Onderzoekers hebben een nieuw magnetisch, op spiegels gebaseerd apparaat gemaakt dat op een dag kosmologen zou kunnen helpen nieuwe details te ontdekken over rimpelingen in de ruimte-tijd die bekend staan ​​als zwaartekrachtsgolven. vooral die uitgezonden toen het universum extreem jong was.

Het nieuwe werk maakt deel uit van een multi-institutionele samenwerking die wordt gefinancierd door het technologieonderzoeksprogramma van de European Space Agency (ESA) om technologieën te ontwikkelen die nodig zijn voor toekomstige experimenten, zoals het voorgestelde Cosmic Origins Explorer-satellietmissieprogramma. Deze ruimtemissie is gericht op het verkrijgen van hoge precisie, full-sky kaarten van de kosmische microgolfachtergrond - de overblijfselemissie die overleefde sinds de oerknal.

De kosmische microgolfachtergrond is het onderwerp geweest van intensief onderzoek sinds de ontdekking ervan ongeveer 50 jaar geleden. De afgelopen jaren is er meer aandacht gekomen voor de gepolariseerde componenten van deze microgolfachtergrond - in het bijzonder een component genaamd B-modus, waarvan wordt gedacht dat het de sleutel bevat tot informatie over oorspronkelijke zwaartekrachtsgolven en de fysieke processen die heel vroeg in de geschiedenis van het universum plaatsvonden.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Toegepaste optica , de onderzoekers demonstreerden een nieuw type polarisatiemodulator op basis van een magnetische spiegel. Het nieuwe apparaat zou een grote uitdaging kunnen overwinnen voor het detecteren van de B-moduspolarisatie - het vermogen om microgolfpolarisatie over een breed frequentiebereik te moduleren. Breedbandwerking is nodig om de extreem zwakke B-mode-polarisatie spectraal te onderscheiden van de voorgrondstraling van andere astrofysische bronnen.

"We, zoals anderen, werken al meer dan twee decennia aan de ontwikkeling van technologieën die de detectie van de B-mode-polarisatie mogelijk zouden maken, " zei Giampaolo Pisano, Universiteit van Cardiff, VK, eerste auteur van het artikel. "Dit is een uitdagend probleem gebleken, omdat slechts een klein deel van het totale signaal deze polarisatie vertoont."

De technologie ontwikkelen

Een belangrijk onderdeel voor het detecteren van straling in de B-modus is een halfgolfplaat, een apparaat dat wordt gebruikt om de polarisatie van elektromagnetische straling te moduleren. Door de halfgolfplaat te draaien, roteert ook de polarisatie van de straling, het creëren van een oscillerend patroon dat kan worden onderscheiden van het constante signaal van niet-gepolariseerde straling.

Eerdere implementaties van deze halfgolfplaten hebben geleid tot inherent smalbandige apparaten vanwege de optische eigenschappen van beschikbare materialen of het gebruikte ontwerp. Werking over een breed scala aan golflengten is cruciaal om B-mode-polarisatie afkomstig van het vroege heelal te onderscheiden van signalen afkomstig van andere bronnen.

"De meeste inspanningen bij de ontwikkeling van technologie waren gericht op het maken van optische componenten die over grotere bandbreedtes werken, "zei Pisano. "Een apparaat dat een breed frequentiebereik bestrijkt, zou de prestaties van complexe instrumenten in de ruimte aanzienlijk verbeteren."

In het nieuwe werk Pisano en zijn collega's probeerden een geheel nieuwe benadering die metamaterialen gebruikt - door de mens gemaakte materialen die zijn ontworpen met functies die niet voorkomen in natuurlijke materialen - om een ​​magnetische spiegel te creëren die ze combineerden met een polariserend draadraster.

"Metamaterialen stelden ons in staat een materiaal uit te vinden met de eigenschappen die we nodig hadden, " zei Pisano. "Omdat de benadering die we hebben gebruikt nieuw is, het stelde ons in staat om de limieten van het frequentiebereik te overwinnen waarmee andere onderzoekers te maken hebben gehad."

Hun nieuwe methode maakt gebruik van het feit dat de reflectie van een kunstmatig magnetisch oppervlak uit fase is van die van een perfecte elektrische geleider, of metaal. Door het draadraster aan de magnetische spiegel toe te voegen, kan één polarisatie het metalen raster "zien", terwijl orthogonaal gepolariseerde straling weerkaatst op de magnetische spiegel. Het resulterende apparaat kan de polarisatie veranderen over een groot microgolffrequentiebereik.

Het prototype-apparaat dat in het artikel wordt getoond, werkt van ongeveer 100 tot 400 gigahertz met een efficiëntie van meer dan 90 procent, wat betekent dat minder dan 10 procent van het signaal verloren ging. De onderzoekers zeggen dat met enkele kleine aanpassingen, ze verwachten een nog grotere bandbreedte en een hogere efficiëntie te bereiken.

Klaar voor de ruimte

Met een doorsnede van 20 centimeter, het prototype-apparaat is een geminiaturiseerde versie van degene die uiteindelijk nodig zou kunnen zijn voor de Cosmic Origins Explorer-satelliet. De onderzoekers werken nu aan de ontwikkeling van een halvemeterversie, met als uiteindelijk doel een eindapparaat te ontwikkelen met een diameter van meer dan een meter. Om zo'n groot apparaat met de benodigde precisie te maken, zijn nieuwe faciliteiten en nieuwe methoden nodig om het apparaat tijdens de verschillende fabricagestappen te hanteren, ontwikkelingen die volgens de onderzoekers waarschijnlijk net zo moeilijk zullen zijn als het ontwikkelen van het oorspronkelijke concept.

"Nu we het concept hebben gedemonstreerd, we moeten ruimtekwalificatietests uitvoeren om de robuustheid voor een satellietlancering aan te tonen, " zei Pisano. "We moeten het ook inzetten in B-mode detectie-instrumenten op de grond om zijn bruikbaarheid in het veld aan te tonen."