Stof tussen de sterren

De eerste schotelantennes gaan binnenkort omhoog naar de vijf kilometer hoge Chajnantorvlakte in Chili. Straks staan er 66, de grootste telescoop op aarde. Margriet van der Heijden

Artist’s impression van de ALMA-telescoop in een compacte configuratie. De 66 schotelantennes (diameter 12 meter) passen dan in een denkbeeldige cirkel van 250 meter diameter. FOTO’S NAOJ NAOJ

Het stoffige stadje San Pedro ligt in de uitgestrekte Atacamawoestijn in het noordoosten van Chili, 2.500 meter boven de zeespiegel. De lemen huizen zijn er laag en wit of terracottakleurig. De ramen zijn klein, om zoveel mogelijk zon buiten te sluiten. Toeristen slenteren door de straatjes, eten tortilla’s en grazen in winkeltjes met sieraden en sjaals van alpacawol. Ze boeken dagtochten naar stomende geisers, zoutmeren met flamingo’s en grillige, haast buitenaardse valleien zoals de ‘Maanvallei’. Of ze trekken de hoge bergen van de Andes in, richting Bolivia en Argentinië.

En daarna gaan ze weer weg.

“Hier langere tijd blijven is wat anders”, zegt de Australische astronoom Tony Beasley. Hij hoort bij een groep astronomen die elke maandagochtend van de Chileense hoofdstad Santiago naar San Pedro vliegt. En op vrijdagavond weer terug: bleek, moe, met gebarsten lippen, een droge huid en kleren vol zand.

Maar Beasley vindt het zo te zien ook leuk om ‘met zijn poten in het zand te staan’. “Astronomen zijn niet mobiel genoeg”, moppert hij goedmoedig. “Ze zijn eraan gewend geraakt dat de gegevens uit telescopen vanzelf via internet naar hun werkkamer stromen. Ze zitten in kelders. Ze zouden naar de hemel moeten kijken.”

Die sterrenhemel is bijna nergens zo mooi als boven de Atacamawoestijn, merken we op onze reis, alweer een tijd geleden, met een groep journalisten. Zelden houden wolken er het licht tegen. En ook waterdamp, die het beeld elders vaak zo diffuus maakt, zit er in de krukdroge atmosfeer weinig. Alleen al het schouwspel dat je daardoor krijgt wanneer je ’s nachts je hoofd in je nek legt, maakt de tocht naar San Pedro de moeite waard. De hemel is bezaaid met scherpe speldenprikjes, gerangschikt in sterrenbeelden als het Zuiderkruis en Kraanvogel. De Magelhaense wolken zweven er mysterieus tussen. Hoe langer je kijkt, hoe meer sterren er opduiken.

HOOG EN DROOG

Die helderheid en de droge lucht hebben Europese, Amerikaanse en Japanse astronomen getrokken. Veertig kilometer ten zuiden van San Pedro bouwen ze een grootse telescoop: de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array, kortweg ALMA.

Het wordt de grootste telescoop op aarde: eind 2013 moeten er hoog op de Chajnantorvlakte (5.100 meter boven de zeespiegel) 66 schotelantennes staan die samen tot één telescoop worden gecombineerd. Hoog en droog. Hoog, zodat de submillimetergolven uit de ruimte maar kort door de storende atmosfeer hoeven te reizen. Droog, zodat er onderweg zo min mogelijk straling door waterdamp wordt geabsorbeerd.

De (sub)millimeterstraling (300 micrometer tot 9,6 millimeter) heeft langere golflengtes dan het infrarode, zichtbare en ultraviolette licht uit sterren zoals de zon. Bij de waarnemingen met ALMA gaat het ook niet om zulke sterren of om nog heter stralende objecten. Deze telescoop moet het ‘koele heelal’ doorgronden.

ALMA moet het gas en stof bestuderen dat ijl tussen de sterren hangt. De submillimeterstralen die de stof- en gasdeeltjes uitzenden verraden hun chemische samenstelling.

ALMA moet zo de dicht opeengepakte stofwolken doorgronden waaruit in verre sterrenstelsels nieuwe sterren ontstaan. En bestuderen hoe het stof rond die sterren soms samenklontert tot planeten, die nu en dan misschien zelfs op de aarde lijken.

En ALMA moet ook de straling vangen uit stofwolken in de verste sterrenstelsels van het universum: door de uitdijing van het heelal is die tot lange millimetergolflengtes opgerekt. ALMA kan daarmee laten zien hoe een paar honderd miljoen jaar na de oerknal uit zulk stof al nieuwe generaties sterren ontstonden.

Ofwel: ALMA moet zichtbaar maken wat onze ogen niet zien aan de hemel. Met een precisie die tien maal groter is dan die waarmee de Hubbleruimtetelescoop naar de ruimte kijkt.

ZANDWEG

Tony Beasley moet als projectmanager de bouw van die enorme telescoop in goede banen leiden, zo’n veertig kilometer ten zuiden van San Pedro. “Ik krijg steeds grotere telescopen onder mijn hoede”, zegt hij quasi nonchalant. Eerder zorgde hij er bijvoorbeeld voor dat in Californië meerdere schotelantennes tot één groot ‘oog’ op de hemel werden samengevoegd. Maar het ALMA-project is van een andere orde: “De omvang is met geen enkel eerder project te vergelijken.”

“De veranderingen op en rond de Chajnantorvlakte begonnen met de aanleg van de weg”, zegt Beasley. De weg van San Pedro naar het ‘basiskamp’, de Operation Support Facilities (OSF) op 2.900 meter hoogte. En daarna kwam er een weg naar de ruim twee kilometer hoger gelegen vlakte.

De schotelantennes worden in onderdelen uit Europa, de Verenigde Staten en Japan naar de grote loodsen van het OSF getransporteerd en daar in elkaar gezet. Ook alle tests ondergaan de schotels ‘beneden’. Pas als ze helemaal af zijn, worden ze verder omhoog getransporteerd. Eén voor één. Op een van de twee 20 meter lange en 10 meter brede trucks (Otto en Lore geheten) met 28 wielen uit Duitsland. Stapvoets zullen die over de brede, 28 kilometer lange weg naar de hoogvlakte rijden.

Het is geen asfaltweg. Die zou door kou en belasting kapot gaan. Een antenne weegt 115 ton, de truck nog eens 130 ton. Daarom is het gewoon een zandweg, maar wel dwars door een natuurgebied waar troepen lama’s, wilde ezels en vicuna’s tussen metershoge cactussen scharrelen. “Waar dat kon hebben we cactussen uitgegraven die in de weg stonden, en ze met een hijskraan ergens anders weer neergezet”, zegt locatiemanager Claus Dierkmeier.

Toen de weg af was, en ook het OSF goeddeels, hebben lokale priesters de Pachamama-rituelen voltrokken om Moeder Aarde (Pachamama) te bedanken en haar zegen voor het project te vragen.

DIZZY

Zou het niet nóg beter zijn voor de omgeving als ALMA op zonne-energie zou draaien, vraagt één van de meereizende journalisten. Dat gaat niet, zegt Dierkmeier. “Zonnepanelen kunnen niet dag en nacht de 7 megawatt leveren die de schotelantennes gebruiken.” Maar het openbare elektriciteitsnet, dat ook de energie verslindende kopermijnen in de omgeving bedient, heeft vaak storingen. De astronomen overwegen dus een eigen elektriciteitsturbine, maar stroom blijft voorlopig ‘een grote zorg’, zeggen ze.

Nog een zorg: hoe hou je de mensen gezond die op grote hoogte en in extreme droogte moeten werken? Hoe kunnen ze hun werk goed blijven doen, terwijl ze misschien dizzy zijn door zuurstoftekort?

We merken het effect daarvan zelf. Twee busjes brengen de groep journalisten naar boven. Er zijn geen haarspeldbochten, ravijnen of andere aanwijzingen voor steile bergen. De weg klimt langzaam en gestaag. Dat we toch snel omhoog gaan, blijkt doordat sommige mensen hoofdpijn krijgen. Tintelende vingers. Druk achter hun ogen. Helemaal boven worden er twee zo beroerd dat ze met een zuurstoffles worden uitgerust. Anderen nemen nu en dan een haal zuurstof. En wie zich wél gewoon goed voelt, heeft geluk, dempt de meereizend arts eventuele zelfingenomenheid: “Een volgende keer kun je zomaar ziek worden, hoor.”

Er staat nog maar één schotelantenne: die van het APEX-experiment (Duits, Zweeds en van ESO). Het is een aangepast prototype van de ALMA-schotels, dat op punten afwijkt. Zo is APEX niet tegen zonlicht bestand. Als de zon achter de bergtoppen opduikt terwijl de telescoop nog niet is weggedraaid, branden de kabels door. De ALMA-schotels zullen juist dag en nacht de submillimeterstraling uit de kosmos plukken.

In de bedieningskamer hebben APEX-astronomen Andreas Lundgren en Carlos de Breuck via een Skype-achtig computerprogramma contact met hun thuisinstituut, het Max Planckinstituut voor radioastronomie in Duitsland. We mogen mee als ze een stikstoffles verwisselen bij de apparatuur in het binnenste van de schotelantenne. Met stikstof en helium (in een gesloten systeem) wordt de elektronica tot 3 graden Kelvin gekoeld zodat die geen infraroodstraling meer uitzendt – dat zou de metingen verstoren.

Maar waar de ALMA-schotels komen te staan, zien we niet. De grijze regenslierten die we op de heenweg boven de pas zagen hangen, blijken boven een sneeuwstorm te vormen. Voortjagende vlokken benemen elk zicht op de Llana de Chajnantor. “Dat gebeurt zelden”, zegt De Breuck. “Meestal beperken de slechte dagen zich tot de Boliviaanse winter in januari en februari.” Terwijl het in de rest van Zuid-Amerika zomert, voert de vochtige oostenwind dan regen en sneeuw over de Andes.

We schuilen in het technisch gebouw, honderd meter lager. Een supercomputer – de 16.000 teraflops snelle ‘correlator’ – moet hier straks de signalen uit de antennes combineren via interferometrie. De signalen uit alle afzonderlijke antennes worden dan zó opgeteld, dat ze weer precies in de pas lopen. Ook al moeten ze vanaf de antennes verschillende afstanden naar de correlator afleggen, en er rekening mee houdend dat er een miniem verschil in afstand is van het hemels object tot elke antenne.

BALLET

Dat precisiewerk geeft dan een ‘beeld’ dat even scherp is als van één supergrote, denkbeeldige telescoopantenne. Het wordt doorgesluisd naar het OSF-basiskamp beneden.

Maar nu wordt aan het gebouw hierboven gewerkt. Chileense bouwvakkers, die géén last van de hoogte hebben, verven de keuken, de vergaderruimte en de slaapkamers (voor noodovernachtingen en mét zuurstofvoorraden). En er wordt een begin gemaakt met de garage voor de trucks.

Lore en Otto blijven rijden, ook als eind 2013 alle schotelantennes boven staan. Om steeds weer een schotel te verplaatsen. Zo zullen zij de telescoop als een zoomlens zijn blik laten bijstellen. Want op Chajnantor worden geen 66 platforms aangelegd waarop een antenne kan staan, maar 192, aan elkaar geknoopt met zandwegen. De trucks kunnen de antennes daartussen heen en weer ‘schuiven’.

Als ze de antennes dichtbij elkaar zetten, vormen die samen een compacte telescoop die een stukje firmament met grote lichtgevoeligheid maar niet enorm scherp in kaart kan brengen. Maar ze kunnen de antennes ook spiraalsgewijs over de tientallen kilometers grote vlakte ‘verstrooien’ – tot 15 kilometer van het technisch gebouw vandaan. Dan vormen ze een uitgestrekte telescoop (diameter 18 kilometer). Die is minder lichtgevoelig (de schotels bedekken maar een klein stukje van het hele oppervlak van één denkbeeldige 18 kilometer schotelantenne), maar toont wel honderd keer meer detail.

Dat in- en uitzoomen gaat geleidelijk. Otto en Lore zullen elke week een of twee schotelantennes verplaatsen. Alsof de antennes voortdurend een langzaam ballet op de vlakte uitvoeren.

“In een compacte configuratie zullen ze de vroegste sterrenstelsels uit het heelal bestuderen waar al een klein beetje stof in zit. In een uitgestrekte configuratie zullen ze inzoomen op de stofschijf rond sterren in verre sterrenstelsels, om daar planeten te ontwaren, en planeetvorming. En daartussen is van alles mogelijk, want ALMA is multipurpose”, zegt astronoom Ewine van Dishoeck, gewoon in 2009 aan de telefoon in Leiden. Zij zit in het bestuur van ALMA.

KOEPELTENTEN

De Nederlandse astronoom Thijs de Graauw is sinds vorig jaar de eerste directeur van ALMA. Hij verdeelt zijn tijd tussen de Chileense hoofdstad Santiago, de ALMA-site en reizen op het noordelijk halfrond, naar Europa, de Verenigde Staten en Japan. “Ja, dat is een mooi leven”, beaamt hij aan de telefoon vanuit Santiago. “Maar wel een beetje vermoeiend.”

“De Chajnantorvlakte ziet er alweer heel anders uit dan toen jij er anderhalf jaar geleden was”, vertelt hij. Her en der staan koepeltenten. Kacheltjes daarin houden de temperatuur een paar graden boven nul terwijl het beton van net gegoten platforms uithardt. En een groot deel van die platforms – “twee meter dikke plakken” – ligt er al.

Beneden staan twee schotelantennes klaar, een Japanse en een Amerikaanse, die in een laatste test ook zijn gekoppeld. En de onderdelen van de eerste Europese schotelantenne zijn aangekomen.

“In september gaat de eerste schotel naar boven”, zegt De Graauw. “En aan het einde van het jaar willen we boven drie schotelantennes koppelen: een combinatie van drie is de fundamentele bouwsteen van de samengestelde telescoop. Daarin test je echt of de interferometrie werkt.”

Daarna moeten er routinematig een, en dan twee antennes per maand naar boven worden gebracht. Tot eind 2013 alle schotels boven staan: de 50 Amerikaanse en Europese (diameter 12 meter) en 16 Japanse (twaalf met diameter 7 meter; vier met diameter 12 meter). “Maar als er in de tweede helft van 2011 zo’n 20 à 25 schotels staan, kunnen we al met de eerste metingen beginnen”, zegt De Graauw.

RESIDENCIA

En nee, astronomen die met ALMA willen meten, zullen niet van het noordelijk halfrond naar Chili gaan reizen om zelf de telescoop te bedienen – ook al vinden sommigen dat astronomen mobieler moeten zijn. Een vaste staf die de telescoop door en door kent, zal de metingen uitvoeren. Zij kunnen rekening houden met specifieke eisen aan de waarnemingen en met de toestand van de telescoop en het weer, en zo de meettijd efficiënt indelen. Bij het OSF wordt voor die ongeveer 110 mensen een ‘residencia’ gebouwd.

Vanaf 2014 moet ALMA dan diep de kosmos in gaan turen. “Het is een optimistisch schema”, zegt de Leidse Van Dishoeck, “maar zonder grote tegenslag moet het lukken.” Dan kunnen astronomen gaan kijken naar de eerste sterrenstelsels van de kosmos, naar de geboorte van sterren, het prille begin van planeten... En zelfs naar hoe zich soms daarop leven kan ontwikkelen, want de simpelste bouwstenen van leven zwerven als gas tussen de sterren.

Tony Beasley heeft nu een andere baan.