Het heelal in een moeras

Michiel van Nieuwstadt

 Achtergrond | Zaterdag 12-06-2010 | Sectie: Wetenschap | Pagina: W08 | Michiel van Nieuwstadt

's Werelds grootste radiotelescoop, bij het Drentse Exloo, wordt vandaag geopend. Op zoek naar de vroegste lichtbronnen in ons heelal.

Michiel van Haarlem staat in moerassig grasland vlakbij de Drentse Hondsrug, met zijn voeten middenin de grootste telescoop ter wereld. Het hart van dit sterrenobservatorium reikt tot zeker een kilometer verderop, tot aan boomranden en autowegen aan de grens van het blikveld. De buitenrand van de telescoop ligt nog veel verder weg. Die beschrijft een cirkel door Duitsland, Midden-Frankrijk, Engeland en Zuid-Zweden.

Astronomen vangen radiostraling van verre sterrenstelsels doorgaans op in enorme schotels. Zo niet de lagefrequentieradiotelescoop Lofar. Het is een enorm en plat terrein met antennevelden, via glasvezelkabels verbonden met een supercomputer in Groningen. In het kerngebied, hier in de buurt van Exloo, staan de antennevelden dicht opeen gepakt. Elders liggen ze ver uit elkaar.

Lofar, acroniem voor Low Frequency Array, wordt vandaag officieel geopend. Dat wil niet zeggen dat we alle antennes vanaf vandaag al voor onze waarnemingen kunnen gebruiken, zegt Van Haarlem, directeur van Lofar. Er zijn nog gebieden waar we met boeren in onderhandeling zijn over de plaatsing van onze antennes. En niet overal in het netwerk zijn we klaar met testen. De officiële opening betekent wel dat het instrument nu in handen komt van de astronomen, in plaats van die van de ingenieurs.

Lofar is een radiotelescoop gespecialiseerd in het detecteren van elektromagnetische golven met golflengten vanaf ongeveer een meter. Dat golflengtegebied is erg interessant, omdat het ons in staat stelt om heel diep ons universum in te kijken, zegt algemeen directeur Michael Garrett van Astron, de stichting voor astronomisch onderzoek die Lofar heeft gerealiseerd. We kijken er ook mee terug in de tijd. We hopen te kijken naar de periode tussen 400.000 jaar en 400 miljoen jaar na de oerknal. Zo'n 400.000 jaar na zijn ontstaan was het heelal zo ver is afgekoeld dat voor het eerst waterstofgas en heliumgas ontstaan uit het hete plasma van losse atoomkernen en elektronen dat uit de oerknal is overgebleven. Vanaf 350 miljoen jaar na de oerknal wordt het spannend in het heelal omdat, zo denkt men, er dan in ons heelal voor het eerst duidelijke structuren ontstaan uit verdichtingen van waterstof.

Bijzonder aan Lofar is ook dat deze radiotelescoop de volledige hemel boven het noordelijk halfrond in één keer in de gaten moet kunnen houden. Dat betekent dat hij bij uitstek geschikt is om kortdurende, voorbijgaande verschijnselen op te pikken, zegt Garrett. Tot nog toe waren dat soort waarnemingen het gebied waar amateurastronomen zich nog konden meten met de professionals. Met het blote oog op de hemel gericht speur je veel makkelijker de hemel af dan wanneer je door het kleine gaatje van een telescoop zit te turen.

Lofar is veelzijdig, zegt Ger de Bruyn, hoogleraar astronomie aan de Rijksuniversiteit Groningen. We gaan niet alleen naar waterstof kijken, maar ook naar de zon en naar 'radiosterrenstelsels' - die alleen in radiostraling zichtbaar zijn. En naar kosmische deeltjes, sterrenclusters, magneetvelden en planeten buiten ons zonnestelsel.

Vrijwel niets in de omgeving van Exloo doet vermoeden dat je middenin het hart van 's werelds grootste telescoop bent beland. Tussen de rieten daken en paardenstallen rijzen geen imposante satellietschotels omhoog. Een B-weggetje leidt naar een drassig natuurgebied. In de toekomst moet dit gebied deel gaan uitmaken van de Ecologische Hoofdstructuur, een grensoverschrijdende zone van Europese natuurgebieden. Een bovenloop van het Drentse riviertje de Hunze meandert hier tussen poelen, pitriet, boterbloemen en kwetterende weidevogels.

ANTENNES

En dan ben je er. Op een vlakke cirkelvormige verhoging in het landschap staan tientallen piramidevormige geraamten van 1,60 meter hoog. Het kabouterkampement zonder tentdoeken is in werkelijkheid een veld vol antennes. Tussen de piramides liggen zwarte podia ongeveer kniehoog, alsof er een muziekfestival in aantocht is.

Onder het zwarte zeil van de podia, beschermd tegen het Nederlandse weer, zitten ook antennes, maar dan kleiner. Deze antennes van een paar decimeter lijken meer op grote spinnen dan op tentgeraamten. Met een frequentiebereik van 10 tot 80 Megahertz (voor de tenten) en 120 tot 240 Megahertz (voor de spinnen) is Lofar geknipt voor het opvangen van straling uit waterstofgas die vanaf de rand van het universum naar Drenthe is gereisd.

VIJVERDOEK

Deze antennes zijn het goedkoopste en eenvoudigste onderdeel van de supertelescoop. Met forse haringen en lijnen van staaldraad zijn ze vastgezet op een bodem van betongaas en vijverdoek. Kosten: niet meer dan 200 euro per stuk. De investering in enkele tienduizenden antennes beslaat dan ook maar een klein deel van de totale kosten van dit project: 100 miljoen euro. De situatie met Lofar is heel anders dan met de schotelantennes die wereldwijd staan op hoge bergen of in woestijngebieden, zegt Michael Garrett. Bij spiegeltelescopen zit de investering aan de voorkant. Bij ons zit het vernuft en het geld aan de achterkant.

Het uitgestrekte antenneveld als telescoop is niet nieuw. Met een antenneveld in de omgeving van Cambridge ontdekte de Britse astronoom Jocelyn Bell Burnell in de jaren zestig de eerste pulsars binnen ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg. Een pulsar is een ineengestorte ster die in zijn laatste levensfase pulsen van intense radiostraling uitzendt.

Dat astronomen met Lofar nu veel verder weg kunnen kijken is te danken aan de beschikbaarheid van betaalbare glasvezelkabel en krachtige processors. Een deel van de rekenkracht zit verstopt in grijze gebouwtjes iets verderop, die via ondergrondse coaxkabels met de antennevelden verbonden zijn. Elk van de antennes registreert elektromagnetische straling die vanuit het heelal de atmosfeer is binnengekomen. Al die golven resulteren in beweging van elektronen in de coaxkabels die op de antennes zijn aangesloten.

De enorme hoeveelheid data die dit oplevert is zelfs de hoge capaciteitsglasvezelkabels en supercomputers van vandaag te machtig. De kunst van het sterrenkijken met een antenneveld is om golven met een interessante frequentie zo te vertragen dat ze elkaar optimaal versterken.

Net als watergolven in een vijver kunnen elektromagnetische golven elkaar onderling versterken of juist afzwakken. Twee golven die precies met elkaar in fase zijn kun je bij elkaar optellen. Twee golven in tegenfase doven uit. Golven die de astronomen als ruis beschouwen worden juist zo bewerkt dat ze onderling uitdoven. Bundelvorming heet die bewerking.

TWINKELEN

Glasvezelkabels verbinden de grijze gebouwtjes met een groter gebouw aan de rand van het veld. Vanuit dit centrale knooppunt gaan de data per glasvezelkabel naar Groningen. De databewerking hier is gebaseerd op recent wetenschappelijk inzicht, vertelt Ger de Bruyn. Een belangrijk probleem waar we tegenaan lopen als we op lage frequenties vanaf de aarde het heelal in willen kijken is het twinkelen van de radiobronnen, zegt hij. De helderheid van sterren varieert als je er vanaf het aardoppervlak naar kijkt. De sterren staan als het ware heen en weer te dansen. Dat zie je niet alleen in het zichtbare licht, maar ook als je op lange radiogolven kijkt.

De twinkeling ontstaat doordat gassen zoals zuurstof en stikstof op een hoogte van enkele honderden kilometers boven het aardoppervlak deels geïoniseerd zijn. Dat wil zegen dat atomen een of meer elektronen zijn kwijtgeraakt. De Bruyn: Het probleem is dat deze deken van ionen en elektronen ongelijkmatig en veranderlijk is. Dat komt doordat je zo hoog boven de aarde te maken hebt met windsnelheden van meer dan duizend kilometer per uur.

Elk van de duizenden Lofar-antennes kijkt door een eigen stukje ionosfeer naar de sterren. Het beeld dat we opbouwen met Lofar raakt hierdoor vertroebeld, zegt De Bruyn. We kunnen het twinkeleffect wegpoetsen door de variaties in de dichtheden van de ionosfeer in kaart te brengen. Als referentiepunt daarvoor gebruiken we een netwerk van heldere compacte radiobronnen in het universum zoals quasars en pulsars. Door de verschillen in de sterkte van deze lichtbronnen vanuit verschillende gezichtspunten te bestuderen kunnen we de fluctuaties in de ionosfeer bepalen. Voor die variaties in dichtheid kunnen we vervolgens corrigeren. We hebben intussen ook wat succesjes geboekt met het voorspellen van variaties in de ionosfeer, maar dat is gelukkig niet per se nodig. We kunnen de correcties met onze computer in Groningen ook met terugwerkende kracht uitrekenen.

Het testen van Lofar, met kleine groepjes antennes, heeft in de afgelopen jaren al enkele bescheiden resultaten opgeleverd. Er is een pulsar ontdekt. Ook is de lawine van deeltjes hoog in de atmosfeer waargenomen die ontstaat als kosmische straling binnendringt. Spectaculaire resultaten zijn het nog niet, maar zoals Michiel van Haarlem zegt: Om te weten dat alles naar wens functioneert is het óók belangrijk om zaken te zien die collega's eerder hebben waargenomen.

VERTRAGING

De astronomen die met Lofar de hemel gaan afspeuren, hebben voorlopig het rijk alleen. Er bestaan al lang plannen voor een nog veel grotere radiotelescoop, het Square Kilometre Array (SKA), maar het is nog niet duidelijk of deze telescoop nu in Zuid-Afrika komt of in Australië. Ook de aanbouw van de Murchison Widefield Array, een telescoop in Australië die met Lofar vergelijkbaar is, heeft vertraging opgelopen. We hebben zeker een jaar voorsprong, zegt De Bruyn. Daar hopen we vanaf nu van te gaan profiteren.

Zet die radio toch eens uit! Vierhonderdduizend jaar na de oerknal gaat het licht uit in het heelal. En het duurt waarschijnlijk ongeveer 350 miljoen jaar voordat het weer aangaat. Astronomen spreken van de Duistere Tijden van het universum. Aan deze obscure periode komt een eind met het ontstaan van de eerste sterren. We denken dat die zo'n 400 miljoen jaar na de oerknal ontstaan, zegt Astron-directeur Michael Garrett. Die vroege sterren kunnen we niet zien. Het licht van die sterren is niet helder genoeg. Om iets te kunnen zien op deze afstanden is het licht nodig dat miljoenen net gevormde sterren samen uitzenden. De jongste en, in ons uitdijende heelal, dus ook verste sterrenstelsels die ooit zijn waargenomen, verschijnen op beelden van de Hubble-ruimtetelescoop. Ze dateren van zo'n 600 miljoen tot 700 miljoen jaar na de oerknal. Met de nieuwe radiotelescoop Lofar willen astronomen achterhalen welke lichtbronnen een paar honderd miljoen eerder ontstaan uit samengepakte wolken van waterstof. Zijn het heldere quasars? Groepen van kleine sterren? Of moeten we rekening houden met exotischer objecten zoals uiteenvallende donkere materie? Het oudste en verste signaal dat astronomen uit ons heelal kunnen oppikken is de kosmische achtergrondstraling. Garrett: Deze straling is uitgezonden toen het heelal zo ver was afgekoeld dat waterstofgas ontstond uit het gloeiende hete plasma van elektronen en waterstofkernen dat voortkwam uit de oerknal. De kosmische achtergrondstraling is in staat om door dat 'neutrale' waterstofgas heen te reizen. Je kunt zeggen dat het heelal met het ontstaan van dat neutrale gas, 400.000 jaar na de oerknal, transparant werd. De kaart die de kosmische achtergrondstraling oplevert, laat zien dat de materie in ons universum - wat het ook was - 13,6 miljard jaar geleden zeer gelijkmatig verdeeld was. Over de periode daarna is nauwelijks iets bekend, vandaar de term Dark Ages. Garrett: Het afgekoelde gas dat ontstaat doordat protonen en elektronen combineren, zendt geen licht uit. Maar we kunnen het wel bestuderen met lange radiogolven. Met Lofar hebben we nu voor het eerst een telescoop die gevoelig genoeg is om deze golven van de rand van ons universum werkelijk te kunnen zien. Het radiosignaal dat astronomen in Drenthe hopen te detecteren ontstaat als het waterstof een zogeheten spinflip doormaakt. De spin staat voor het tollen om hun as, een metafoor die fysici gebruiken voor verschillende energietoestanden van atoomkernen. Flip betekent omslag. De spinflip is daar als elektronen en protonen in tegengestelde richtingen gaan tollen. Zo'n spinflip, het omslaan van proton- en elektronspin is iets wat waterstofatomen gemiddeld ééns in de 11 miljoen jaar doen, zegt Ger de Bruyn, leider van het Lofar Donkere Tijden project. Waterstof moet het energieverschil tussen zijn toestand voor en na de flip kwijt en dat gebeurt door het uitzenden van een elektromagnetische golf met een golflengte van 21 centimeter. Golven die Drenthe bereiken van de rand vanaf het universum hebben meer dan 13 miljard jaar gereisd. Sinds ze zijn uitgezonden is het universum in volume een factor duizend uitgedijd. Ook de golflengte van de elektromagnetische golf is daardoor uitgerekt van 21 centimeter tot meer dan twee meter. De Bruyn denkt dat het voor Lofar heel lastig zal worden om radiogolven te detecteren uit het ijle waterstofgas dat in het heelal rondzweefde in de Donkere Tijden zelf. Hoe dieper je in het universum kijkt, hoe groter de roodverschuiving, zegt hij. Precies in dit golfbereik zijn de FM-zenders van radiostations een probleem. We moeten stoppen met meten bij een frequentie van 115 Megahertz [een golflengte van 2,60 meter] en we kunnen pas weer beginnen waar het FM-bereik eindigt. Vanaf 88 Megahertz [een golflengte van 3,40 meter]. Ik verwacht dat er nóg veel meer antennes nodig zijn om in dat frequentiegebied met voldoende gevoeligheid te kunnen waarnemen. De beste kansen voor Lofar liggen volgens De Bruyn dan ook op de grens van de Donkere Tijden; het moment waarop het licht in het heelal weer aan gaat. De Bruyn vergelijkt deze reis in de tijd met een tocht van het donkere platteland naar de stad. Eerst gaat er hier en daar een lichtje aan dat vervolgens snel weer verdwijnt. Die eerste sterretjes exploderen weer snel. Maar uiteindelijk ontstaan nieuwe bronnen van straling, hele stelsels van sterren, quasars of andere bronnen die voldoende stralingsenergie hebben om waterstofgas dat in het heelal zweeft te ioniseren. De stralingsbronnen zullen er zo ook voor zorgen dat de intensiteit van de roodverschoven golven uit waterstof zal toenemen. Als we die golven kunnen opvangen kunnen we meer begrijpen van de manier waarop de ons bekende structuren in het heelal zijn ontstaan. Prachtige pulsar op de plaat Deze 'radiofoto' van de sterrenhemel maakte Lofar al in maart van dit jaar. De heldere pulsar B0329+54 (zie pijltje) heeft een straal van niet meer dan 10 kilometer en draait elke 0,7 seconden om zijn as. Hij bevindt zich in onze melkweg, op een afstand van 3.000 lichtjaar in het sterrenbeeld Giraffe. In de toekomst hopen astronomen met Lofar nog veel zwakkere pulsars op te sporen. Astronoom Jason Hessels (Universiteit van Amsterdam) legt uit waarom deze opname bijzonder is: Dit is de eerste succesvolle meting waarbij we tegelijkertijd een scherpe radiofoto maakten én het milliseconden durende signaal van de pulsar konden meten.

Foto-onderschrift: Hart van het centrale deel van radiotelescoop Lofar bij Exloo in Drenthe. Rechts Lofar-opnamen van supernovarest Cassiopeia A. De ronde schokgolf van de explosie is duidelijk te zien. De rode kortegolfkaart toont wat eerder met traditionele kortgolvige radiotelescopen is waargenomen. De gedetailleerde langgolvige opname is nieuw.