Je leest:

Op de oevers van het heelal

Op de oevers van het heelal

Auteur: | 22 september 2007

Hoog in de Andes bouwen Eruopa, de Verenigde Staten en Japan ’s werelds grootste observatorium. De 66 schotels van ALMA, met in Nederland gebouwde ontvangers, moeten de geboorte van sterren en planeten gaan ontraadselen.

Het sneeuwt op de Llano de Chajnantor. Het bezoek aan de hoogvlakte, vijf kilometer boven zeeniveau, heeft veel weg van een poolexpeditie. Kapotte lippen, tranende ogen, bevroren oren. De koude, grijze wolken hangen laag en ontnemen het zicht op de nabijgelegen vulkanen Cerro Toco en Licancabur. Elke beweging kost moeite; zuurstofgebrek veroorzaakt hoofdpijn en tintelende vingers. De gelijkenis met de gelikte artist impressions van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht is ver te zoeken.

Impressie van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA), bestaande uit 64 met elkaar verbonden schotels van 12 meter doorsnede.

Toch verrijst hier volgens radioastronoom Tony Beasley ‘het grootste sterrenkundige observatorium in de geschiedenis’. De zesenzestig enorme schotelantennes van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) vangen straks hoogfrequente radiostraling op uit de kosmos. Een kolossaal transportvoertuig verplaatst de antennes over een gebied zo groot als Texel. Schoteloppervlakken gladder dan gepolijst staal; onderlinge posities nauwkeurig tot op een millimeter. Tientallen kilometers glasvezel en een supercomputer voor de signaalverwerking. ALMA (Spaans voor ‘ziel’) is één grote verzameling superlatieven. Over vijf jaar is het observatorium klaar, zegt constructiemanager Beasley.

Millimeterstraling uit het heelal dringt niet door tot op zeeniveau. Waterdamp in de atmosfeer houdt de kortgolvige radiostraling tegen. Daarom moet ALMA op vijfduizend meter hoogte worden gebouwd, aan de rand van de ruimte. Op de Chajnantor-hoogvlakte in het Andesgebergte, vlakbij het drielandenpunt van Chili, Argentinië en Bolivia, is het negen maanden per jaar kurkdroog. Bewolking en jachtsneeuw zijn uitzonderlijk. Een betere plek is nauwelijks denkbaar. Antarctica misschien, maar dat is wel héél ver bij de bewoonde wereld vandaan.

Dan liever Noord-Chili. San Pedro de Atacama, op 2400 meter hoogte, is een gemakkelijk bereikbare oase van rust in een bizar landschap van uitgestrekte zoutvlaktes en grillige rotsformaties. Een lome pleisterplaats van backpackers en thrill seekers, met stoffige zandstraatjes en luierende honden. Even buiten het stadje, op de flanken van de Altiplano en met uitzicht op de bergtoppen die de Chajnantor-vlakte omringen, verrees de afgelopen jaren de basis van het internationale ALMA-project. Woningen, kantoren, assemblagehallen – een compleet dorp van een paar honderd bouwvakkers, technici en astronomen.

In een kleine EHBO-post krijgen bezoekers van de high site eerst een medische check-up. Hartslag, bloeddruk, zuurstofgehalte in het bloed – wie buiten de norm valt mag niet naar boven, of alleen met extra zuurstof. Op vijf kilometer hoogte is de lucht twee maal zo ijl als op zeeniveau, en moet je lichaam met de helft van de normale hoeveelheid zuurstof toe. Gevolg: ademhalingsproblemen, hoofdpijn, duizeligheid, concentratieverlies, apathie, afnemend gezichtsvermogen. Niet zo gek dat de controlekamer van ALMA hier in de Operations Support Facility komt, op een hoogte van ‘slechts’ drieduizend meter, ‘waar je nog normaal kunt denken,’ aldus de Leidse astronoom Ewine van Dishoeck, die lid is van de wetenschappelijke adviescommissie van ALMA.

Vanuit het ALMA-dorp is een veertig kilometer lange halfverharde weg aangelegd naar Chajnantor. Vanaf najaar 2008 worden hierlangs de zesenzestig schotelantennes naar boven vervoerd. Op de hoogvlakte zelf – tot voor kort alleen bereikbaar met een four wheel drive vanaf de Camino de Paso de Jama – komt ook nog eens tachtig kilometer wegennet, voor het regelmatig verrijden en verplaatsen van de honderd ton zware antennes. De eerste vier antennes – één Amerikaanse en drie Japanse – zijn al grotendeels geassembleerd; het eerste Europese exemplaar komt eind dit jaar aan in San Pedro.

De ‘ALMA Road’ voert door drie verschillende klimaatzones, elk met hun eigen kwetsbare ecosysteem. Hier leven, volgens site development manager Claus Dierksmeier, niet alleen gedomesticeerde lama’s en wilde ezels, maar ook vossen en poema’s, andesganzen en aplomadovalken, gehoefde vicuña’s en konijnachtige vizcacha’s. In samenwerking met Chileense biologen worden vier vizcacha-kolonies nauwlettend gemonitord, en zijn tientallen zeldzame Echinopsis-cactussen verplaatst om ruimte te maken voor de nieuwe weg. ‘Dit gebied is eeuwenlang onaangeroerd geweest,’ zegt Dierksmeier. ‘We gaan zo respectvol mogelijk om met flora en fauna.’

En met ‘archeologische’ vondsten. In de diepe, beschutte canyons van de Altiplano bouwden nomadische herders in de loop van de tijd tientallen estancia’s – eenvoudige stenen bouwwerkjes om de koude nacht in door te brengen. De laatste estancia, Barrio geheten, is grotendeels gereconstrueerd, in nauw overleg met de bejaarde broers Pedro en Viviano Cruz, die hier tot halverwege de jaren zestig met hun moeder woonden. Zelfs vlak onder de 5500 meter hoge top van Cerro Toco zijn restanten van tijdelijke nederzettingen gevonden.

Op de Llano de Chajnantor doemt het donkere silhouet van een twaalf meter grote schotelantenne op uit de grauwe sneeuwwolken. Het Atacama Pathfinder Experiment (APEX) is hier al een paar jaar in bedrijf. Gebaseerd op het ontwerp van de ALMA-antennes, en bedoeld om ervaring op te doen met millimeterastronomie op vijf kilometer hoogte. Stafastronoom Andreas Lundgren en projectwetenschapper Carlos de Breuck vullen het koelsysteem van de gevoelige APEX-detector met vloeibaar helium en vloeibare stikstof, ook al komt er vandaag niets van waarnemen. ‘We gaan straks weer naar beneden,’ zegt De Breuck, ‘voordat we ingesneeuwd raken.’

Verderop werken Chileense bouwvakkers aan de afwerking van het Technical Building van ALMA, waar in de toekomst de signalen van de afzonderlijke antennes bijeengevoegd worden. Het lege gebouw ruikt naar verf en vers stucwerk; systeemplafonds liggen nog half open, en de vergaderkamer – normaalgesproken met uitzicht op het surrealistische landschap – is leeg. Tijdens de testfase van ALMA werken hier dagelijks tien tot vijftien mensen, zegt opziener Patricio García. Een luchtbehandelingsinstallatie houdt het zuurstofniveau op het peil van drieduizend meter – er moet straks wel logisch nagedacht kunnen worden.

De zesenzestig ALMA-schotels – vijfentwintig uit Amerika, vijfentwintig uit Europa en zestien uit Japan – worden onderling gekoppeld, zodat ze samen even scherp kunnen ‘zien’ als een denkbeeldige supertelescoop met een middellijn van maximaal achttien kilometer. Datzelfde interferometrie-principe wordt ook toegepast bij de radiotelescoop van Westerbork, maar op de korte golflengten van ALMA is het veel moeilijker te realiseren. Daar komt nog bij dat de ALMA-schotels op achtentwintig verschillende manieren verdeeld kunnen worden over 192 funderingen.

Eén miljard voor millimeter-astronomie

De Atacama Large Millimeter Array (ALMA) is een samenwerkingsverband van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), het Amerikaanse National Radio Astronomy Observatory (NRAO) en het National Astronomical Observatory in Japan. Canada, Taiwan en Chili zijn ook partners in het project, dat een prijskaartje van ongeveer één miljard euro heeft.

ALMA wordt gebouwd op de 5000 meter hoge Llano de Chajnantor in het Noord-Chileense Andes-gebergte, aan de rand van de kurkdroge Atacama-woestijn. Het observatorium bestaat uit vijfentwintig Europese en vijfentwintig Amerikaanse schotelantennes, elk met een middellijn van twaalf meter; vier Japanse antennes van twaalf meter, en twaalf antennes van zeven meter in middellijn, eveneens van Japan. De waarnemingen van de verplaatsbare antennes worden bijeengevoegd door een supercomputer die een kleine twintig biljard berekeningen per seconde uitvoert.

In de kantine van de Operations Support Facility schuift constructiemanager Beasley met blikjes frisdrank om de flexibiliteit van het observatorium te demonstreren. Alle blikjes op een hoop betekent alle antennes binnen een cirkel ter grootte van twee voetbalvelden. Cola en Fanta verspreid over het tafelblad betekent een wijde configuratie, met de verste antennes op vijftien kilometer afstand van het centrum. ‘Het werkt als de zoomlens van een camera,’ legt Beasley uit. ‘Staan de antennes dicht bij elkaar, dan zie je een groot gebied aan de hemel, maar met wat minder detail. Staan ze ver uit elkaar, dan kijk je naar een kleiner stukje sterrenhemel, maar wel met een veel hogere beeldscherpte.’

Twee transportvoertuigen (met achtentwintig wielen, afmetingen van tien bij twintig meter en een gewicht van 130 ton) zijn straks dagelijks in bedrijf om de antennes op loopsnelheid van de ene fundering naar de andere te verplaatsen. Bestuurd door Chilenen, die minder snel last hebben van hoogteziekte, misschien wel door het kauwen van coca-bladeren. ‘ALMA groeit en krimpt continu,’ zegt Beasley, ‘als een grote bloem die zich spiraalgewijs opent en weer sluit.’ De twee transportvoertuigen verlaten begin oktober de hangar van Scheuerle Fahrzeugfabrik in Duitsland, en worden dit jaar nog naar San Pedro verscheept.

Extreme omstandigheden, een adembenemend landschap, en de meest geavanceerde high-tech. Maar het draait bij ALMA natuurlijk allemaal om wetenschap. Nooit eerder is kosmische millimeterstraling zo minutieus bestudeerd. Met het nieuwe observatorium hopen astronomen een van hun laatste blinde vlekken weg te poetsen. Bijvoorbeeld op het gebied van de astrochemie. In de ruimte tussen de sterren komen allerlei moleculen voor, waaronder de primitieve bouwstenen van het leven, en de meeste daarvan zijn alleen op millimetergolflengten te identificeren. Op basis van de precisiemetingen van ALMA zijn ook bewegingen en magnetische velden in gas- en stofwolken in kaart te brengen.

Maar ALMA moet vooral de oorsprong van sterrenstelsels, sterren en planeten gaan ontraadselen. Kosmische archeologie gaan bedrijven dus. De enorme gevoeligheid maakt het mogelijk om straling op te vangen van sterrenstelsels op meer dan dertien miljard lichtjaar afstand. Die straling werd uitgezonden toen het heelal nog maar een paar honderd miljoen jaar oud was. Zo hopen sterrenkundigen de ontstaansgeschiedenis van de eerste sterrenstelsels te achterhalen. En dankzij de extreme beeldscherpte van het instrument kan de vorming van planeten bij andere sterren gedetailleerd worden onderzocht.

Om de onzichtbare straling om te zetten in een digitaal signaal voor verdere verwerking en analyse, wordt elke ALMA-antenne uitgerust met diepgekoelde ontvangermodules. Elk frequentiebandje heeft zijn eigen ontvanger; samen bestrijken ze het gebied van 30 gigahertz tot 1 terahertz. De Nederlandse Onderzoeksschool Voor Astronomie (NOVA) tekende eind augustus het contract voor de levering van de ‘band 9-ontvangers’. ‘Daarmee hebben we de moeilijkste band binnengehaald,’ zegt Van Dishoeck in Leiden. ‘Hopelijk gaat die ook de meest interessante resultaten opleveren.’ Prototypen van de band 9-ontvangers zijn inmiddels in bedrijf op de APEX-telescoop. Van Dishoeck: ‘De ogen van ALMA werken dus al.’

Op de Llano de Chajnantor gaat de bouw aan de infrastructuur van het grootste observatorium ter wereld intussen onverminderd door. Behalve in januari en februari, wanneer het op het zuidelijk halfrond zomer is. De ijle lucht is dan warmer en kan meer vocht bevatten, waardoor er ook op vijf kilometer hoogte meer neerslag is. Sneeuw, wel te verstaan. Die ‘Boliviaanse winter’ zal ook elk jaar de ALMA-waarnemingen stilleggen. Daar helpt zelfs de traditionele Pachamama-ceremonie van de Inca’s niet tegen, die bij elke nieuwe mijlpaal van het project wordt uitgevoerd door plaatselijke sjamanen om de zegen van moeder aarde af te roepen.

Van de ijzige omstandigheden die half september op de hooggelegen Chajnantor-vlakte heersen, is ‘beneden’ in San Pedro niets te merken. In restaurant La Casona brengt zangeres Roxana Zuidamerikaanse volksmuziek ten gehore, en doen leden van de visiterende ALMA antenne-evaluatiegroep zich tegoed aan pisco sour en Chileense wijn. Het leven is goed, alles gaat volgens plan, en je zorgen maken over de operationele fase van het observatorium kan altijd nog. Constructiemanager Tony Beasley vat de algehele stemming die middag kernachtig samen: ‘At the moment, let’s just build the damn thing.’

De bouw van ALMA ging in 2003 van start. Vanaf 2010 zullen de eerste wetenschappelijke waarnemingen uitgevoerd kunnen worden. In 2012 moet ALMA voltooid zijn.

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 september 2007
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.