Forskare vid UCLA Samueli School of Engineering har utvecklat ett ultrakänsligt ljusdetekteringssystem som kan göra det möjligt för astronomer att se galaxer, stjärnor och planetsystem i suveräna detaljer.

Systemet fungerar vid rumstemperatur - en förbättring jämfört med liknande teknik som bara fungerar i temperaturer nära 270 grader under noll Celsius, eller minus 454 grader Fahrenheit. Ett dokument som beskriver förskottet publiceras idag i Natur astronomi .

Sensorsystemet detekterar strålning i terahertzbandet i det elektromagnetiska spektrumet, som inkluderar delar av fjärrinfraröd- och mikrovågsfrekvenserna.

Systemet producerar bilder med ultrahög skärpa, och den kan detektera terahertzvågor över ett brett spektralområde - en förbättring på minst 10 gånger mer än nuvarande teknologier som bara detekterar sådana vågor i ett smalt spektralområde. Dess breda kapacitet skulle kunna göra det möjligt för den att göra observationer som för närvarande kräver flera olika instrument. Den identifierar vilka grundämnen och molekyler – till exempel, vatten, syre, kolmonoxid och andra organiska molekyler, är närvarande i dessa områden i rymden genom att se om deras individuella kontrollampa spektrala signaturer är närvarande.

"När vi tittar i terahertz-frekvenser kan vi se detaljer som vi inte kan se i andra delar av spektrumet, sa Mona Jarrahi, en UCLA-professor i el- och datateknik som ledde forskningen. "Inom astronomi, fördelen med terahertz-serien är att, till skillnad från infrarött och synligt ljus, terahertzvågor döljs inte av interstellär gas och damm som omger dessa astronomiska strukturer."

Tekniken kan vara särskilt effektiv i rymdbaserade observatorier, Jarrahi sa, för till skillnad från på jorden, terahertzvågor kan detekteras utan störningar från atmosfären.

Systemet kan hjälpa forskare att få nya insikter i sammansättningen av astronomiska objekt och strukturer och i fysiken för hur de bildas och dör. Det kan också hjälpa till att svara på frågor om hur de interagerar med gaserna, damm och strålning som finns mellan stjärnor och galaxer, och det kan avslöja ledtrådar om det kosmiska ursprunget för vatten eller organiska molekyler som kan indikera om en planet är gästvänlig för liv.

Systemet kan också användas på jorden, för att upptäcka skadliga gaser i säkerhets- eller miljöövervakningssyfte.

Nyckeln till det nya systemet är hur det konverterar inkommande terahertz-signaler, som inte är lätta att känna och analysera med vetenskaplig standardutrustning, till radiovågor som är lätta att hantera.

Befintliga system använder supraledande material för att översätta terahertz-signaler till radiovågor. Men att jobba, dessa system använder specialiserat flytande kylmedel för att hålla dessa material vid extremt låga temperaturer, närmar sig absolut noll. Superkylning av utrustningen är möjlig på jorden, men när sensorerna tas på rymdfarkoster, deras livslängd begränsas av mängden kylvätska ombord. Också, eftersom rymdfarkosternas vikt är så viktig, det kan vara problematiskt att bära de extra kilon kylvätska som utrustningen behöver.

UCLA-forskarna skapade en ny teknik för att ta itu med kylvätskan och relaterade viktproblem. Deras enhet använder en ljusstråle för att interagera med terahertz-signalerna inuti ett halvledarmaterial med metalliska nanostrukturer. Systemet omvandlar sedan den inkommande terahertz-signalen till radiovågor, som läses av systemet och kan tolkas av astrofysiker.