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 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 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 500 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.

————————————————————————————————–

————————————————————————————————–

The Netherlands develop hardware for gravitational wave detector

The Netherlands are in the race for providing hardware to LISA, the first space observatory for gravitational waves, scheduled for launch in 2034. NWO institutes SRON and Nikhef have signed a contract with Dutch companies Bright Photonics and Smart Photonics for the development of LISA’s laser detection system. TNO has received funding from the Netherlands Space Office to develop technology for alignment of the optical systems.

Astronomers use gravitational waves to observe events in the Universe that are invisible to our telescopes, such as collisions between stellar black holes or neutron stars. However, observatories on Earth are unable to detect gravitational waves with a length exceeding 10,000 kilometers, meaning that for example supermassive black holes remain invisible. Therefore ESA is developing the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), 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 minuscule changes in distance.

Dutch consortium

Two Dutch partnerships want to provide hardware for LISA. TNO will develop prototypes for aiming part of the optics: LISA’s glasses. This enable for example a precise alignment of the laser beams. Nikhef, Bright Photonics and Smart Photonics, under SRON supervision, start the development of a prototype of the so-called quadrant photodiodes: the laser detection system of LISA’s eyes. Both prototypes should be ready in about a year, as a first aptitude test.

Photodiodes

The quadrant photodiodes register the infrared laser beams between LISA’s three satellites. The lasers have a power of 1 Watt, but diverge during their 2.5 million kilometer journey such that only 500 picoWatts remain upon arrival. ‘In order to be able to notice this, the diodes must have extremely low noise levels,’ says Jean in ‘t Zand, SRON researcher and project leader of the diode project. Niels van Bakel (Nikhef) mentions working with a material other than silicon as another challenge: ‘To increase the sensitivity of LISA’s eyes, we need to use indium gallium arsenide. I am very glad that we have found two good companies in The Netherlands that can get started on this.’

Point-ahead mechanism

LISA’s three satellites—2.5 million km apart—are constantly moving relative to each other within a margin of about ten thousand kilometers. Fortunately, this happens gradually enough such that it doesn’t affect the measurements. Still, it means the laser beams often need to be adjusted. TNO develops mechanisms for this that can aim with a precision of milli-arcseconds under extreme space conditions. This amounts to pointing out a dime on the Eiffel tower from The Netherlands. ‘The state-of-the-art technology that TNO develops for these mechanisms is crucial for the realization of the LISA mission,’ says Oana van der Togt, Business Developer at TNO. ‘For that we make use of the extensive optical knowledge that is available in The Netherlands.’

LISA and Dutch science

The Dutch partnership around LISA is represented by Prof. Gijs Nelemans from Radboud University, who is also the initiator of the Dutch hardware contributions to LISA. He looks forward to the new instruments: ‘The combination of short and long wavelengths means that after the recent spectacular start of the new field, will get a much more complete picture of the Universe in gravitational waves in the future.’

SRON and Nikhef received a ‘startimpuls’ from the Nationale Wetenschapsagenda to work on the photodiodes.