Je leest:

Onthullende straling

Onthullende straling

Auteur: | 10 april 2004

Tot vorig jaar stond de grootste radio-astronomieschotel in Duitsland. Nu staat er aan de andere kant van de Atlantische Oceaan eentje met een twee meter grotere diameter. Voor radioastronomen in Bonn vormt dat een gezonde competitie die ze graag aangaan. Hun ‘oude dame’ levert al dertig jaar steeds mooiere beelden.

Sterren stralen boven Bonn. De Grote Beer laat zich zien. De radioastronomen van het Max Planck-instituut voor Radioastronomie hebben daar nauwelijks oog voor. Slechts een enkeling kan me glimlachend nog meer sterrenbeelden en sterren aanwijzen. Hun aandacht gaat uit naar objecten die veel verder weg in het heelal liggen. Met de radiotelescoop van Effelsberg, enkele tientallen kilometers buiten Bonn, bestuderen ze het centrum van de Melkweg, verre pulsars en de vroege fasen van het heelal.

Dalkom. De Duitse radiotelescoopschotel staat inmiddels dertig jaar in een dalkom nabij het plaatsje Effelsberg in de Eifel.

Halverwege de jaren zestig mochten Duitse wetenschappers weer radioastronomie gaan bedrijven. Na de Tweede Wereldoorlog was dat verboden, omdat radartechnologie en de technieken voor radioastronomie zeer op elkaar aansluiten. In Bonn kwam het Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Vlot daarop begon, met steun van het bedrijfsleven, de bouw van een radiotelescoop in de Eifel. Bij Effelsberg verrees in een dalkom een schotel met een doorsnede van honderd meter. Dertig jaar later is deze schotel nog steeds een paradepaardje. De mensen die vanaf begin jaren zeventig nauw betrokken waren bij deze telescoop en de radioastronomie, nemen langzamerhand afscheid. Een nieuwe generatie astronomen gaat aan de slag. Straling uit het wereldruim onthult aan astrofysici de evolutie van het heelal. Het is niet enkel zichtbaar licht dat kosmische gebeurtenissen verraadt. Integendeel, vele andere typen straling vertellen van opwarmend stof als een nieuwe ster ontstaat tot de hevige energiestoten die vergelegen pulsars afvuren. En dan is daar nog de straling die getuigt van het prille begin, de achtergrondstraling van de Oerknal. Vanuit het oorspronkelijke doelgebied, de radioastronomie, is de interesse van de Bonner astronomen verschoven naar steeds kortere golflengten. Radar, radiostraling en millimeterstraling liggen qua techniek dicht bij elkaar. Steeds modernere detectoren aangebracht in de witte schotel in de Eifel nemen bij alsmaar kortere golflengten de straling uit het heelal waar. Trots toont directeur prof dr Wielebinski me opnamen van de Melkweg die deze ontwikkelingen illustreren. De laatste opname maakte de schotel in Effelsberg bij een golflengte van zeven millimeter. Daarvan had in 1966 niemand durven dromen. Ondertussen werkt Wielebinski met zijn team aan metingen bij drie millimeter.

Intermezzo

Technische gegevens

Diameter van reflector 100 meter Antenneoppervlak 7850 m2 Aantal panelen 2352 Oppervlaktenauwkeurigheid < 0,5 mm Oplossend vermogen: Bij 21 centimeter golflengte 9,4 boogminuten Bij 3,5 millimeter golflengte 10 boogseconden Totaalgewicht 3200 ton Maximale rotatiesnelheid 32º per minuut Rotatiebereik 480º Vermogen van zestien rotatiemotoren Elk 10,2 kilowatt Kantelbereik 7º tot 94º Maximale kantelsnelheid 16º per minuut Vermogen van vier kantelmotoren Elk 17,5 kilowatt

Hoger, verder, groter

De radiotelescoop in Effelsberg is een van de twee grootste radioschotels ter wereld. De wereldrecordhouder staat sinds vorig jaar aan de andere kant van de Atlantische Oceaan, de New Green Bank Telescope. Die overtreft de diameter van de oude Duitse dame met twee meter. Niettemin zou de moderne constructie van de Amerikaanse telescoop enige problemen geven bij opnamen – de Duitse radiotelescoop levert daarom nog steeds kwalitatief de beste beelden, daarvan zijn ze in Bonn overtuigd. Dan is er nog de enorme telescoop in Arecibo, Puerto Rico: een dalkom die is omgetoverd in een schotelvorm met een diameter van driehonderd meter. Maar die kun je natuurlijk moeilijk richten. De wereldwijd verspreide astronomische instituten werken veel samen. Regelmatig komen buitenlandse astronomen naar Effelsberg voor metingen, en gaan de radioastronomen vanuit Bonn naar andere instituten. Het voordeel van de telescoop in de Eifel is dat die in een dalkom staat. Een van de Duitse astronomen vertelt van zijn werkbezoek aan Australië. “In tegenstelling tot de radiotelescoop hier, stond de schotel daar niet zo beschut opgesteld. Elke avond tussen half tien en half elf kregen we een stoorsignaal. We hebben dagenlang van alles gecheckt, maar met de telescoop was niets mis. Uiteindelijk bracht een blik op de lokale tv-gids uitsluitsel. Als de tv-programma’s voorbij waren, gingen mensen in de nabije stad massaal voor het slapen gaan nog even een snack opwarmen in de magnetron, en dat leverde een stevig radiosignaal op”. De moderne communicatie- en energietechnieken maken het de astronomen inderdaad niet gemakkelijk. Als buiten de poort iemand met een handy belt, steekt in de besturingsruimte plotsklaps een stevig signaal rond 900 MHz boven de ruis op het beeldscherm uit. Een gsm als pseudo-ster.

Een regelmatig piepje

De elektromotoren beginnen te draaien. Binnen enkele minuten kantelt het grote gevaarte in de rustpositie, waarbij de schotel naar de horizon wijst. De lift brengt ons naar vijftig meter hoogte. Te hoog, voor iemand met hoogtevrees. Voor het onderhoud en eventueel verwisselen van detectoren moeten de astronomen over een stevig tralierooster, met balustrade, naar het hart van de schotel wandelen. In dertig jaar hebben ze daar steeds verfijndere detectoren aangebracht. De schotel is hagelwit geschilderd. Per jaar gaat er zeshonderd liter verf doorheen, een titaanoxideverf. De witte verf weerkaatst het zonlicht. De vrijwel perfecte paraboolvorm mag niet teveel door temperatuurverschillen in de constructie ongedaan worden gemaakt. Wielebinski vertelt trots over de aanpak van de ontwerpers in de jaren zestig: “Toen hadden ze nog geen computers zoals nu. Een Chef-Ingenieur van Krupp loste het op met een handige benadering. Dat heeft onze Effelberger telescoop nu voor op die andere grote, in de VS. Bij de verbuiging van onze schotel door een andere stand ontstaat toch steeds weer een parabool.” Wielebinski laat de schotel draaien in de richting van een paar bekende coördinaten. Pulsars vormen een van de intrigerendste typen objecten in de ruimte. Als de schotel na enkele minuten in de juiste richting wijst, klinkt uit de luidsprekers met uitzonderlijke regelmaat een piepje. De pulsar, op vele lichtjaren afstand, fungeert als een vuurtoren. Hij zendt twee bundels radiostraling uit, waarvan een de Aarde – en daarmee de telescoop van Effelsberg – treft. Tientallen pulsars zijn inmiddels in kaart gebracht. Stuk voor stuk blijken ze nog nauwkeuriger dan de meest precieze atoomklok op Aarde. Ze vormen een van de speerpunten in het onderzoek in Bonn.

Zuurstofapparaat

Gepland Chileens schotelwoud. Op een hoogvlakte in Chili staat een enorme verzameling van radioschotels gepland. De Duitse astronomen willen tweehonderd meter hoger, langs de rand van de vlakte, de submillimetertelescoop Apex plaatsen.

In het bezoekerscentrum dat uitkijkt op de radiotelescoop krijgen belangstellenden voorlichting over de radiotelescoop en de astronomie. Rolf Güsten toont enthousiast enkele dia’s die hij in Chili nam. Daar werken astronomen uit de VS en Europa, waaronder uit Groningen, samen aan een nieuwe radiotelescoop, de Alma (Altacama Large Millimeter Array). Deze moet verrijzen op een hoogvlakte, vijfduizend meter boven de zeespiegel. Alma zal bestaan uit 64 antennes, elk met een doorsnede van twaalf meter, die verplaatsbaar zijn op afstanden van honderdvijftig meter tot tien kilometer. De telescoop zal meten bij 60 tot 900 gigahertz, ofwel de radiogolven met golflengten van vijf tot drietiende millimeter. Door de grote hoogte en overwegende droge lucht zal de nieuwe radiotelescoop daar ongekend precieze beelden kunnen maken bij negen golflengtebanden die de atmosfeer kunnen passeren. “Het is wel wennen, werken op zo’n hoogte”, vertelt Güsten. “Het is zo hoog, dat er te weinig zuurstof in de lucht zit. Niettemin moeten we toch helder kunnen nadenken, dus moeten we daar een zuurstofapparaat bij ons dragen.” Het Max-Planck-instituut voor radioastronomie neemt voor de helft deel aan een tweede telescoop, Apex, die nabij Alma bovenop een berghelling langs de hoogvlakte moet komen. De Europese sterrenwacht ESO en het Onsala Space Observatory zijn de andere partij. Apex zal tweehonderd meter boven Alma uittorenen. Güsten: “Eind 2002 moet hij klaar zijn. Apex helpt niet alleen bij het richten van de grote radiotelescoop. Bovenal moet hij in het submillimeterbereik nieuwe informatie verzamelen over het centrum van de Melkweg, het meest nabije actieve sterrenstelsel – Centaurus A – en de Magelhaense wolken.”

Gehele wereldbol als radiotelescoop

Terwijl radiotelescopen in de Eifel, in Chili en straks ook die in de ruimte informatie verzamelen voor de astronomen, gaat het werk in het instituut in de stad verder. Voor de samenwerking met andere aardgebonden telescopen draait daar in de kelders de correlator, model Mark IV. Deze supercomputer koppelt de meetgegevens van verschillende radiotelescopen. Slechts in drie andere astronomische laboratoria bevinden zich correlators met een vergelijkbare kwaliteit. De correlator krijgt de gegevens binnen op magnetische tapes. Langs een complete wand staan de op elkaar gestapelde witte kasten waarin tapes lustig in het rond draaien. Die leveren 128 of 256 megabyte per seconde aan informatie. De gegevens omvatten naast de meetwaarden ook de positie van de betreffende telescoop, de stand van die telescoop en het tijdstip waarop de data zijn vergaard. De correlator verzamelt de gegevensstromen en construeert daarmee een gezamenlijke opname. Bij de berekening houdt hij er ook rekening mee dat de afstand die de radiostraling door de atmosfeer heeft afgelegd, varieert per telescoop. De techniek staat bekend als Very Large Baseline Interferometry (VLBI). Hoe meer telescopen meedoen en hoe verder die uit elkaar staan, des te beter het resultaat. Het is alsof een gigantische radiotelescoop, die wel de gehele wereldbol kan omvatten, in het heelal blikt. Door de enorme resolutie van de opnamen, kunnen de radioastronomen daarmee ver in het verleden kijken, richting Oerknal, of naar vergelegen, sterk stralende quasars. Ook bestaan er plannen voor samenwerkende radioastronomische satellieten. “Onze honderdmetertelescoop is een van de gevoeligste interferometerelementen”, vertelt dr Anton Zensus, een van de jonge directeuren. “Sinds 1973 hebben we hem al met andere telescopen laten samenwerken in VLBI-projecten”. Dr Heino Falcke, die de actieve kernen van sterrenstelsels bestudeert, voegt daaraan enthousiast toe: “Met VLBI kunnen we vanuit Bonn een erwt in New York zien, als die straalt met een vermogen van een milliwatt”. De grote telescoop vormt een belangrijk onderdeel van diverse samenwerkingsverbanden met andere radiotelescopen, waaronder het Europese netwerk, European VLBI Network, waarvan bijvoorbeeld ook de radiotelescoop in Dwingeloo deel uitmaakt. Naast het gebouw verrijst een nieuwe vleugel. Daarbinnen werken onderzoekers aan nieuwe technieken voor gegevenstransport, met name voor de metingen in het submillimetergebied, bijvoorbeeld voor de toekomstige vliegende submillimetertelescoop Sofia (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). Opgetogen laat Rolf Güsten de opstelling zien. De internationale concurrentie is sterk. Een week eerder hebben ze in het laboratorium gelukkig het principe aangetoond. De bedoeling is dat signalen met hoge frequenties worden omgezet naar een lagere frequentie. Op de trillingsvrije tafel staan twee lasers met verschillende frequenties. De lichtstralen komen samen in een glasvezel en bereiken dan een fotomixer, een halfgeleiderelement bestaande uit een indiumgalliumarseenlegering. De twee laserkleuren interfereren, waarbij een signaal ontstaat met een omhulling die gelijk is aan het frequentieverschil van de twee oorspronkelijke signalen. Een antenne zendt vervolgens dat signaal bij lagere frequentie uit.

Bolometers

Indirect meten. Een bolometer-array moet in toekomstige projecten indirect de straling meten die uit het heelal komt. In de diverse hoorntjes meet een sterk afgekoelde sensor bij stralingsabsorptie vrijkomende warmte.

Ook in de oudere delen van het instituut werken fysici aan nieuwe meetapparatuur. Hier gebouwde infrarooddetectoren, in vacuüm camerahuizen gekoeld met vloeibare stikstof, moeten over enkele jaren bijvoorbeeld in de VLTI-telescoop van de ESO in Chili metingen in het infraroodgebied mogelijk maken. Technisch gezien maakt de kleinere golflengte het de ontwikkelaars moeilijk. Radiostraling, waarmee het instituut destijds begon, is gemakkelijker. Dr Ernst Kreysa bouwt bolometers. Zijn onderzoeksgroep staat internationaal in hoog aanzien. Bolometers meten niet de straling zelf, maar de bij absorptie van de straling ontstane warmte-energie. Inmiddels heeft Kreysa een array van 117 bolometers gefabriceerd, die straling bij een frequentie van 250 gigahertz (ongeveer een millimeter) kan meten. Technisch gezien was dat al een wereldprestatie. Het systeem (bestaande uit niet alleen bolometer, maar ook cryostaat, filter, voorversterker en elektronica) moet werken bij een temperatuur van driehonderd millikelvin. Voor de Apex-telescoop werkt Kreysa nu aan een array met maar liefst duizend bolometers. De technieken op het verlanglijstje van de astronomen zijn echter niet alleen ultragevoelige detectoren en versterkers. Wielebinski: “Na dertig jaar zijn de 17,3 kilonewton-motoren die de witte schotel laten ronddraaien op zijn plateau hoognodig aan vervanging toe. Dat hopen we nu snel voor elkaar te krijgen.”

Telescopen vangen straling

Telescopen in de ruimte en op aarde met de elektromagnetische straling die zij kunen detecteren

Voor de beelden die telescopen maken, zijn de golflengte (of frequentie) en de resolutie van belang. De haalbare resolutie hangt af van de golflengte. De radiotelescoop in Effelberg kon in de loop der jaren bij de verschuiving van de metingen naar kleinere golflengten alsmaar scherpere opnamen kon maken. Een compleet gamma aan telescopen bekijkt de elektromagnetische straling die de Aarde bereikt. Niet alle straling passeert de dampkring, en de dampkring kan bovendien door turbulentie en gelaagdheid de straling verstoren. Telescopen in de ruimte hebben daar geen last van. Ze mogen echter niet te groot zijn. De telescopen op Aarde maken daarom soms veel scherpere beelden dan de ruimtetelescopen. Met interferometrie, een techniek waarbij signalen van diverse schotels of telescopen worden samengevoegd, weten astronomen eveneens een stap naar een betere resolutie te maken. Dat geldt bijvoorbeeld voor de Very Large Telescope van de ESO. De beeldinformatie van vier telescopen moet samen een nog scherper beeld geven (VLTI). Samenwerken gaat ook zeer goed met radioastronomie. Zo bestaan de radiotelescopen van Dwingeloo en de Very Large Array in New Mexico uit diverse schotels. De toekomstige projecten SKA en ALMA zijn eveneens lokale verzamelingen van schotels, die een flinke verbetering van de waarneemcapaciteit moeten opleveren. Een grote sprong bereikt men vervolgens met de Very Large Baseline Interferometry. Daarbij verwerken centrale computers (correlators) de waarnemingen van over een continent of zelfs de hele wereld verspreide telescopen die straling met golflengten van enkele centimeters of enkele millimeters waarnemen. Een nog betere resolutie zal straks space-VLBI opleveren. Daarbij verzamelen radioschotels aan boord van een satelliet de meetsignalen voor de sterrenkundigen. De sterrenkundigen in Bonn weten zeker dat ze dan aan de kern van de Melkweg informatie kunnen ontfutselen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

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.