12 juli 2017

De bouw van de European Extremely Large Telescope (E-ELT) is officieel begonnen: de eerste steen van de 85 meter grote roterende koepel is gelegd in Chili. Tegelijkertijd kwam er bericht uit Duitsland, waar de 4,2 meter grote ‘secundaire spiegel’ van de E-ELT succesvol werd gegoten. In 2024 moet de telescoop af zijn. Welke ‘concurrenten’ heeft deze reuzentelescoop en wat gaan ze zien?

Je leest:

De nieuwe ogen van de sterrenkunde

De nieuwe ogen van de sterrenkunde

Drie nieuwe telescopen kijken dieper dan ooit het universum in

Auteur: | 3 augustus 2016

Drie reuzentelescopen die momenteel verrijzen, overtreffen de huidige kijkers verreweg wat betreft gevoeligheid. Het wordt daardoor mogelijk om exoplaneten direct te zien en naburige sterrenstelsels tot in detail te bekijken. NEMO Kennislink spreekt met een Nederlandse ingenieur van de Thirty Meter Telescope, een van de nieuwe meesters van de nachthemel.

Astronomen schuwen geen superlatieven om hun toekomstige ‘speelgoed’ te beschrijven. Neem de Giant Magellan Telescope (gigantische Magelhaense telescoop) of de European Extremely Large Telescope (Europese extreem grote telescoop). Eigenlijk beschrijft alleen de naam van de Thirty Meter Telescope zonder opsmuk waar het om gaat: een telescoop met een hoofdspiegel van dertig meter in diameter. En ja, ook dat mag best extreem of gigantisch groot genoemd worden.

Groter is nu eenmaal beter in de wereld van telescopen. ‘Kijkers’ met een grotere hoofdspiegel zien meer: de resolutie neemt toe, waardoor er meer details zichtbaar zijn, maar ook het vermogen om zwakke objecten waar te nemen is groter, zodat ze verder dan ooit het universum in turen.

Compilatie
Verschillende beelden van de Very Large Telescope, een van de grootste bestaande telescopen. We zien (met de klok mee) Jupiter, de Sombreronevel, een stofring om een ster en de eerste direct opname van een exoplaneet.
ESO & L. Fletcher/ESO/ESO & J. L. Beuzit et al. & SPHERE Consortium/ ESO

Wetenschappers verwachten met de volgende generatie telescopen onder andere direct exoplaneten – planeten rondom andere sterren – te zien, en misschien zelfs de samenstelling van hun atmosfeer te bepalen. Ook is het mogelijk om sterrenstelsels die relatief dichtbij zijn in detail onder de loep te nemen. Uit bijvoorbeeld de verdeling van sterren bepalen onderzoekers dan de evolutie van die stelsels. Verder kijken ze veel dieper het universum in naar extreem zwakke objecten. Zo wordt meer duidelijk over de vroege processen die het universum vormgaven.

De telescopen zijn over ongeveer tien jaar af en de voorbereidingen zijn momenteel in volle gang. Locaties worden bouwrijp gemaakt en de spiegels geslepen. Maar dat wil nog niet zeggen dat het vanaf nu een routineklus is. NEMO Kennislink zoomt in op de uitdagingen.

Eso1225c 1
ESO/L. Calçada

European Extremely Large Telescope

De European Extremely Large Telescope (E-ELT) wordt door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht ESO gebouwd en heeft van de nieuwe generatie telescopen de grootste spiegeldiameter. De hoofdspiegel bestaat uit 800 zeshoekige spiegeldelen.

Geplande voltooiing: 2024 Diameter hoofdspiegel: 39,3 meter Locatie: Noord-Chili Bouwkosten: 1,055 miljard euro

Priegelen op de nanometer

Ten eerste stelt de bouw van een supertelescoop de ingenieurs op de proef. Om de ongekende beeldkwaliteit en precisie te halen, zetten ze ook de telescoop met een buitengewone precisie in elkaar. Fred Kamphues, die als ingenieur betrokken is bij het ontwerpen en testen van de spiegelsegmenten van de Thirty Meter Telescope, zegt dat de hoofdspiegel over de hele breedte van dertig meter niet meer mag afwijken dan tweehonderd Nanometer van de theoretisch ideale vorm van een parabool. Dat is een 250ste deel van de dikte van een haar.

Tmt fredkamphues 16fkc09860crop %281%29
Fred Kamphues bij een 1,4 meter groot spiegeldeel van de Thirty Meter Telescope. De hoofdspiegel bestaat uit 492 van deze delen.
TMT/F. Kamphues

Het gewicht van de spiegel en de constructie zelf wordt bij deze precisie een probleem. Doorbuigingen als gevolg van de zwaartekracht, hoe minimaal ook, zorgen al voor verstoringen. Zelfs een verschil van een paar gram vervormt het beeld. Specialisten slijpen het spiegeldeel daarom pas in de definitieve vorm bij het plaatsen op de montering van 27 dunne staafjes. Dat gebeurt met een bundel van hoogenergetische Ion . Het vervolgens testen en perfect laten aansluiten van de bijna vijfhonderd zeshoekige spiegels is een enorme krachttoer.

Omdat de spiegel continu beweegt en onder een andere hoek naar de hemel kijkt, moeten bovendien vervormingen te lijf worden gegaan die ontstaan door de verplaatsing van gewicht. Daarvoor zijn zo’n tienduizend motortjes aan de achterkant van de hoofdspiegel verantwoordelijk. Zij drukken de spiegeldelen onder elke telescoophoek in de juiste vorm, tot op tien nanometer precies. Via een vergelijkbaar systeem op een van de andere spiegels in de telescoop worden verstoringen van de aardatmosfeer te lijf te gaan. Een sterke laser licht de atmosfeer boven de telescoop door en bepaalt de turbulentie in de luchtlagen. Door de vorm van de spiegel razendsnel aan te passen heft de telescoop die verstoringen op en creëert een veel scherper beeld dan anders mogelijk is.

Giant magellan telescope   artist's concept
Giant Magellan Telescope – GMTO Corporation

Giant Magellan Telescope

De Giant Magellan Telescope (GMT) is wat betreft zijn afmeting de kleinste van de drie nieuwe supertelescopen. De hoofdspiegel bestaat uit zeven ronde spiegels, ieder met een diameter van 8,4 meter. Verantwoordelijk zijn onderzoeksinstituten en universiteiten uit Australië, Brazilië, Chili, Zuid-Korea en de Verenigde Staten.

Geplande voltooiing: 2025 Diameter hoofdspiegel: 24,5 meter Locatie: Noord-Chili Bouwkosten: ongeveer 1 miljard dollar

Centen

Ook organisatorisch en financieel gezien zijn de nieuwe telescopen uitdagend. Kamphues durft zelfs te beweren dat dit het moeilijkste onderdeel is, want waar haal je de financiering van ruwweg een miljard euro vandaan? “Eigenlijk heeft geen van de projecten de financiering al helemaal rond”, zegt Kamphues. “Bij de E-ELT ziet het er allemaal wel gezond uit, met landen als Polen en Australië die graag willen instappen met bijdragen. Bij GMT en TMT gaat het wat moeizamer, maar ik zie progressie. Als je uiteindelijk een locatie op een berg hebt met het begin van een constructie dan zijn partners eerder bereid om een deel van de telescoop te financieren. De technische ontwikkeling van de TMT gaat overigens gewoon door.”

Hubble slideshow
De bouwkosten van de Hubble-ruimtetelescoop bedroegen uiteindelijk 2,5 miljard dollar.
NASA

Kamphues zegt ook dat de samenwerking tussen landen in een project soms lastig is. In het geval van de TMT leveren verschillende partnerlanden onderdelen. Uit India komen onder andere spiegelondersteuningen en software, Japan levert het glas voor de hoofdspiegel, de Verenigde Staten zijn verantwoordelijk voor de uiteindelijke vorm van de spiegel, China maakt de lasers van de telescoop en Canada bouwt de koepel. Alle onderdelen moeten aan strenge kwaliteitseisen voldoen én perfect op elkaar passen. “Je bouwt eigenlijk één extreem complex apparaat op twee continenten, alleen al wat betreft tijdzones is dat lastig”, zegt Kamphues. Verder is het ‘ervaringsverschil’ groot, terwijl in Amerika en Japan veel ervaring is met het bouwen van grote telescopen is dit voor China en India relatief nieuw.

Top view of tmt complex
Impressie van de TMT.
Courtesy TMT International Observatory

Thirty Meter Telescope

De Thirty Meter Telescope (TMT) is een samenwerkingproject van China, India, Japan en de Verenigde Staten. De TMT heeft een hoofdspiegel die bestaat uit 492 zeshoekige segmenten. Volgens de makers is het optische design van de telescoop het simpelst en heeft hij met maximaal tien minuten de minste tijd nodig om op plotselinge gebeurtenissen aan de nachthemel te reageren. Het afgelopen jaar kwam de TMT vooral in het nieuws omdat protesten van bewoners ervoor zorgde dat de bouwvergunning voor Mauna Kea (Hawaï) werd ingetrokken.

Geplande voltooiing: 2024 Diameter hoofdspiegel: 30 meter Locatie: Hawaï, maar bouwvergunning is ingetrokken Bouwkosten: 1,4 miljard dollar

Van de berg af

Tot slot levert ook de plek hoofdbrekens op. De locaties van de E-ELT en GMT (beide in Chili) zijn klaar voor de bouw. Maar zo eenvoudig verloopt het niet voor TMT. Dat werd duidelijk tijdens het officiële startschot van de bouw in oktober 2014. Die (ceremoniële) bijeenkomst werd verstoord door protesten van de lokale bevolking. Ze vonden dat er – naast de tientallen telescopen die er al staan – niet nóg een grote telescoop mocht komen op de voor hen heilige berg Mauna Kea.

Desondanks startte in april 2015 de bouw van de telescoop, wederom vergezeld door protesten van locals. Uiteindelijk begon ook de gouverneur van Hawaï vragen te stellen over de in 2014 verleende vergunning. Het hooggerechtshof van de Verenigde Staten besloot niet lang daarna dat de aanbestedingsprocedure voor de TMT opnieuw moest.

Subaru  keck and irtf
Zicht op Manau Kea met (van links naar rechts) Subaru-, Keck- en IRTF-telescoop.

Wat doe je dan? Zoek je een andere plek? Een telescoop van dit formaat zet je niet zomaar ergens neer. Het liefst plaats je deze zo hoog mogelijk op een berg waardoor je door slechts een deel van de atmosfeer heen hoeft te kijken. Die zorgt met turbulente koude en warme luchtlagen dat het zicht op de sterren vertroebelt (dit is ook de reden dat sterren fonkelen). Op een hoogte van vier kilometer heb je al bijna veertig procent van de atmosfeer onder je gelaten.

Ook moet het er donker zijn. Het dichtbevolkte en doorgaans goed verlichte Nederland is wat dat betreft een van de slechtste plekken ter wereld om (in het zichtbare spectrum) sterren te kijken. Tot slot wil je zo min mogelijk dagen bewolking hebben (ook wat dat betreft is Nederland niet goed). Daarom staan veel reuzentelescopen de hoge en kurkdroge Atacama-woestijn in het noorden van Chili of hoog op vulkanen in Hawaï of de Canarische Eilanden.

Waar de TMT uiteindelijk terecht komt is de vraag. Kamphues vermoedt dat er ondanks verwoede pogingen bij de aanbesteding toch nog te weinig is geluisterd naar de wensen van de lokale bevolking. “Wij willen als bouwers van de TMT graag in gesprek met ze, maar er lijken tegenstanders te zijn die niet geïnteresseerd zijn in een compromis”, zegt hij. “Mauna Kea is nog steeds onze eerste keuze, maar er wordt nu ook gekeken naar een alternatieve plek. Voor de hand liggen Chili of op La Palma, maar het kan ook in het noorden van Mexico zijn, of in de Himalaya. Hoe dan ook weet ik zeker dat het gaat lukken.”

Keckobservatory20071013
De hoofdspiegel van een van de twee Keck-telescopen. 36 zeshoekige spiegelelementen hebben samen een diameter van 10 meter.
SiOwl via CC BY 3.0

Spiegel in stukken

Al sinds Galileo Galilei de in Nederland uitgevonden telescoop op de nachthemel richtte aan het begin van de zeventiende eeuw zijn telescopen groter geworden. Zo zijn we inmiddels uitgekomen bij de Very Large Telescope die vier gekoppelde spiegels met een diameter van 8,2 meter heeft. Maar het was onder andere door de sterk toenemende gewichten van de spiegels tot ruim twintig jaar geleden helemaal niet zeker of we überhaupt nóg grotere telescopen konden bouwen.

Al in de jaren zeventig dacht men na over telescopen met een spiegeldiameter van pakweg tien meter. Bijvoorbeeld bij de in de Verenigde Staten voorgestelde opvolger van de Hale Telescope. De eigenwijze ingenieur Jerry Nelson had een oplossing voor het ‘doorzakken’ van de hoofdspiegel. Dat gebeurt als gevolg van het grote gewicht van de spiegel en het draaien van de telescoop. Het maakt waarnemingen waardeloos. Waarom bouwden ze geen grote spiegel uit tientallen kleinere en dunnere spiegels? Daarmee kon het gewicht in theorie flink omlaag.

“Iedereen verklaarde hem voor gek”, zegt Fred Kamphues, die als ingenieur betrokken is bij het ontwerpen en testen van de spiegelsegmenten van de Thirty Meter Telescope. “Terwijl vergelijkbare projecten stuk voor stuk kozen voor hoofdspiegels uit één stuk, was hij eigenlijk stronteigenwijs en heeft zijn ontwerp met verschillende spiegelsegementen doorgezet.”

Uiteindelijk werd het project waaraan hij werkte de Keck-telescoop, met de eerste en nu nog een van de grootste gesegmenteerde spiegels ter wereld. Dit observatorium op Hawaï werkt nog steeds prima, en alle nieuwe grote telescopen borduren voort op het concept van een grote spiegel in stukken.

Comparison optical telescope primary mirrors.svg
De hoofdspiegels van de grootste telescopen. Rechts telescopen in aanbouw zoals de Thirty Meter Telescope (rechtsboven, blauw), de European Extremely Large Telescope (rechtsmidden, groen) en de Giant Magellan Telescope (middenonder, groen). Links bestaande telescopen zoals Keck, VLT en Hubble. De witte ring op de achtergrond is de geannuleerd Overwhelmingly Large Telescope. Linksonder ter vergelijking een tennisveld.
Cmglee via CC BY-SA 3.0
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 augustus 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.