Opmars van de reuzen

Binnen tien jaar komen er drie reusachtige optische telescopen in bedrijf: een revolutie in de sterrenkunde. De Europese is de grootste. Hij heeft een spiegel van bijna 40 meter: uit 798 stukjes.

Als alles een beetje meezit, beschikken astronomen over tien jaar over een compleet nieuw arsenaal van reuzentelescopen – een aantal optische, waarmee zichtbaar licht wordt opgevangen, maar ook een kolossale radiotelescoop. De instrumenten moeten een nieuwe revolutie in de sterrenkunde teweegbrengen.

Op 19 juni is in het noorden van Chili een berg een topje kleiner gemaakt. De ingreep was bedoeld om plaats te maken voor een Europese telescoop die straks de grootste optische telescoop ter wereld zal zijn.

Voor astronomen geldt nu eenmaal: hoe groter, hoe beter. Met een grote telescoop kun je zwakkere hemelobjecten zien dan met een kleine, simpelweg omdat deze meer licht (of andere soorten straling) verzamelt. En tegelijkertijd levert hij nog scherpere beelden ook.

Aan die grote omvang kleven wel nadelen. De constructie van een grote telescoop is kostbaar, en vraagt veel tijd en technisch vernuft. Dat heeft niet kunnen verhinderen dat optische telescopen sinds hun uitvinding – begin 17de eeuw – exponentieel in omvang zijn gegroeid.

De eerste telescoopjes vingen het licht op met behulp van een enkele centimeters grote lens. Nog geen twee eeuwen later werd de 1-meter grens al gepasseerd. Om praktische redenen bestond het ‘oog’ van de telescoop vanaf die tijd echter bijna nooit meer uit een lens, maar uit een ‘holle’ spiegel. Met lens en spiegel wordt hetzelfde bereikt: ze brengen het licht dat ze verzamelen bijeen in een brandpunt.

Bij kleine afmetingen wegen de voor- en nadelen van lenzen en spiegels wel zo’n beetje tegen elkaar op. Maar bij afmetingen van meer dan een meter worden lenzen zo dik en zwaar, dat ze gaan doorbuigen en hinderlijke beeldfouten gaan vertonen. Ze zijn bovendien kostbaar om te maken: het gebruikte glas moet van perfecte kwaliteit zijn en aan twee zijden nauwkeurig in vorm worden geslepen. Een spiegel heeft aan één volmaakt gevormd oppervlak genoeg en kan bovendien ondersteund worden.

De eerste 10-meter telescopen zagen iets meer dan twintig jaar geleden het licht. Bij gelijkblijvend groeitempo zou de eerste 20-meter telescoop pas rond het jaar 2025 zijn gebouwd, en de eerste 40-meter telescoop pas rond 2070. Maar we staan aan de vooravond van een trendbreuk: al begin volgend decennium komen – vrij kort na elkaar – drie ‘extreem grote’ optische telescopen in bedrijf.

De grootste van het trio, de European Extremely Large Telescope (E-ELT), komt te staan op de Cerro Armazones, een drie kilometer hoge berg in het gortdroge noorden van Chili, waar vorige maand het topje al vanaf is geblazen. Deze telescoop krijgt een technisch geavanceerde spiegel met een middellijn van net geen veertig meter.

Ter vergelijking: de spiegel van de befaamde Hubble-ruimtetelescoop heeft een middellijn van slechts 2,4 meter. Hubble heeft echter als voordeel dat hij op een hoogte van ruim vijfhonderd kilometer om de aarde cirkelt en geen hinder heeft van atmosferische turbulenties die het zicht op de ruimte vertroebelen. Daar staat tegenover dat de grote telescopen op aarde sinds een jaar of twintig worden uitgerust met een slim optisch systeem dat die atmosferische beeldverstoring voor een groot deel kan opheffen.

Nog maar veertig jaar geleden durfde eigenlijk niemand van telescopen met openingen van tientallen meters te dromen. De toenmalige recordhouder, de Hale-telescoop op Palomar Mountain in Californië, was voorzien van een massieve spiegel met een middellijn van vijf meter.

Onwerkbaar zware eisen

Daarmee leek de maximale omvang wel zo’n beetje te zijn bereikt: grotere spiegels zijn minder vormvast en stellen onwerkbaar zware eisen aan de constructie van de rest van de telescoop. Vandaar ook dat de Hale-telescoop, gebouwd in 1948, tot 1976 de grootste ter wereld kon blijven. De ‘troonopvolger’ aan de noordkant van de Kaukasus – de 6-meter Bolsjoj-telescoop – werd door een combinatie van technische problemen en omgevingsfactoren nooit een succes.

De grootste is die Russische telescoop sowieso niet meer. In 1992 ging deze titel naar de eerste van de twee Keck-telescopen, op de top van de Mauna Kea (Hawaï). De spiegels van deze telescopen zijn niet uit één stuk glas gemaakt, maar bestaan uit 36 dunne zeshoekige segmenten die tezamen een spiegelend oppervlak met een middellijn van tien meter vormen. Kleine computergestuurde motortjes (‘actuators’) zorgen ervoor dat de spiegel steeds de juiste vorm houdt.

Twee van de drie reuzentelescopen die gebouwd gaan worden zijn voorzien van een Keck-achtige hoofdspiegel. De Amerikaanse Thirty Meter Telescope (TMT), ontwikkeld door een team dat deels ook betrokken was bij de constructie van de Keck-telescopen, krijgt een dertig meter grote spiegel die bestaat uit 492 segmenten met een middellijn van iets minder dan anderhalve meter.

De E-ELT, ontwikkeld door ESO – een astronomisch samenwerkingsverband van veertien Europese landen (waaronder Nederland) en Brazilië, doet daar nog een flinke schep bovenop. Zijn spiegel bestaat uit 798 van die spiegelende puzzelstukjes. Effectief is de opening van de Europese reuzentelescoop ruim anderhalf keer zo groot als die van zijn Amerikaanse tegenstrever: hij vangt dus ook navenant meer licht op.

Volgens Richard Hook van ESO, is dat echter niet het enige belangrijke verschil tussen de beide telescopen. „De TMT is een klassiek systeem waarbij het opgevangen licht via een bolle tweede spiegel en een vlakke derde spiegel naar de instrumenten wordt gestuurd”, legt hij uit. „De E-ELT maakt gebruik van een systeem van vijf spiegels dat een betere beeldkwaliteit over een groter beeldveld biedt.”

Voor nummer drie, de Giant Magellan Telescope (GMT), is een heel ander ontwerp gekozen. Dit maakt gebruik van zeven ronde spiegels met een middellijn van 8,4 meter, die het verzamelde licht naar een boven de hoofdspiegel opgehangen bolle hulpspiegel weerkaatsen. Het effectieve oppervlak van de zeven spiegels komt overeen met dat van een enkelvoudige spiegel van 24,5 meter.

Om problemen als die met de Bolsjoj-telescoop te vermijden, bestaan de spiegels van de GMT niet uit massief glas: ze zijn grotendeels hol van binnen. Hierdoor blijft hun gewicht binnen de perken en komt het glas veel sneller op temperatuur dan bij een massieve spiegel.

De GMT zal misschien al in 2020 als eerste licht opvangen. Maar dat gebeurt dan op een moment dat nog maar vier van de zeven spiegels op hun plek zitten. Helemaal klaar is deze telescoop, die net als de E-ELT in het noorden van Chili komt te staan, waarschijnlijk pas in 2024.

Ook ESO streeft ernaar om de E-ELT rond 2024 in bedrijf te hebben. Het consortium achter de TMT, bestaande uit universiteiten en instituten in Noord-Amerika en Azië, mikt op 2022. Welke van de drie reuzentelescopen als eerste volledig in bedrijf is, wordt nog spannend.

Of dat belangrijk is? Tot op zekere hoogte wel. Richard Hook trekt een vergelijking met de wedloop tussen de Amerikaanse Keck-telescoop en de Europese Very Large Telescope, twintig jaar geleden. „Keck was de eerste en pikte enkele ontdekkingen in, maar op de lange duur was de VLT minstens zo succesvol”, aldus Hook. „Natuurlijk is de wetenschappelijke gemeenschap die wij bedienen erop gebrand om eerste te zijn, maar als dat niet lukt, hoeft ESO niet dicht.”

Van een echte wedloop is volgens Hook daarom geen sprake: „Het zijn alle drie telescopen voor algemene doeleinden, met een lange levensduur”, zegt hij. „Ze zijn niet gericht op één resultaat.” Maar tegelijkertijd wijst hij er wel op dat de Europese telescoop zijn grootte mee heeft: „Omdat de E-ELT groter is, is hij op sommige terreinen in het voordeel is ten opzichte van zijn kleinere concurrenten – vooral op het gebied van de exoplaneten.” (Exoplaneten zijn planeten buiten ons zonnestelsel.)

Vierkante kilometer

Terwijl hun optische collega’s bezig zijn met de ontwikkeling van telescopen met diameters van enkele tientallen meters, denken radioastronomen veel groter. Zij werken aan SKA – de Square Kilometre Array. De bouw van deze reusachtige radiotelescoop, die uit duizenden vijftien meter grote schotelantennes en nog grotere aantallen vaste antennes zal bestaan, moet in 2018 beginnen en zal ongeveer twaalf jaar gaan duren.

Tezamen hebben die antennes een oppervlakte van een vierkante kilometer – vandaar de naam van de telescoop. Daarmee is het oppervlak van SKA ruwweg duizend keer zo groot als dat van de optische reuzentelescopen.

Radioastronomen hebben echter een handicap: de straling die zij willen opvangen heeft een golflengte die duizenden of zelfs miljoenen malen groter is dan die van zichtbaar licht. En dat heeft tot gevolg dat het scheidend vermogen – de ‘beeldscherpte’ – van een radiotelescoop veel minder groot is dan die van een optische telescoop van gelijke grootte. Om de prestaties van de Keck-telescoop te kunnen evenaren moet een radiotelescoop een middellijn van minstens vierhonderd kilometer hebben.

Onbegonnen werk? Niet echt: door de radioantennes over een groot gebied te verspreiden en onderling te verbinden, zijn zulke afmetingen wel degelijk haalbaar. In Zuid-Afrika en Australië, waar de vele duizenden antennes van SKA komen te staan, is plek genoeg. Bovendien zullen de Zuid-Afrikaanse schotelantennes worden verbonden met het Europese netwerk van radiotelescopen. ‘Netto’ levert dat een denkbeeldige radiotelescoop met een middellijn van zo’n negenduizend kilometer op.

Is het werkelijk de moeite waard om zo’n groot en ingewikkeld instrument te bouwen? Astronoom Michiel van Haarlem, projectleider van het SKA NL-project, waarin het Nederlands Instituut voor Radioastronomie ASTRON en de universiteiten van Amsterdam, Groningen, Leiden en Nijmegen samenwerken, twijfelt daar niet aan. „Met SKA kunnen we extreem zwakke verschijnselen bestuderen die met de huidige radiotelescopen niet waarneembaar zijn”, legt hij uit. „Zoals de straling die de eerste generatie sterren en sterrenstelsels kort na de oerknal heeft uitgezonden. Dat is typisch een vraagstuk waar de radioastronomie een unieke bijdrage aan kan leveren, en dat niet met optische waarnemingen kan worden opgelost.”

Dat Nederland een forse bijdrage levert aan SKA is geen toeval. Nederlandse radioastronomen hebben veel ervaring opgedaan met de grote meervoudige radiotelescoop in Westerbork en, meer recent, met LOFAR – een netwerk van duizenden kleine sensoren van laagfrequente radiostraling die grotendeels in onze noordelijke provincies en deels in de ons omringende landen staan opgesteld.

„De ervaring met LOFAR komt goed van pas en geeft onze astronomen een belangrijke stem in de wetenschappelijke voorbereiding op de waarnemingen met SKA, die rond 2020 van start zullen gaan”, zegt Van Haarlem. Nederland geeft overigens niet alleen leiding aan twee internationale consortia die een aantal antennes van SKA ontwerpen. „We leveren ook een grote bijdrage aan het ontwerpen van de hardware en de software die nodig is voor de verwerking van de enorme hoeveelheden gegevens die de radiotelescoop zal verzamelen”, aldus Van Haarlem.

Telescopenhonger

Zal deze nieuwe generatie van reuzentelescopen de telescopenhonger van astronomen kunnen stillen? Het lijkt er niet op. Dit voorjaar ontvouwde Victor Sadovnitsji, rector magnificus van de Staatsuniversiteit van Moskou, alweer plannen voor een 60-meter telescoop op een van de Canarische Eilanden.

Of deze superreus – die gebouwd zou moeten worden in samenwerking met Spanje en wellicht ook Zwitserland en Duitsland – er ooit komt is natuurlijk nog maar de vraag. De kosten ervan lopen in de miljarden euro’s: voor gas- en oliestaat Rusland misschien geen probleem, maar voor de beoogde partnerlanden ongetwijfeld wel.

Want ook in de sterke economie Duitsland groeien de bomen niet meer tot in de hemel. Dat land maakte op 5 juni plotseling bekend dat het van plan is om zich volgend jaar terug te trekken uit het SKA-project. Duitsland is bij veel grote wetenschappelijke projecten betrokken – bij de E-ELT, maar bijvoorbeeld ook bij de grote Europese röntgenlaser XFEL en de nieuwe deeltjesversneller FAIR. Blijkbaar is dat de Duitse regering allemaal wat te gortig geworden.

De SKA Organisatie heeft met teleurstelling kennisgenomen van het besluit, en de hoop uitgesproken dat het financiële klimaat de komende tijd genoeg zal verbeteren om het Duitse ministerie van wetenschappen op andere gedachten te brengen. Voor de toekomst van de ‘Vierkante Kilometre Array’ lijkt het Nein uit Berlijn voorlopig geen gevolgen te hebben. Maar de Duitse industrie zal nu veel minder kunnen verdienen aan de bouw van de kolossale reuzentelescoop. En Duitse astronomen zullen er straks veel minder gemakkelijk gebruik van kunnen maken.