De nieuwe ogen van de sterrenkunde

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.

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 250^ste deel van de dikte van een haar.

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 ionen. 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.

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.

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.”