science >> Wetenschap >  >> Fysica

Lichtgevoelig systeem zou verre sterrenstelsels in ongekend detail kunnen weergeven

Ning Wang, de hoofdauteur van het onderzoek, en professor Mona Jarrahi werken aan de terahertz-detectoropstelling. Krediet:UCLA Engineering

Onderzoekers van de UCLA Samueli School of Engineering hebben een ultragevoelig lichtdetectiesysteem ontwikkeld waarmee astronomen sterrenstelsels kunnen bekijken, sterren en planetenstelsels tot in het kleinste detail.

Het systeem werkt bij kamertemperatuur - een verbetering ten opzichte van vergelijkbare technologie die alleen werkt bij temperaturen van bijna 270 graden onder nul Celsius, of min 454 graden Fahrenheit. Een paper waarin het voorschot wordt beschreven, is vandaag gepubliceerd in Natuurastronomie .

Het sensorsysteem detecteert straling in de terahertz-band van het elektromagnetische spectrum, die delen van de verre-infrarood- en microgolffrequenties omvat.

Het systeem produceert beelden met ultrahoge helderheid, en het kan terahertz-golven detecteren over een breed spectraal bereik - een verbetering van minstens 10 keer meer dan de huidige technologieën die dergelijke golven alleen in een smal spectraal bereik detecteren. Dankzij de uitgebreide mogelijkheden kan het waarnemingen doen waarvoor momenteel verschillende instrumenten nodig zijn. Het identificeert welke elementen en moleculen, bijvoorbeeld water, zuurstof, koolmonoxide en andere organische moleculen, aanwezig zijn in die gebieden van de ruimte door te kijken of hun individuele veelbetekenende spectrale handtekeningen aanwezig zijn.

"Door in terahertz-frequenties te kijken, kunnen we details zien die we in andere delen van het spectrum niet kunnen zien, " zei Mona Jarrahi, een UCLA-professor in elektrische en computertechniek die het onderzoek leidde. "In de astronomie, het voordeel van het terahertz-assortiment is dat, in tegenstelling tot infrarood en zichtbaar licht, terahertz-golven worden niet verduisterd door interstellair gas en stof dat deze astronomische structuren omringt."

De technologie zou vooral effectief kunnen zijn in ruimteobservatoria, Jarrahi zei, want anders dan op aarde, terahertz-golven kunnen worden gedetecteerd zonder interferentie van de atmosfeer.

Het systeem zou wetenschappers kunnen helpen nieuwe inzichten te verwerven in de samenstelling van astronomische objecten en structuren en in de fysica van hoe ze zich vormen en sterven. Het kan ook helpen bij het beantwoorden van vragen over hoe ze omgaan met de gassen, stof en straling tussen sterren en sterrenstelsels, en het zou aanwijzingen kunnen onthullen over de kosmische oorsprong van water of organische moleculen die zouden kunnen aangeven of een planeet gastvrij is voor leven.

Het systeem kan ook op aarde worden gebruikt, om schadelijke gassen te detecteren voor veiligheids- of milieubewakingsdoeleinden.

De sleutel tot het nieuwe systeem is hoe het inkomende terahertz-signalen omzet, die niet gemakkelijk te voelen en te analyseren zijn met standaard wetenschappelijke apparatuur, in radiogolven die gemakkelijk te hanteren zijn.

Bestaande systemen gebruiken supergeleidende materialen om terahertz-signalen om te zetten in radiogolven. Maar om te werken, die systemen gebruiken gespecialiseerde vloeibare koelvloeistof om die materialen bij extreem lage temperaturen te houden, het absolute nulpunt nadert. Onderkoeling van de apparatuur is mogelijk op aarde, maar wanneer de sensoren op ruimtevaartuigen worden genomen, hun levensduur wordt beperkt door de hoeveelheid koelvloeistof aan boord. Ook, omdat het gewicht van ruimtevaartuigen zo belangrijk is, het kan problematisch zijn om de extra kilo's koelvloeistof te dragen die de apparatuur nodig heeft.

De UCLA-onderzoekers hebben een nieuwe technologie ontwikkeld om de problemen met koelvloeistof en gerelateerde gewichten aan te pakken. Hun apparaat gebruikt een lichtstraal om te interageren met de terahertz-signalen in een halfgeleidermateriaal met metalen nanostructuren. Het systeem zet vervolgens het binnenkomende terahertz-signaal om in radiogolven, die door het systeem worden gelezen en door astrofysici kunnen worden geïnterpreteerd.