130.000 oren voor een telescoop

Radio-astronomie Met radiotelescoop SKA zal gezocht worden naar ruimtetrillingen van superzware zwarte gaten, korte explosies en de nasleep van de oerknal.

Een van de tweehonderd in Zuid-Afrika geplande schotels.
Een van de tweehonderd in Zuid-Afrika geplande schotels. Illustratie SKA Organisation

In West-Australië en Zuid-Afrika wordt vanaf 2021 de grootste radiotelescoop ter wereld gebouwd: de Square Kilometre Array of SKA. Ook technici en astronomen van ASTRON, het Nederlandse instituut voor radioastronomie in Dwingeloo, zijn erbij betrokken. Zij doen momenteel onderzoek met LOFAR – een grote door ASTRON gebouwde en beheerde radiotelescoop, met ‘stations’ verspreid over heel Europa, waarvan de kern nabij het Drentse Exloo ligt.

SKA zal straks vijf tot acht keer gevoeliger zijn dan bijvoorbeeld de Amerikaanse Very Large Array en LOFAR. Dat betekent dat hij veel zwakkere objecten kan ‘zien’. Al met al levert dat een kolossale hoeveelheid data op: alleen al het Australische deel van SKA zal meer dan 150 terabyte aan data per seconde produceren – ruwweg drie keer het wereldwijde internetverkeer.

Met SKA breekt een nieuw tijdperk aan voor de radioastronomie. Maar wat betekent dat in de praktijk? Wat verwachten radioastronomen van SKA? Drie ASTRON-onderzoekers vertellen.

Astronoom Gemma Janssen speurt naar zwaartekrachtgolven van superzware zwarte gaten – objecten van miljoenen tot miljarden zonsmassa’s. Daarbij maakt ze gebruik van objecten die regelmatig knipperend radiostraling uitzenden. Met SKA kan Janssen straks meer en vooral ook zwakkere radiobronnen opsporen, wat de detectie van zwaartekrachtgolven zal vergemakkelijken.

Zwaartekrachtgolven zijn fluctuaties in de kromming van de ruimte die zich voortplanten als golven. Zulke golven ontstaan bijvoorbeeld wanneer twee zeer grote massa’s op korte afstand om elkaar heen draaien.

De bestaande detectoren, LIGO en Virgo, kunnen alleen heel korte zwaartekrachtgolven meten. Deze treden op wanneer twee om elkaar wentelende zwarte gaten met tien tot honderd keer zoveel massa als onze zon op het punt staan om samen te smelten.

Twee kolossen botsen

„Bij zo’n botsing krijg je een signaal van een fractie van een seconde”, zegt Janssen. „Maar wanneer je dit opschaalt naar de superzware zwarte gaten dan krijg je zwaartekrachtgolven met perioden van weken tot jaren.” Hoe meer massa twee om elkaar draaiende zwarte gaten hebben, des te sterker zijn hun zwaartekrachtgolven. Hierdoor zijn deze golven in principe al waarneembaar lang voordat de twee kolossen botsen. Maar omdat ze op dat moment nog relatief traag om elkaar wentelen, hebben de vrijkomende zwaartekrachtgolven een veel langere golflengte.

Voor de detectie van zwaartekrachtgolven heb je een detector nodig die ongeveer net zo groot is als het systeem dat je waarneemt. Voor de kortgolvige zwaartekrachtgolven van twee om elkaar draaiende zwarte gaten van enkele tientallen zonsmassa’s volstaat een detector met afmetingen van enkele kilometers, zoals LIGO en Virgo. Voor de langgolvige zwaartekrachtgolven van superzware zwarte gaten waar Janssen naar speurt heb je een detector nodig die vele malen groter is dan de aarde.

Vandaar dat Janssen haar heil elders zoekt: bij pulsar timing, een techniek waarbij pulsars als uiterst nauwkeurige natuurlijke klokken worden gebruikt. Pulsars zijn kosmische vuurtorens die bundels van (onder meer) radiostraling uitzenden en vanaf de aarde gezien heel regelmatig lijken te knipperen. „Dankzij de pulsars beschikken we over klokken in alle uithoeken van ons Melkwegstelsel”, aldus Janssen. „Wanneer er een zwaartekrachtgolf langskomt, doet de puls van zo’n klok er langer of korter over om ons te bereiken. Effectief komt het erop neer dat de afstand van de pulsar tot de aarde een beetje varieert.”

Deze techniek vergt niet alleen een lange adem, maar ook een hoge meetnauwkeurigheid: „Van belang is vooral de grootte van de radiotelescoop, die bepalend is voor de gevoeligheid van het instrument. In het ideale geval zou je van elke puls van de pulsar de aankomsttijd willen meten. Maar pulsars zijn heel zwak, dus moeten we nu een aantal van die pulsen bij elkaar optellen voordat we überhaupt een signaal te zien krijgen. Dat lukt met SKA straks veel makkelijker. Een ander voordeel is dat SKA heel efficiënt naar nieuwe pulsars kan gaan speuren.”

Alles wat explodeert

Collega-astronoom Antonia Rowlinson is, zoals ze het fijntjes uitdrukt, geïnteresseerd in „alles wat explodeert” oftewel transients. „Ik doe onder meer blinde surveys met LOFAR”, zegt ze. „Daarbij onderzoek ik de data van anderen op alles wat verschijnt, verdwijnt of andere ongewone veranderingen vertoont.”

Rowlinson houdt zich onder meer bezig met zwaartekrachtgolven zoals LIGO die registreert. Zodra zo’n detectie heeft plaatsgevonden komt er automatisch een seintje binnen en wordt LOFAR luttele minuten later automatisch ingeschakeld om eventuele radiostraling van de betreffende botsing op te kunnen pikken. Daar komt geen mensenhand meer aan te pas.

Andere objecten die Rowlinson onderzoekt zijn de krachtige uitbarstingen van radiostraling zoals pulsars en zogeheten vlamsterren. Maar het spannendst vindt ze de schaarse transients waarvan niemand de oorzaak kent. „We hebben met LOFAR bijvoorbeeld een object ontdekt dat plotseling verscheen, een minuut of zeven lang vrij helder was, en even plotseling weer verdween. Geen idee wat dat was.”

Tienduizenden opnamen

Het grootste probleem waar ze mee kampt, is dat zelfs LOFAR al enorme hoeveelheden data aflevert. „Om zo’n onbegrepen transient op te sporen moet je tienduizenden opnamen bekijken. Dat wordt zelfs de meest geduldige student te gortig.” Daarom hebben Rowlinson en haar team voor dit doel een reeks computercommando’s ontwikkeld die het saaie werk overneemt.

Wat SKA voor haar onderzoek gaat betekenen? „Van sommige objecten, zoals mijn favoriete gammaflitsen, weten we dat ze laagfrequente radiostraling zouden moeten produceren, maar zo weinig dat ze door de huidige radiosurveys niet worden opgepikt”, antwoordt Rowlinson. „En dan zijn er nog de supernova’s en vlamsterren, waarvan we er in vergelijking met de theoretische verwachtingen te weinig zien. Kloppen onze berekeningen niet of verstoppen ze zich ergens? Dat zijn vragen die SKA kan helpen beantwoorden.”

Rowlinson verwacht straks nog veel meer bronnen te gaan vinden – ook ‘onverklaarbare’: „Waar een LOFAR-opname duizenden objecten laat zien, zal een SKA-opname er misschien wel tienduizenden tonen. Dat vergroot de kans om zeldzame gevallen te ontdekken.”

„Met SKA kunnen we straks in een paar nachten bereiken waar we met LOFAR nu honderd nachten over doen – het wordt echt een revolutie.” Aan het woord is Harish Vedantham, die zich bezighoudt met de nasleep van de oerknal – het ontstaan van ons uitdijende heelal, 13,8 miljard jaar geleden.

„Volgens de huidige inzichten was het heelal ongeveer 400.000 jaar na de oerknal gevuld met heet gas, dat de bron is van de zogeheten kosmische achtergrondstraling”, vervolgt hij. „De grote vraag is hoe uit deze diffuse gasmassa het huidige gestructureerde heelal met alle sterren en sterrenstelsels is ontstaan.”

De eerste sterren

Helemaal in het duister tasten astronomen wat dit aangaat niet. „We kennen de begintoestand en het eindresultaat”, legt Vedantham uit. „Bovendien kennen we de fundamentele fysische wetten die het heelal regeren. Daarmee kunnen we een goede inschatting maken van wat zich tussentijds moet hebben afgespeeld.”

In rap tempo geeft hij een samenvatting van de gebeurtenissen na de oerknal: „Na het vrijkomen van de kosmische achtergrondstraling bleef het heelal uitdijen, en wanneer een gas uitdijt, koelt het af. Het heelal was toen donker: er waren nog geen sterren, alleen waterstofgas en een beetje helium.”

„Maar dan komt de zwaartekracht in actie. Die versterkt dichtheidsfluctuaties in het gas: plekken waar meer gas zit oefenen een grotere aantrekkingskracht uit, waardoor zich daar nog meer gas verzamelt. Zo ontstonden, in ruwweg een miljard jaar, de eerste sterren en sterrenstelsels.”

Radioastronomen proberen door te dringen tot de periode dat er nog geen sterren waren

Astronomen proberen deze cruciale periode van twee kanten te benaderen, bijvoorbeeld door met telescopen de verre sterrenstelsels op te sporen. Radioastronomen beginnen aan de andere kant: zij proberen door te dringen tot de periode dat er nog geen sterren bestonden. „In dat opzicht is de radioastronomie uniek”, zegt Vedantham. „Want zolang er geen sterren zijn, valt er met een optische telescoop weinig te zien.”

Radioastronomen hebben het geluk dat neutraal waterstofgas van nature radiostraling met een golflengte van 21 centimeter uitzendt. Door die straling in kaart te brengen, kunnen ze zien wat zich in het vroege heelal heeft afgespeeld. „Deze straling is extreem zwak”, benadrukt Vedantham. „Zo zwak dat we het verre gas met LOFAR waarschijnlijk niet in beeld kunnen brengen.”

Veel gemakkelijker

„Wat we mogelijk wél al kunnen vaststellen is of het signaal ervan textuur vertoont. Dat komt doordat het waterstofgas door de straling van de eerste sterren plaatselijk geïoniseerd raakte, en daardoor geen 21-cm-straling meer uitzond. Dat zou al veel astrofysische informatie opleveren – bijvoorbeeld hoe groot de bellen van geïoniseerd gas waren. Maar zover zijn we nog niet.”

Als ik vraag of SKA zijn leven veel gemakkelijker zal gaan maken, schiet Vedantham in de lach: „Wat we nu doen zal in elk geval veel sneller gaan, maar ook met SKA zullen we weer het onderste uit de kan proberen te halen. Daarmee maken we het onszelf niet gemakkelijk, maar interessant wordt het zeker.”

Vedantham heeft goede hoop dat het met SKA straks zal lukken om de ionisatie van het verre waterstofgas ook echt in beeld te brengen.

Bekijk een ‘radiofoto’: Helse blik op het hart van de Melkweg