Zijn baan ligt ver voorbij de maan, niet rondom de aarde zoals Hubble. Maar dat is niet zo erg. De reparatiemissies aan Hubble met de Space Shuttle waren per slot van rekening een technisch hoogstandje van NASA, en goed voor de PR, maar ook heel duur. Voor hetzelfde geld hadden astronomen een nieuwe ruimtetelescoop kunnen bouwen.

Na de lancering is Webb zes maanden onderweg naar de plek waar hij metingen gaat doen. Dat is ruim voorbij de maan, om geen last te hebben van infrarode straling van de aarde en de maan. Onderweg worden de spiegel, het zonnescherm, en de zonnepanelen uitgeklapt, en de instrumenten afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, om ze maximaal gevoelig te maken. De resultaten van de eerste metingen worden volgend jaar zomer verwacht. Net als veel astronomen kan ik haast niet wachten tot het zover is.

 

Wetenschap.nu 

 De SRON-blogs verschijnen ook op wetenschapsplatform wetenschap.nu.

 

Sterrenkundigen – onder wie SRON/RU-onderzoeker Peter Jonker - hebben een fatale ontmoeting tussen een onfortuinlijke ster en een middelzwaar zwart gat bestudeerd. De röntgenflits die daaruit voortkwam geeft ze voor het eerst zowel de massa als de draaisnelheid van een middelzwaar zwart gat.

Deze afbeelding toont een lichtgevende strook materie van een ster die door een superzwaar zwart gat wordt verorberd. Het zwarte gat is omringd door stof. NASA/JPL-Caltech

Hoewel zwarte gaten en peuters weinig gemeen lijken te hebben is er één opvallende overeenkomst: beiden zijn slordige eters, die overvloedig bewijs achterlaten dat er een maaltijd heeft plaatsgevonden. Maar waar de een gevallen pasta of yoghurtspetters achterlaat, weet de ander een naspel van verbijsterende omvang teweeg te brengen. Wanneer een zwart gat een ster oppeuzelt produceert het wat sterrenkundigen een tidal disruption event noemen. Het verscheuren van de onfortuinlijke ster gaat vergezeld van een uitbarsting van straling die het licht van alle sterren in het gast-sterrenstelsel van het zwarte gat samen, maanden of zelfs jarenlang kan overtreffen.

Tidal disruption event
Een team van sterrenkundigen met SRON-onderzoeker Peter Jonker, geleid door Sixiang Wen, postdoc aan de University of Arizona Steward Observatory (en vanaf 1 oktober verbonden aan de Radboud Universiteit), heeft voor het eerst metingen gedaan aan zowel de massa als de draaisnelheid van een zwarte gat. Daarbij maakten ze gebruik van röntgenstraling uitgezonden door een tidal disruption event, bekend onder de afgekorte naam J2150. Dit zwarte gat is van een specifiek type, een middelzwaar zwart gat.

Het bewijs voor het bestaan van dit soort zwarte gaten is nog niet waterdicht. “Het feit dat we in staat waren om dit zwarte gat te betrappen terwijl het een ster verorberde bleek een uitgelezen mogelijkheid om iets te observeren dat anders onzichtbaar zou zijn,” vertelt Ann Zabludoff, hoogleraar sterrenkunde aan de universiteit van Arizona en medeauteur van de publicatie. “Door de flits te analyseren krijgen we een beter begrip van deze ongrijpbare categorie zwarte gaten.”

Middelzwaar zwart gat
Door de röntgendata van de J2150 flits opnieuw te analyseren en te vergelijken met nieuwe theoretische modellen konden de auteurs aantonen dat hij afkomstig was van een ontmoeting tussen een ongelukkige ster en een middelzwaar zwart gat. Het betreffende middelzware zwarte gat heeft een bijzonder kleine massa – althans, voor een zwart gat – van ongeveer 10.000 keer de massa van de zon.

“Uit de röntgenstraling van het binnenste deel van de schijf bestaande uit puin van de dode ster was het voor ons mogelijk om de massa en draaisnelheid van dit zwarte gat af te leiden en het zodoende als een middelzwaar zwart gat te classificeren,” legt Wen uit.

In de centra van grote sterrenstelsels met superzware zwarte gaten zijn tientallen tidal disruption events waargenomen; een handjevol zijn ook waargenomen in de centra van kleine sterrenstelsels die mogelijk middelzware zwarte gaten bevatten. Eerdere data zijn echter nooit voldoende nauwkeurig geweest om te bewijzen dat een individueel tidal disruption event door een middelzwaar zwart gat werd veroorzaakt.

“Dankzij moderne astronomische waarnemingen weten we dat de centra van bijna alle sterrenstelsels van vergelijkbare grootte of groter dan de melkweg superzware zwarte gaten herbergen,” vertelt medeauteur van het onderzoek Nicholas Stone, docent aan de Hebrew University in Jeruzalem. “Deze reuzen variëren in omvang van één miljoen tot tien miljard keer de massa van de zon, en ze vormen krachtige bronnen van elektromagnetische straling wanneer interstellair gas invalt.”

Massa
De massa van deze zwarte gaten correleert sterk met de totale massa van de stelsels waarin ze zitten; de grootste sterrenstelsels huizen de grootste superzware zwarte gaten. “We weten nog steeds erg weinig over het bestaan van zwarte gaten in de centra van stelsels kleiner dan ons melkwegstelsel,” vertelt medeauteur Peter Jonker van Radboud Universiteit en SRON. “Door beperkingen in de waarnemingen is het erg uitdagend om centrale zwarte gaten te ontdekken die kleiner zijn dan één miljoen zonnemassa’s.”

Ondanks de veronderstelde overvloed van zwarte gaten blijft hun oorsprong onbekend. Volgens Jonker zijn er dan ook veel verschillende theorieën die dit proberen te verklaren. Middelzware zwarte gaten zouden de kiemen kunnen zijn waaruit superzware zwarte gaten ontspruiten.

“Daarom kan een betere grip op de hoeveelheid middelzware zwarte gaten helpen bij het bepalen welke theorieën over het ontstaan van superzware zwarte gaten kloppen,” licht hij toe.

Spin

Wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt, veroorzaakt de zwaartekracht intense getijdekrachten die de ster uiteen trekken, wat een catastrofaal verschijnsel tot gevolg heeft dat bekend staat als een tidal disruption event. Er komen overweldigende hoeveelheden energie vrij die ervoor zorgen dat deze tidal disruption in sommige gevallen zelfs het licht van de rest van zijn sterrenstelsel kan overtreffen. NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Nog spannender vindt Zabludoff de meting van de draaisnelheid, ook wel spin genoemd, van J2150 die de groep wist te verkrijgen. Deze spinmeting bevat hints over hoe zwarte gaten groeien, en mogelijk ook informatie voor deeltjesfysica.

Wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt, veroorzaakt de zwaartekracht intense getijdekrachten die de ster uiteen trekken, wat een catastrofaal verschijnsel tot gevolg heeft dat bekend staat als een tidal disruption event. Er komen overweldigende hoeveelheden energie vrij die ervoor zorgen dat deze tidal disruption in sommige gevallen zelfs het licht van de rest van zijn sterrenstelsel kan overtreffen. NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Dit zwarte gat heeft een hoge spin, maar niet de hoogst mogelijke spin, legt Zabludoff uit, wat de vraag opwerpt hoe het zwarte gat aan zijn spin komt.

“Het kan zijn dat het zwarte gat op deze manier gevormd is en de spin sindsdien amper meer veranderd is, of dat twee middelzware zwarte gaten onlangs tot deze zijn versmolten,” vertelt ze. “Wat we wel weten is dat de spin die we gemeten hebben scenario’s uitsluit waarin het zwarte gat gedurende een lange tijd groeit door gestaag gas te consumeren of door veel snelle hapjes te nemen van gas uit willekeurige richtingen.”

Donkere materie
Bovendien laat de spinmeting de astrofysici hypotheses testen over de aard van donkere materie, waarvan wordt gedacht dat deze goed is voor de meeste materie in het heelal. Donkere materie zou kunnen bestaan uit onbekende elementaire deeltjes die nog niet in laboratoriumexperimenten zijn waargenomen. Onder de kandidaten bevinden zich hypothetische deeltjes die ultralichte bosonen worden genoemd, legt Stone uit.

“Als deze deeltjes bestaan en massa hebben in een bepaald bereik, dan zullen ze voorkomen dat een middelzwaar zwart gat een snelle spin krijgt,” zegt hij. “Het zwarte gat van J2150 spint echter snel. Onze spinmeting sluit dus een reeks ultralichte boson-theorieën uit, wat de waarde aantoont van zwarte gaten als buitenaardse laboratoria voor deeltjesfysica.”

De auteurs hopen dat nieuwe waarnemingen van tidal disruption flares sterrenkundigen in de toekomst zouden kunnen helpen om tot een betere massaverdeling te komen van zwarte gaten.

Dwergstelsels
“Als blijkt dat de meeste dwergsterrenstelsels middelzware zwarte gaten bevatten, dan zou dat betekenen dat de meeste tidal disruption events in zulke dwergstelsels voorkomen,” zegt Stone. “Door de röntgenstraling van deze flitsen met theoretische modellen te vergelijken kunnen we een schatting doen van de middelzware zwarte gaten-populatie in het heelal,” voegt Wen toe.

Om dat te kunnen doen zullen echter meer tidal disruption events gevonden moeten worden. Dat is waarom sterrenkundigen uitkijken naar de nieuwe telescopen die binnenkort in bedrijf gaan, zowel op aarde als in de ruimte, zoals de Chinese Einstein Probe-satelliet waar ESA ook aan meewerkt.

Dit onderzoek werd gesteund door subsidies vanuit NASA en de U.S.-Israel Binational Science Foundation. Een eerdere versie van dit artikel verscheen in het Engels op de website van de universiteit van Arizona. Tekst: Daniel Stolte, University Communications 

 

 

(English follows Dutch)

SRON en Nikhef ontvangen een ENW-M subsidie (€500.000) van NWO voor de ontwikkeling van de photoreceivers voor de zwaartekrachtsgolvendetector 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 ruisloos genoeg is om LISA’s zwakke lasersignalen van 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-variaties in de onderlinge afstanden.

ENW-M subsidie

SRON en Nikhef zijn samen kandidaat om de photoreceivers voor LISA’s laserstralen te leveren. Ze hebben de afgelopen jaren een prototype ontwikkeld en ontvangen nu een ENW-M subsidie van NWO, met als hoofdaanvrager Jean in ’t Zand, om dit door te ontwikkelen tot een volwaardige photoreceiver 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 km hebben afgelegd blijft er slechts een nanoWatt over, waardoor de photoreceivers 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 photoreceivers 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 mm, maar er is nog verbetering nodig voor een diameter van 2 mm.

Behuizing

Als de fotodiode volledig is ontwikkeld, moet hij ook nog ingepast worden in één behuizing met de uitlees-elektronica die elders wordt ontwikkeld. 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 levert als ze eenmaal door de ruimte zweeft.

Header image: Credit NASA



SRON and Nikhef receive ENW-M grant for development LISA photoreceivers

SRON and Nikhef receive an ENW-M grant (€500,000) from NWO for the development of the photoreceivers for the gravitational wave detector LISA. It enables them to further develop the existing prototype towards a final version that meets the strict accuracy requirements. They work together with the Dutch companies BRIGHT Photonics and SMART Photonics to produce a photodiode that is large and noiseless enough to pick up LISA’s laser beams of only one nanoWatt.

Astronomers and physicists use gravitational waves to observe events in the Universe that are mostly invisible to our telescopes, such as collisions between stellar black holes or neutron stars. However, ground-based observatories are unable to detect gravitational waves with a length exceeding 10,000 kilometers, meaning that for example supermassive black holes remain invisible. Therefore ESA will launch the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) in the mid-2030s, which will use its 2.5 million kilometer arms to detect much longer wavelengths. These arms consist of laser beams between three separate satellites and are able to detect picometer variations in distance.

ENW-M grant

Together, SRON and Nikhef are a candidate to provide the photoreceivers for LISA’s laser beams. In the past few years they have developed a prototype and now receive an ENW-M grant from NWO, with lead applicant Jean in 't Zand, to further develop a full-fledged detector for LISA. It should be able to withstand the extreme conditions in space, show a strong reliability and meet LISA’s strict requirements to detect the minuscule vibrations raging through our Solar System.

Strict requirements

After LISA's laser beams have traveled their 2.5 million km long path, only one nanoWatt of power remains, so the detectors need a low noise level to not drown out the signal. In addition, they must have a diameter of two millimeters to keep the design of LISA's optics as simple as possible. This is ten to a hundred times larger than usual within photonics applications.

Photodiode

Because of the specific requirements, SRON and Nikhef have to build the photodiode from scratch, together with the Dutch companies BRIGHT Photonics and SMART Photonics. They fabricate a photodiode by growing micrometer-thin layers of the semiconductor indium-gallium-arsenide on a wafer. In order to keep the noise low, the capacitance of the diode must be low, and therefore also the doping level of the semiconductor. The prototype already has the required low noise for diameters up to 1 mm, but improvement is needed for a diameter of 2 mm.

Housing

When the photodiode has been fully developed, it must be fitted in a housing together with the readout electronics, which are developed elsewhere. That housing is also being developed by SRON and Nikhef, which is a whole new challenge because it shouldn’t expand and contract too much due to temperature fluctuations and it must keep the photodiode stable to less than a micrometer. In the end, LISA will need 72 copies for its three spacecraft, plus several dozen as backup.

LISA-NL consortium

The Dutch (astro)physicists involved in gravitational waves are collaborating under the flag of the LISA-NL consortium, which will organize its first meeting on Friday October 1st. Involvement in the construction of LISA means, in addition to developed expertise, also better access to the data that LISA provides once it is launched into space.

De Australische zomer van 2019-2020, ook wel ‘Black Summer’ genoemd, werd ontsierd door enorme bosbranden. Onderzoekers van de Vrije Universiteit Amsterdam, SRON Netherlands Institute for Space Research en KNMI hebben nu met behulp van satellietdata bepaald hoeveel CO2 er daarbij vrij is gekomen. De bosbranden produceerden bijna tweemaal zoveel CO2 als het jaarlijkse verbruik van fossiele brandstoffen in heel Australië. Publicatie in Nature.

De bosbranden, in overwegend eucalyptusbossen, woedden gedurende een periode van drie maanden. Het Nederlandse team van wetenschappers van de VU en SRON schat nu de totale CO2-uitstoot op ruim 700 miljard kilogram. Dat is bijna het dubbele van de jaarlijkse uitstoot door het verbruik van fossiele brandstoffen in heel Australië en vergelijkbaar met de jaarlijkse uitstoot door het wereldwijde vliegverkeer.

Satellietinstrument TROPOMI

Bosbrand-emissiemodellen gaven eerder al schattingen van emissies, maar die vertoonden uiteenlopende variaties. VU-/SRON-onderzoeker en eerste auteur Ivar van der Velde: ”Door satellietdata van atmosferische koolmonoxide (CO) concentraties in te zetten, kunnen we de totale CO2-uitstoot veel beter inschatten. Daarvoor gebruikten we het Nederlandse satellietinstrument TROPOMI. Dat meet niet de uitstoot van branden, maar de impact op de hoeveelheid CO in de atmosfeer. We hebben een atmosferisch transportmodel gebruikt om de CO-uitstoot aan de grond te vertalen naar CO-concentraties in de atmosfeer. Vervolgens pasten we de schattingen van CO-emissies zo aan in het model dat we de gesimuleerde hoeveelheid koolmonoxide consistent maakten met de TROPOMI-metingen.” Omdat de verhouding tussen CO en CO2 die vrijkomt bij branden in eucalyptusbossen vrij goed bekend is uit veldmetingen, konden de onderzoekers daarna ook de CO2-uitstoot van de 'Black Summer'-branden herleiden.

“TROPOMI stelt ons in staat om ook bosbranden en emissies van koolmonoxide veel nauwkeuriger te monitoren vanuit de ruimte dankzij de hoge precisie van het instrument tot dicht aan de onderste luchtlagen waar de branden zich afspelen”, aldus Ilse Aben, VU-hoogleraar en hoofd van het TROPOMI-team bij SRON.

Nieuw verschijnsel

Natuurbranden zijn op zichzelf een natuurlijk jaarlijks terugkerend fenomeen in Australië. Klimaat- en bosbrandexpert Guido van der Werf (VU): “Er zijn met name veelvuldig branden in het savanne-landschap van Australië. Het unieke van de ‘Black Summer’-branden is dat ze extreem groot waren en dat ze woedden in eucalyptusbossen waar we dit soort grote branden eigenlijk niet vaak zien.” Het onderzoek werpt daarom nieuwe vragen op over deze (nog) zeldzame, maar zeer grote branden. De verwachting is dat deze branden in de toekomst vaker zullen voorkomen. Van der Werf vervolgt: “Dit zal een snel herstel van de getroffen bossen bemoeilijken waardoor een deel van de uitgestoten CO2 minder snel gecompenseerd wordt door CO2-opname bij hergroei. Een deel van de uitgestoten CO2 blijft dus langer in de atmosfeer en draagt zo bij aan de opwarming van de aarde. Dit staat in schril contrast met de vaak kleinere natuurbranden die over het algemeen worden gezien als klimaatneutraal omdat hergroei relatief snel na de brand kan plaatsvinden. We hebben dus mogelijk te maken met een nieuw fenomeen dat eerder lijkt op branden die worden waargenomen bij grootschalige ontbossing, zoals aan de randen van de Amazone. Zulke ontbossingsbranden veroorzaken netto CO2-uitstoot doordat biomassa permanent uit het ecosysteem wordt verwijderd om plaats te maken voor meer landbouwgrond.“ Gezien de huidige opwarming van de aarde is het volgens de onderzoekers goed mogelijk dat de frequentie, duur en omvang van natuurbranden in Zuidoost-Australië—en mogelijk ook elders—in de toekomst alleen maar zullen toenemen. Dit zal bijdragen aan nog snellere stijging van CO2-concentraties dan verwacht.

Onderschrift foto: De koolmonoxideconcentratie [mol/m2] gemeten met TROPOMI over Australië op 20 december 2019. De hevige bosbranden veroorzaakten een sterke toename van koolmonoxide in de atmosfeer. Het TROPOMI-team heeft hieruit nu ook totale CO2-uitstoot van de bosbranden berekend: tweemaal zoveel als het jaarlijkse verbruik van fossiele brandstoffen in heel Australië.

Publicatie

Ivar R. van der Velde, Guido R. van der Werf, Sander Houweling, Joannes D. Maasakkers, Tobias Borsdorff, Jochen Landgraf, Paul Tol, Tim A. van Kempen, Richard van Hees, Ruud Hoogeveen, J. Pepijn Veefkind & Ilse Aben, 'Vast CO2 release from Australian fires in 2019–2020 constrained by satellite', Nature

 



Australian 'Black Summer' wildfires produced almost twice as much CO2 as all Australians in a year

The Australian summer of 2019-2020, also known as the 'Black Summer', was characterized by a series of devastating wildfires. Researchers from VU Amsterdam, SRON Netherlands Institute for Space Research and KNMI have determined the amount of CO2 released by these fires using satellite data. The wildfires produced nearly twice as much CO2 as Australia's annual fossil fuel consumption. Publication in Nature.

The wildfires in predominantly eucalyptus forests raged for a period of three months in 2019-2020. The Dutch team of scientists from the VU and SRON now determine the total CO2 emissions at over 700 billion kilograms. That is nearly double the annual emissions from fossil fuel consumption across Australia and comparable to annual emissions from air travel globally.

Satellite instrument TROPOMI

Forest fire models had already provided estimates, but those returned varying results. The team of researchers decided to use a different method to estimate CO2 emissions. VU/SRON researcher and first author Ivar van der Velde explains: ”By using satellite data of atmospheric carbon monoxide (CO) concentrations, we can much better estimate the total CO2 emissions. For that we used the Dutch space instrument TROPOMI. It doesn't measure the emission magnitude of fires, but the impact on the amount of CO in the atmosphere. We used an atmospheric transport model to translate CO emissions at the surface into CO concentrations in the atmosphere. Next, we optimized the CO emissions in the model to match the CO observed with TROPOMI.” Because the ratio between CO and CO2 released during fires in eucalyptus forests is fairly well known from field measurements, the researchers were also able to derive the CO2 emissions from these 'Black Summer' fires.

“TROPOMI enables us to monitor wildfires and carbon monoxide emissions much more accurately from space thanks to the high precision of the instrument down to the lowest layers in the atmosphere where the fires occur,” says Ilse Aben, VU professor and head of the TROPOMI research team at SRON.

New phenomenon

Wildfires are a natural recurring phenomenon in Australia. Climate and forest fire expert Guido van der Werf (VU): “Particularly in Australia's savanna regions fires occur frequently. The uniqueness of the 'Black Summer' fires is that they were extremely large and raged in eucalyptus forests where we usually don't see these kinds of large fires.” This research therefore raises new questions about these (still) rare, but very large fires, which are expected to become more frequent in the future. Van der Werf continues: “This will hamper rapid recovery of the affected forests, and part of the emitted CO2 will not be compensated for by CO2 uptake during post-fire regrowth. Some of the emitted CO2 will therefore remain longer in the atmosphere and thus contribute to global warming. This is in stark contrast to the often small wildfires that are generally seen as climate neutral because regrowth can occur relatively quickly after the fire. As a result, we may be dealing with a new phenomenon that is more similar to fires seen during large-scale deforestation, such as in the Amazon. Such deforestation fires are responsible for net CO2 emissions as biomass is permanently removed from the ecosystem to make way for more farmland.“ Given current global warming trends, the researchers say it is quite possible that the frequency, duration and magnitude of wildfires in Southeast Australia—and perhaps elsewhere—will only increase in the future. This will contribute to an even faster rise in CO2 levels than anticipated.

Caption header image: The carbon monoxide concentration [mol/m2] measured with TROPOMI over Australia on December 20, 2019. The severe wildfires caused a strong increase of carbon monoxide in the atmosphere. The TROPOMI team has calculated the total CO2 emissions from these wildfires: almost twice as much than CO2 from the annual consumption of fossil fuels across Australia.

Publication

Ivar R. van der Velde, Guido R. van der Werf, Sander Houweling, Joannes D. Maasakkers, Tobias Borsdorff, Jochen Landgraf, Paul Tol, Tim A. van Kempen, Richard van Hees, Ruud Hoogeveen, J. Pepijn Veefkind & Ilse Aben, 'Vast CO2 release from Australian fires in 2019–2020 constrained by satellite', Nature



SCROLL TO TOP