’s Werelds grootste ver-infraroodcamera met Nederlandse detectoren opent jacht op eerste sterrenstelsels

Met meer dan 17.000 pixels is de nieuwe AMKID-camera op de APEX-telescoop de grootste ooit voor ver-infraroodlicht. Het Nederlands ontworpen oog legt de eerste sterrenstelsels in ongekend detail vast en effent het pad voor toekomstige ruimtemissies.

Astronomen hebben een nieuw, krachtig wapen in handen om de allereerste sterrenstelsels in het heelal te bestuderen. Onderzoekers van het Duitse MPIfR en het Nederlandse SRON en TU Delft publiceren vandaag in het vakblad Astronomy & Astrophysics de succesvolle ingebruikname van deze AMKID-camera. Het instrument, geïnstalleerd op de 12-meter APEX-telescoop in Chili, telt maar liefst 17.000 pixels en is daarmee de grootste camera ooit gebouwd voor observaties van het heelal in ver-infraroodlicht.

Licht van de allereerste sterren en sterrenstelsels is niet alleen ongelooflijk zwak, maar ook door de uitdijing van het heelal opgerekt tot golflengtes die in het ver-infrarood liggen. Die straling wordt grotendeels geblokkeerd door de dampkring, waardoor een bijzondere telescoop op een bijzondere plek nodig is. Die vonden de onderzoekers op de 5.100 meter hoge Chajnantor-vlakte in de Chileense Atacama-woestijn. Daar staat de APEX-telescoop, uitgerust met een nieuwe Nederlandse supercamera: AMKID.

De Atacama Pathfinder EXperiment-telescoop (APEX) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) staat op één van de hoogste sterrenwachtlocaties ter wereld: de 5.100 meter hoge Chajnantor-hoogvlakte in de Chileense Atacamawoestijn. Deze foto is zojuist genomen via de webcam live-feed. Foto: ESO

Detectoren als duizenden kleine stemvorken

De ontwikkeling van AMKID was een antwoord op de beperkingen van eerdere technologie. Waar voorgangers zoals de succesvolle LABOCA-camera nog afhankelijk waren van enkele honderden pixels, maakt AMKID gebruik van een revolutionair type detector: de KID (Kinetic Inductance Detector). Deze supergeleidende resonantiedetectoren, bedacht in de vroege jaren 2000, kunnen in grote aantallen op een chip worden gefabriceerd en uitgelezen.

De APEX Microwave Kinetic Inductance Detector (AMKID) camera tegen een achtergrond van de Atacama Pathfinder EXperiment-telescoop (APEX) van ESO waarop deze is geïnstalleerd. Afbeelding: industriefotografie-steinbach.de/SRON

“Je kunt een KID een beetje vergelijken met een stemvork”, legt Jochem Baselmans, onderzoeker bij het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek (SRON) en TU Delft, aan Scientias.nl uit. “In plaats van dat hij trilt op een geluidsfrequentie, resoneert hij op een specifieke microgolffrequentie. Als er een foton van het verre sterrenstelsel op valt, verbreekt dat supergeleidende koppels, waardoor de resonantiefrequentie een klein beetje verandert. Die verandering kunnen we extreem nauwkeurig meten.” Het grote voordeel is dat duizenden van deze detectoren, elk met hun eigen unieke frequentie, tegelijkertijd uitgelezen kunnen worden via één enkele kabel. “Dat opent de deur naar camera’s met honderdduizenden pixels, iets wat met de oude technologie simpelweg onmogelijk was.”

17.000-pixelreus in een notendop

Het hart van AMKID wordt gevormd door acht silicium chips, gekoeld tot een fractie boven het absolute nulpunt. Vier chips zijn voor het laagfrequente bereik (LFA: 850 µm./347 GHz.) met elk bijna 900 detectoren. De andere vier zijn voor het hoogfrequente bereik (HFA: 350 µm./850 GHz.) met elk bijna 3.500 detectoren. De fabricage van die laatste chips was een huzarenstukje. Er werd elektronenlithografie gebruikt, wat leidde tot een indrukwekkende precisie: de ontworpen resonantiefrequentie week slechts 0,16 procent af van de gerealiseerde frequentie. Die extreme nauwkeurigheid is nodig om te voorkomen dat detectoren elkaar in de weg zitten, een fenomeen dat ‘frequentiecollisie’ heet en voor ongeveer tien procent uitval zorgt.

Een KID is een supergeleidende microgolfresonator. Hij bestaat uit een dunne laag niobium-titanium-nitride (NbTiN) met een kleine sectie van aluminium. Het geheel wordt gekoeld tot ongeveer 260 millikelvin, ver onder de overgangstemperatuur van aluminium (1,2 kelvin). Bij die temperatuur zijn alle elektronen gebonden in Cooperparen en is de elektrische weerstand nul. Wanneer een foton met voldoende energie (afkomstig van een ver sterrenstelsel) op het aluminium valt, verbreekt het een Cooperpaar. Hierdoor ontstaan twee ‘quasideeltjes’, wat de kinetische inductantie (een soort traagheid voor stroom) van het materiaal verandert. Hierdoor verschuift de resonantiefrequentie van de detector heel licht. Door een vaste, zuivere microgolftoon op de resonator te zetten en de verandering in fase en amplitude van de uitgaande toon te meten, kunnen astronomen de hoeveelheid opgevangen straling extreem precies bepalen. Elke detector op de chip heeft een unieke resonantiefrequentie, waardoor ze allemaal tegelijk met één kabel uitgelezen kunnen worden. Afbeeldingen: Reyes et al., A&A, 2026

Schrijf je in voor de nieuwsbrief! Ook elke dag vers het laatste wetenschapsnieuws in je inbox? Of elke week? Schrijf je hier in voor de nieuwsbrief!

Baselmans ziet echter volop ruimte voor verbetering: “De kernvraag is: hoeveel detectoren kunnen we per uitleeslijn kwijt? Dat bepaalt de kosten en het energieverbruik. We kunnen de frequentieprecisie nog iets verbeteren met een extra fabricagestap, maar de echte winst zit in een nieuwe generatie uitleessystemen met een grotere bandbreedte. Waar we nu 4 tot 8 gigahertz gebruiken, kunnen we straks misschien 0,5 tot 4 gigahertz inzetten. Dan zouden we 2.000 tot 3.000 detectoren per lijn kunnen uitlezen, in plaats van de huidige 880. Met die sprong zijn arrays van 100.000 pixels binnen handbereik.”

Schematisch overzicht van de AMKID-camera en zijn uitleesprincipe. De focal-plane array is rechts te zien, bestaande uit vier detectorchips voor de lagefrequentieband (LFA) en vier voor de hogefrequentieband (HFA). Elke chip bevat honderden tot duizenden KID-detectoren. Links is de uitleeselektronica weergegeven. De camera genereert een gecombineerd signaal met tot wel 2.000 frequentietonen in de band van 4 tot 8 gigahertz. Dit signaal wordt door de detectorchip gestuurd, waarna een snelle analoog-digitaalconvertor (ADC) de veranderingen in amplitude en fase van elke toon analyseert. Die veranderingen vormen de directe maat voor het invallende ver-infraroodlicht van verre sterrenstelsels. Afbeelding: Max Planck Instituut

Van Chileense bergtop naar de ruimte

De technologie is inmiddels zo robuust dat zij wordt overwogen voor toekomstige ruimtetelescopen, zoals de PRIMA-missie. Een belangrijk obstakel daarbij is de extreme omgeving in de ruimte, met name de vele inslagen van kosmische deeltjes. Op de Chileense bergtop is dergelijke flux al aanzienlijk, maar in de ruimte is die nog eens driehonderd keer hoger. Uit het onderzoek blijkt dat de AMKID-detectoren hier goed tegen bestand zijn. “De detectoren zijn voorzien van een speciale absorberende laag van een supergeleider met een lage overgangstemperatuur”, aldus Baselmans. “Uit tests blijkt dat die laag het effect van kosmische straling met een factor vijftien vermindert. De techniek is inmiddels gekwalificeerd voor gebruik in de ruimte.”

Scherpe eerste blikken, ruimte voor groei

De eerste waarnemingen met de lage frequentie array zijn veelbelovend. De camera behaalt een gevoeligheid van 2,2 mK/√s, wat resulteert in een kaartgevoeligheid van 25 mJy/deg²/h. Dat maakt AMKID maar liefst 3,8 keer sneller in het in kaart brengen van uitgestrekte bronnen dan zijn voorganger LABOCA. Dat blijkt uit de eerste opnames, zoals die van het nabije sterrenstelsel NGC 4945 (zie kader hieronder) en het extreem verre, stoffige sterrenstelsel SPT0311-58 op een afstand van 12,9 miljard lichtjaar.

Sterrenstelsels NGC 4945 en SPT0311-58
Om een idee te krijgen van wat AMKID precies in kaart brengt, tonen we hier de twee sterrenstelsels die als testobjecten dienden. De linkeropname toont het nabije sterrenstelsel NGC 4945, gemaakt met een optische telescoop van ESO. Het is een voorbeeld van een ‘gewoon’, stoffig sterrenstelsel in het relatief nabije heelal.

Sterrenstelsel NGC 4945, gezien als een heldere, langwerpige spiraal vanaf de zijkant. De roze oplichtende gebieden zijn HII-gebieden, waar massieve sterren worden geboren. Opvallend is de intense, heldere kern, die wijst op een superzwaar zwart gat dat materie opslokt. Het stelsel bevindt zich op ongeveer 13 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Centaur (Cen). De opname is gemaakt met de 2,2-meter MPG/ESO-telescoop op La Silla in vijf verschillende filters (B, V, R, H-alfa en S II). Het beeldveld is 30 bij 30 boogminuten. Foto: ESO

De volgende opname is een composiet van de krachtigste telescopen ter wereld – waaronder de James Webb- en Hubble-ruimtetelescopen – van SPT0311-58, een extreem ver sterrenstelsel op maar liefst 12,9 miljard lichtjaar afstand(!). Juist dit soort objecten, vers uit de ‘donkere middeleeuwen’ van het heelal, is het speerpunt van onderzoek van de nieuwe AMKID-camera.

Samengestelde opname van het extreem verre sterrenstelselsysteem SPT0311-58 op 12,9 miljard lichtjaar afstand. Links is een opname van de MIRI-camera van de James Webb-ruimtetelescoop te zien, waarbij het licht van een voorgrondstelsel is verwijderd. De lichtblauwe cirkels markeren individuele stervormingsgebieden. Rechts is een RGB-composiet weergegeven, waarin rood, groen en blauw respectievelijk de met ALMA gemeten [CII]-straling (stervormingsgas), het MIRI-beeld (stof) en een Hubble-opname (continuüm van jong sterlicht) voorstellen. De kleuren tonen hoe stervorming, gas en stof in dit vroege stelsel samenhangen. Afbeelding: Alvarez-Marquez et al.

NGC 4945 en SPT0311-58 gezien door AMKID
Hoe zien deze twee sterrenstelsels eruit door de ogen van AMKID? De onderstaande opnames, afkomstig uit de vandaag gepubliceerde studie, geven het antwoord:

Opnames van de nieuwe AMKID-camera. Boven: het starburst-sterrenstelsel NGC 4945 op een afstand van ongeveer 3,8 Mpc (12,4 miljoen lichtjaar). Het ruisniveau van deze opname bedraagt 3,5 mJy. Onder: een sterk ingezoomde opname van het extreem verre, stoffige stervormende sterrenstelsel SPT0311-58 met een roodverschuiving van 6,9 (12,9 miljard lichtjaar). Het ruisniveau van deze opname is 2,1 mJy. Beide opnames zijn afgevlakt (‘gesmooth’) tot een bundelgrootte van 20 boogseconden. Afbeelding: Reyes et al., A&A, 2026

Toch is de ideale gevoeligheid nog niet bereikt. De gemeten waarde ligt hoger dan de theoretische voorspelling van 0,8 mK/√s. “Het verschil wordt verklaard door een combinatie van kleine factoren”, verduidelijkt Baselmans. “In volgorde van belangrijkheid: ruis van het uitleessysteem, storende signalen in de uitleesketen, variaties in de uitlijning van lensjes en antennes die de koppeling verminderen, en een beetje extra ruis in de detectoren zelf. Ook zorgt een iets te hoge optische belasting door warme filters voor ruis. We weten precies waar we moeten ingrijpen om de prestaties verder te verbeteren.”

Met de huidige prestaties kan de jacht op de allereerste sterrenstelsels nu echt beginnen. De hoogfrequentie array, die nog gevoeliger is voor de allereerste lichtjes, moet eind 2026 operationeel zijn. “Ik verwacht over ongeveer een jaar de eerste significante resultaten”, besluit Baselmans. “We zullen veel meer leren over oude, zwakke, stoffige sterrenstelsels. Misschien kunnen we dan beter verklaren wanneer en hoe de stervorming in het heelal precies op gang is gekomen.” AMKID opent niet alleen een nieuw venster op het verleden, maar bouwt tegelijkertijd aan de technologie voor de telescopen van de toekomst, zowel op aarde als ver daarbuiten.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: