Omrekenen van Terahertz naar Microhertz

Informatie over de Terahertz (THz)

De terahertz is een frequentie-eenheid gelijk aan duizend miljard hertz. Het symbool is THz. Zij beslaat de kloof tussen de hoogste radiofrequenties en het laagste infrarode licht, een gebied dat het grootste deel van de twintigste eeuw zo moeilijk op te wekken of aan te tonen was dat het de terahertzkloof werd genoemd.

De moeilijkheid was praktisch en niet theoretisch. Elektronische oscillatoren raken boven enkele honderden gigahertz uitgeput omdat de ladingdragers niet snel genoeg reageren, terwijl optische bronnen zoals lasers onder het infrarood aan rendement verliezen. De band ertussen had aan geen van beide zijden een handige techniek en bleef decennialang het minst verkende deel van het elektromagnetisch spectrum.

Dat veranderde met ultrasnelle lasers en fotogeleidende antennes, die terahertzpulsen opwekken door een halfgeleider te belichten met een laserpuls van enkele femtoseconden. Terahertzspectroscopie in het tijdsdomein meet nu de respons van materialen over de hele band, en de techniek is een gangbaar gereedschap in de materiaalkunde geworden.

Veiligheidscontrole is de bekendste toepassing. Terahertzstraling gaat door kleding, papier, kunststof en keramiek maar wordt door metaal tegengehouden en door water opgenomen, en haar energie per foton is veel te laag om iets te ioniseren, zodat zij verborgen voorwerpen kan afbeelden zonder de risico's van röntgenstraling. Lichaamsscanners op luchthavens werken op dit beginsel.

De molecuulspectroscopie gebruikt de band omdat veel grote moleculen hier rotatie- en trillingstoestanden bezitten. Springstoffen en drugs vertonen kenmerkende terahertzsignaturen, en de techniek dient in de farmaceutische kwaliteitscontrole om kristalvormen te onderscheiden die andere methoden identiek maken. Kunstconservering past haar toe om onder verflagen te kijken zonder een doek aan te raken.

De sterrenkunde neemt bij deze frequenties waar vanaf hoge, droge plaatsen of vanuit een baan, omdat waterdamp in de atmosfeer terahertzstraling sterk opneemt. Koud stof en moleculair gas in stervormingsgebieden stralen hier, en daarom worden sterrenwachten op grote hoogte in Chili en op de zuidpool gebouwd.

Het communicatieonderzoek is de band beginnen binnen te dringen. Gegevenssnelheden groeien met de beschikbare bandbreedte, en boven 100 gigahertz is veel meer plaats dan eronder, dus laboratoria hebben draadloze verbindingen getoond die bij frequenties nabij één terahertz honderden gigabits per seconde dragen. Het beletsel is dat waterdamp deze golven sterk opslorpt, wat een verbinding bij heldere lucht tot enkele honderden meters beperkt en bij regen tot veel minder. Dat bindt de techniek aan korte sprongen: verbindingen tussen dakantennes, trajecten binnen een datacentrum, of het laatste stuk tussen een lantaarnpaal en een gebouw, en niets wat op een omroepuitzending lijkt.

Eén terahertz is gelijk aan duizend miljard hertz, 1000 gigahertz of een golflengte van ongeveer 0,3 millimeter.

Informatie over de Microhertz (µHz)

De microhertz is een frequentie-eenheid gelijk aan een miljoenste hertz. Het symbool is µHz. Eén microhertz is één cyclus per miljoen seconden, ruim elfeneenhalve dag, zodat de eenheid verschijnselen meet die op de schaal van weken, maanden of jaren terugkeren.

De asteroseismologie is waar zij het meest gebruikt wordt. Sterren trillen, en de frequenties van die trillingen hangen af van hun inwendige opbouw zoals de toonhoogte van een klok afhangt van vorm en wanddikte. Zonachtige sterren klinken bij enkele duizenden microhertz, rode reuzen bij enkele tientallen en de grootste geëvolueerde sterren onder één. Ruimtetelescopen als Kepler en TESS maten deze frequenties voor honderdduizenden sterren door hun helderheid met enkele delen per miljoen te zien wisselen.

De techniek levert grootheden die geen andere methode kan geven. Uit het trillingsspectrum leidt een sterrenkundige de massa, straal en leeftijd van een ster af, en de leeftijd van een ster is anders bijna niet te bepalen. Zo worden tegenwoordig de leeftijden van planeetdragende sterren, en daarmee van hun planetenstelsels, vastgesteld.

Ook de zwaartekrachtsgolfastronomie heeft de band opgeëist. Het geplande ruimteobservatorium LISA zal gevoelig zijn tussen ruwweg 100 microhertz en één hertz, een bereik dat samensmeltende superzware zwarte gaten bevat en de vele duizenden nauwe dubbelsterren van witte dwergen in ons eigen sterrenstelsel. Detectoren op aarde halen deze frequenties niet omdat seismische ruis ze overspoelt.

De geofysica gebruikt de eenheid voor de traagste getijcomponenten, waaronder de veertiendaagse en maandelijkse maansgetijden en de halfjaarlijkse en jaarlijkse zonsgetijden, die samen de langperiodieke variaties opleveren die getijvoorspellingen moeten meenemen. De poolbeweging, het wiebelen van de aardrotatieas, heeft een periode van veertien maanden die overeenkomt met ongeveer 0,8 microhertz.

De klimaat- en zeewetenschap reikt nog lager. De Zuidelijke Oscillatie van El Niño keert onregelmatig elke twee tot zeven jaar terug, ver onder een honderdste microhertz, en lange ijskernen lossen nog tragere cycli op.

De Aarde zelf levert een schoolvoorbeeld. Haar draaias zwerft in een kleine cirkel met een periode van ongeveer 433 dagen, de in 1891 ontdekte Chandlerschommeling, wat neerkomt op een frequentie van ongeveer 0,027 microhertz. Haar aantonen kostte tientallen jaren positieastronomie, want een zo traag signaal laat zich alleen van de drift scheiden door vele cycli waar te nemen. Dat is de algemene beperking van de band: een meting bij één microhertz vergt een registratie van ten minste enkele miljoenen seconden, en liefst enkele tientallen miljoenen, zodat instrumenten jarenlang stabiel moeten blijven voordat hun gegevens leesbaar zijn. De eenheid hoort dus bij de geduldige wetenschappen en niet bij de snelle.

Eén microhertz is gelijk aan 0,000001 hertz, één cyclus per miljoen seconden of 1000 nanohertz.