Mit einem Durchmesser von 6,5 Metern fängt der Hauptspiegel des James Webb-Weltraumteleskops mehr Licht ein als jedes andere von der Erde aus gestartete Teleskop. Aber nicht alle Astronomen haben 10 Milliarden Dollar, um sich ein Weltraumteleskop auszustatten. Um die Kosten der Weltraumastronomie zu senken, arbeiten Forscher des National Research Council of Canada in Ottawa an einer Möglichkeit, Sternenlicht auf einem winzigen optischen Chip zu verarbeiten. Ross Cheriton, ein Photonik-Forscher am Zentrum, und seine Studenten bauten und testeten einen CubeSat-Prototyp, der mit einem neuartigen Photonik-Chip ausgestattet war. Ziel ist es, die Hürden für den Einstieg in die astronomische Wissenschaft durch den Einsatz kostengünstigerer Raumfahrzeugschwärme zu verringern.
„Wir hoffen, es kleinen Weltraumteleskopen zu ermöglichen, große wissenschaftliche Forschung mit sehr kompakten On-Chip-Instrumenten durchzuführen“, sagt Cheriton, der auch dem Ottawa Quantum and Nanotechnology Research Centre angeschlossen ist.
Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) nutzen Licht anstelle von Elektrizität zur Informationsverarbeitung und sind weit verbreitet Senden Sie Milliarden und Abermilliarden von Bits an Rechenzentren. Aber erst vor kurzem haben Astronomen damit begonnen zu untersuchen, wie man sie nutzen kann, um die Grenzen dessen, was wir über das Universum lernen können, zu erweitern.
Bodengestützte Teleskope werden durch die Erdatmosphäre behindert, wo Turbulenzen das einfallende Licht stören, was es schwierig macht, auf einen Kamerachip zu fokussieren. Im Weltraum können Teleskope extrem lichtschwache Objekte in nicht sichtbaren Wellenlängen beobachten, ohne die Auswirkungen von Turbulenzen zu korrigieren. Hier ist Cheriton mutig genug, einen PIC-Filter einzusetzen, der sehr subtile Gassignaturen während einer „Exoplanetenfinsternis“, einem sogenannten Transit, erkennt.
Der Hauptgrund für die Platzierung photonischer Chips im Weltraum besteht darin, die Größe, das Gewicht und die Kosten der Komponenten zu reduzieren, da sie in einer Halbleitergießerei in Massenproduktion hergestellt werden können. „Der Traum besteht darin, ein Instrument zu schaffen, das vollständig auf Fasern und Chips basiert und keine andere Optik aufweist“, sagt Cheriton. Der Austausch von Filtern, Linsen und Spiegeln durch einen Chip verbessert zudem die Stabilität und Skalierbarkeit im Vergleich zu gewöhnlichen optischen Teilen.
CubeSats, kostengünstige, kleine und standardisierte Satelliten, haben sich als kostengünstige Möglichkeit zum Einsatz kleiner Instrumentennutzlasten erwiesen. „Die kompakte Natur von PICs ist ideal für CubeSats, um helle Exoplanetensysteme zu untersuchen, für deren Betrachtung James Webb keine Zeit hat“, sagt Cheriton.
Bei Gesamtkosten von weniger als 1 Million US-Dollar (im Vergleich zu Webbs 10 Milliarden US-Dollar) könnte eine mögliche CubeSat-Mission einen Stern tage- oder sogar wochenlang beobachten und darauf warten, dass ein Planet sein Sichtfeld kreuzt. Sie würde dann nach leichten Veränderungen im Spektrum des Sterns suchen, die mit der Art und Weise zusammenhängen, wie die Atmosphäre des Planeten Licht absorbiert, was auf das Vorhandensein von Gasen biologischen Ursprungs hinweisen würde.
Kleinere Spektroskopie
Um das Konzept zu demonstrieren, leitete Cheriton ein Team von Studenten, die acht Monate damit verbrachten, einen PIC zu entwerfen und in eine benutzerdefinierte 3U-CubeSat-Plattform (10 Zentimeter x 10 cm x 30 cm) zu integrieren. Es wurde gezeigt, dass ihr photonischer Schaltkreissensor aus Siliziumnitrid CO-Absorptionssignaturen erkennt2 im einfallenden Licht.
Bei ihrem Design wird Licht, das in die Kollimationslinse des CubeSat eintritt, in einer Faser gebündelt und dann in Richtung des photonischen Chips geleitet. Es gelangt in einen Satz geätzter Wellenleiter, der einen Ringresonator enthält. Dabei nimmt Licht mit einer bestimmten Wellenlänge über mehrere Runden um den Ring an Intensität zu und wird dann zu einem Detektor übertragen. Da nur wenige ausgewählte Wellenlängen (die passend zum Absorptionsspektrum eines Gases ausgewählt wurden) konstruktiv interferieren, dient der Ring als Kammfilter. Nachdem das Licht den Ringresonator passiert hat, wird das Wellenleitersignal zur Verarbeitung an eine Ausgangsfaser und eine Kamera übertragen, die mit einem Raspberry Pi-Computer verbunden ist. Die Intensität eines einzelnen Pixels dient daher als Maß für die Anwesenheit eines Gases.
Licht durchläuft einen Wellenleiter auf einem photonischen integrierten Schaltkreis.Teserakt
Da der Sensor auf einem Chip aufgebaut ist, kann er gemultiplext werden, um mehrere Objekte gleichzeitig zu beobachten oder verschiedene Gase zu erkennen. Darüber hinaus bedeutet das, dass das gesamte Licht auf ein einzelnes Pixel fällt, dass das Signal empfindlicher ist als bei einem herkömmlichen Spektrometer, erklärt Cheriton. Anstatt nach Peaks in einem Gesamtspektrum zu suchen, untersucht die Technologie außerdem, wie gut das Absorptionsspektrum mit dem eines bestimmten Gases übereinstimmt – ein effizienterer Prozess. „Wenn sich etwas im Weltraum befindet, möchte man nicht Gigabytes an Daten nach Hause schicken, wenn es nicht nötig ist“, sagt er.
Der astrophotonische CubeSat ist noch lange nicht reif für die Raumfahrt. Das aktuelle Design verwendet keine weltraumgeeigneten Komponenten. Aber Cheriton-Studenten testeten es im Labor auf rotes Licht (635 nm) und CO2 in einer Gaszelle. Sie verwendeten einen „Bodenstations“-Computer, um alle Befehle zu übertragen und alle Ergebnisse zu empfangen, sowie um die Photovoltaik-Panels zu überwachen und Daten von den Flugsteuerungssensoren an Bord ihres CubeSat zu sammeln.
Als nächstes plant das Team zu testen, ob sein Sensor Sauerstoff mit dem Chip aus Siliziumnitrid erkennen kann, einem Material, das aufgrund seiner Transparenz bei der Wellenlänge von 760 nm des Gases ausgewählt wurde. Ein Erfolg würde sie in eine gute Position versetzen, um das zu tun, was Cheriton als den nächsten großen Schritt für Astronomen bezeichnet: die Suche nach einem erdähnlichen Planeten, der Sauerstoff enthält.
Die Arbeit wurde im Juli auf der Advanced Photonics-Konferenz von Optica (ehemals Optical Society of America) vorgestellt.
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