MEGA Telescoop

MEGA RADIOTELESCOOP ONTRAFELT MYSTERIES VAN HET HEELAL

Drieduizend schotelantennes in de leegte van Australië en Zuid-Afrika

Alle ogen in astronomenland zijn gericht op de ambitieuze Square Kilometre Array. Met de grootste radiotelescoop ter wereld hopen sterrenkundigen onder andere de uitdijing van het universum te reconstrueren. En SKA zou zelfs signalen van buitenaards leven kunnen oppikken…

Voor astronomen is de sky zeker niet de limit. Ze willen miljarden jaren terugkijken in het verleden, ze proberen de mysterieuze krachten te ontdekken die sterrenstelsels van elkaar wegduwen en ze willen liefst ook nog eens buitenaards leven vinden. Bij grote plannen horen grote meetinstrumenten, vinden de initiatiefnemers van de Square Kilometre Array (SKA). Dus bedachten ze de grootste radiotelescoop ter wereld, die met een oppervlakte van 1 vierkante kilometer straling uit het heelal moet gaan opvangen. Dit kunstmatige oog van tweehonderd voetbalvelden groot zou een hypothetische vliegveldradar tot op 50 lichtjaar afstand kunnen waarnemen. Met deze enorme gevoeligheid hopen sterrenkundigen hun ambities te kunnen verwezenlijken. En dat mag wat kosten: het SKA project is begroot op 1,5 miljard euro. Voor dat astronomische bedrag krijgen we vanaf 2024, als de bouw volgens planning af is, antwoord op de meest prangende vragen over het heelal.

Twee continenten

Maar een megaradiotelescoop zet je niet zomaar ergens neer. Het eerste dilemma waar de organisatie dan ook tegenaan liep, was de locatie van de megatelescoop. Het was een lastige keuze tussen Australië, dat de uitgestrekte outback ter beschikking stelde, en Zuid- Afrika, dat met de Karoo-halfwoestijn naar het project hengelde. Onlangs hakte de organisatie de knoop door: de antennereeks wordt verdeeld over beide landen. “Door SKA op beide continenten te zetten, houden we zo veel mogelijk landen betrokken bij het project”, legt SKA-directeur Michiel van Haarlem uit. “Als we voor één locatie zouden kiezen, heb je kans dat het andere land en zijn bondgenoten zich terugtrekken. De sterrenkunde is geen grote gemeenschap, dus we zijn erbij gebaat om iedereen aan boord te houden.”

Ook financieel zou het terugtrekken van een aantal deelnemers een flinke strop zijn. Het begrote budget is dan lastig rond te krijgen. Met de keuze voor twee locaties moet die begroting wel iets omhoog worden geschroefd. Van Haarlem: “De verwerking van gegevens moet ter plekke gebeuren, dus we moeten daar nu twee keer een infrastructuur voor aanleggen. Gelukkig kunnen we gedeeltelijk voortbouwen op MeerKAT in Australië en ASKAP in Zuid-Afrika. Beide waren al flinke investeringen van 150 miljoen euro totaal. Dat geld gaat hierbij dus niet verloren.”

De radiotelescopen MeerKAT en ASKAP zijn de voorlopers van SKA, die nu worden gebouwd op de plekken waar de uitgebreide antennereeks zal komen te staan. Voor de locatie is het erg belangrijk dat er zo min mogelijk kunstmatige radiogolven zijn die de metingen verstoren, dus buiten het bereik van radiostations, mobieltjes en draadloos internet. De Nederlandse LOFAR-radiotelescoop kwam bijvoorbeeld niet in aanmerking om als voorloper te dienen voor SKA omdat de dj’s van de vele FM-radiostations steeds door het signaal heen kwebbelen. Daarmee maken ze LOFAR blind voor alle straling uit het heelal met golflengtes tussen de 2,5 en 3,5 meter. Tegelijkertijd moet de plaats goed bereikbaar zijn voor de bouwwerkzaamheden en de aanleg van infrastructuur. De Zuid-Afrikaanse Karoo en de West-Australische Shire of Murchison voldoen aan beide eisen. Het SKA-project is vervolgens ingedeeld op basis van de specialiteiten van de ‘voorlopers’: Australië richt zich op de lange golflengtes, terwijl de Zuid- Afrikanen de wat kortere golven voor hun rekening nemen.

In de tijd turen

De antennes op beide continenten tezamen hebben een totaal golflengtebereik van enkele centimeters tot ongeveer 5 meter. Dat bereik is precies afgestemd op de astronomische objecten en verschijnselen die sterrenkundigen willen observeren met SKA, om fundamentele vragen te beantwoorden. Bijvoorbeeld: hoe zwaartekracht precies werkt, hoe sterren ontstaan en wat de uitdijing van het heelal aandrijft. Om die laatste vraag te beantwoorden, is het nodig om de precieze structuur van het heelal te kennen – zoals die nu is, maar ook terug in de tijd.

“We willen de verdeling meten van waterstof in het universum”, zegt Heino Falcke, hoogleraar sterrenkunde aan de Radboud Universiteit Nijmegen en betrokken bij het project als European SKA Project Scientist. “Dan kunnen we de structuur volgen van nu tot aan het moment van de eerste stervorming.” Hoe verder je namelijk de ruimte in tuurt, des te verder je in het verleden kijkt, omdat het licht er namelijk een tijd over doet om de gigantische afstanden te overbruggen. Zo kunnen astronomen de evolutie reconstrueren van het uitdijende heelal – en dus proberen uit te vinden welke kracht erachter zit.

Op een afstand van 13 miljard lichtjaar zien waterstofstructuren eruit zoals ze evenveel jaar geleden oogden, relatief kort na de oerknal. Waterstof zendt een typische straling uit met een golflengte van 21 centimeter. De stralingsgolven van waterstofstructuren die ver weg staan, worden echter uitgerekt door de uitdijing van het heelal, zodat ze een grotere golflengte krijgen. De 21-centimeterstraling van waterstof op 13 miljard lichtjaar afstand bereikt ons met een golflente van een paar meter. En laat dat nou precies de maximale golflengte van SKA zijn. Falcke: “Dat is geen toeval. We hebben het bereik van SKA zo gekozen dat we de waterstof op alle afstanden kunnen waarnemen.”

Einstein-test

Binnen dat bereik zijn ook een hoop andere objecten zichtbaar die voor astrofysici interessant zijn, waaronder pulsars. Dat zijn zeldzame, zeer compacte sterren die nauwe bundels radiogolven uitzenden terwijl ze snel om hun as draaien, zoals een vuurtoren licht uitzendt. “Pulsars zijn heel nauwkeurige klokken, nog preciezer dan een atoomklok”, zegt Falcke. “Daarmee kunnen we Einsteins algemene relativiteitstheorie testen, omdat we verwachten dat de effecten daarvan zichtbaar zijn in pulsars. We hopen de invloed te zien van zwaartekrachtsgolven.” Die golven zijn onderdeel van de leidende theorie over de werking van zwaartekracht, maar het is nog niemand gelukt om ze daadwerkelijk te meten.

Met SKA hopen sterrenkundigen niet alleen de doorgaans moeilijk traceerbare pulsars in beeld te krijgen, maar ook actieve stervorming en zwarte gaten. En het oppikken van een kunstmatig buitenaards radiosignaal zou helemaal het summum zijn. Falcke: “We zoeken nu al met andere radiotelescopen de hemel af naar opvallende radiopulsen die van een beschaving afkomstig kunnen zijn, maar met SKA kun je nog veel zwakkere signalen horen. Er zijn honderden miljoenen planeten in onze Melkweg en we verwachten dat daar een heleboel aardachtige planeten tussen zitten.” Als hoogontwikkelde wezens net als in de sciencefictionfilm Contact boodschappen de ruimte in sturen, of misschien gewoon onderling telefoneren, dan is SKA hopelijk gevoelig genoeg om zo’n ver signaal te detecteren.

Samen sterk

SKA is in staat om te zoeken naar al deze verschijnselen doordat zijn vele antennes met elkaar samenwerken. De schotelantennes staan bijvoorbeeld allemaal tegelijk op hetzelfde gedeelte van de hemel gericht. Eén enkele grote schotel met hetzelfde oppervlakte zou weliswaar net zo veel straling opvangen, maar kan slechts op een heel klein stukje hemel focussen, zodat het afspeuren van de hele ruimte veel langer duurt. Hoe groter een schotelantenne, hoe kleiner het gezichtsveld namelijk is. En een kleine schotelantenne heeft als nadeel dat die ongevoelig is voor de zwakkere stralingsbronnen in zijn grote gezichtsveld. Dat probleem wordt bij SKA verholpen door duizenden antennes aaneen te schakelen. Zo tellen alle signalen bij elkaar op en wordt de foto veel helderder.

Om naast een hoge gevoeligheid ook een goede resolutie te krijgen, hebben de antennereeksen op beide continenten uitgebreide uitlopers. Zo staan er op het grondgebied van de meeste landen in zuidelijk Afrika een aantal antennes, en maken de antennes in Australië optimaal gebruik van de uitgestrektheid van het land. De onderlinge afstanden zorgen voor de resolutie; een dubbelster staat als twee afzonderlijke puntjes op de foto in plaats van een vaag vlekje.

Om alle antennes op een continent met elkaar te laten samenwerken, worden ze verbonden met lange glasvezelkabels, die qua lengte twee keer de wereld rond kunnen. De kabels komen bijeen in een netwerkcentrum waar supercomputers hun best doen om alle inkomende gegevens te verwerken. Een behoorlijke krachtinspanning, ondanks de computerkracht van ongeveer 100 miljoen pc’s, want de datastroom vanuit de telescoop is tien keer zo groot als het mondiale internetverkeer.

Het heelal zal ons veel te vertellen hebben. Het wachten is op het moment dat we kunnen intunen op het High Quality-radiokanaal dat al 13 miljard jaar uitzendt. Over een paar jaar schakelen eindelijk de eerste luisteraars vanaf de aarde in.