Forskare i Japan och Nederländerna utvecklade tillsammans en original radiomottagare DESHIMA (Deep Spectroscopic High-redshift Mapper) och lyckades få de första spektra och bilder med den. Genom att kombinera förmågan att detektera ett brett frekvensområde av kosmiska radiovågor och att sprida dem i olika frekvenser, DESHIMA demonstrerade sin unika kraft att effektivt mäta avstånden till de mest avlägsna objekten samt kartlägga fördelningen av olika molekyler i närliggande kosmiska moln.

"Deshima" (eller, Dejima) var en holländsk handelspost i Japan byggd i mitten av 1600-talet. I 200 år, Deshima var Japans dyrbara fönster mot världen. Nu, de två vänliga nationerna öppnar upp ytterligare ett fönster till en ny värld, det stora universum, med innovativ nanoteknik.

"DESHIMA är en helt ny typ av astronomiskt instrument med vilket en 3D-karta över det tidiga universum kan konstrueras, sa Akira Endo, en forskare vid Delfts tekniska universitet och ledare för DESHIMA-projektet.

Det unika med DESHIMA är att det kan sprida det breda frekvensområdet av radiovågor i olika frekvenser. DESHIMAs momentana frekvensbredd (332—377 GHz) är mer än fem gånger bredare än mottagarna som används i Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Att sprida de kosmiska radiovågorna i olika frekvenser, eller spektroskopi, är en viktig teknik för att extrahera olika information om universum. Eftersom olika molekyler sänder ut radiovågor i olika frekvenser, spektroskopiska observationer berättar för oss sammansättningen av de himmelska föremålen. Också, den kosmiska expansionen minskar de uppmätta frekvenserna, och mätning av frekvensskiftet från den ursprungliga frekvensen ger oss avstånden till avlägsna objekt.

"Det finns många befintliga radiomottagare med spektroskopisk förmåga, dock, det täckta frekvensområdet i en observation är ganska begränsat, " säger Yoichi Tamura, en docent vid Nagoya University. "Å andra sidan, DESHIMA uppnår en idealisk balans mellan frekvensområdets bredd och spektroskopisk prestanda."

Bakom denna unika förmåga ligger innovativ nanoteknik. Forskargruppen utvecklade en speciell supraledande elektrisk krets, en filterbank, där radiovågor sprids i olika frekvenser, som en sorteringstransportör i ett uppfyllnadscenter. I slutet av "signaltransportörerna, " känsliga mikrovågskinetiska induktansdetektorer (MKID) är lokaliserade och detekterar de spridda signalerna. DESHIMA är världens första instrument som kombinerar dessa två teknologier på ett chip för att detektera radiovågor från universum.

Som sin första testobservation, DESHIMA installerades på ett 10-meters submillimeter teleskop, Atacama Submillimeter Telescope Experiment (ASTE) som drivs av National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) i norra Chile. Det första målet var den aktiva galaxen VV 114. Avståndet till galaxen har redan uppmätts till 290 miljoner ljusår. DESHIMA upptäckte framgångsrikt signalen från kolmonoxid (CO)-molekylerna i galaxen vid rätt frekvens som förväntas från universums expansion.

När astronomer försöker detektera radioemission från ett avlägset objekt med okänt avstånd, vanligtvis sveper de ett visst frekvensområde. Använda konventionella radiomottagare med smal bandbredd, de behöver upprepa observationer samtidigt som de ändrar frekvensen något. Däremot det bredbandiga DESHIMA förbättrar avsevärt effektiviteten i emissionssökningen och hjälper forskare att producera kartor över avlägsna galaxer.

DESHIMAs höga prestanda har också bevisats för observationer av närliggande molekylära moln. DESHIMA fångade och avbildade samtidigt fördelningen av emissionssignalerna från tre molekyler, CO, formyljon (HCO+), och vätecyanid (HCN) i Orionnebulosan.

Forskargruppen siktar på att ytterligare förbättra DESHIMAs kapacitet. "Vårt mål är att utöka frekvensbredden, förbättra känsligheten, och utveckla en radiokamera med 16 pixlar, sa Kotaro Kohno, professor vid Tokyos universitet. "Framtidens DESHIMA kommer att vara en viktig utgångspunkt inom olika astronomiområden."

Studien publiceras i Natur astronomi .