Je leest:

Op zoek naar zwarte gaten en Zwitserse kaas

Op zoek naar zwarte gaten en Zwitserse kaas

Auteur: | 4 november 2012

Op 12 juni 2010 drukte koningin Beatrix in Oost-Drenthe op een grote knop en luidde daarmee officieel het startschot voor de ingebruikname van de grotendeels Nederlandse radiotelescoop LOFAR. Inmiddels zijn we ruim twee jaar verder en is de telescoop klaar voor het échte wetenschappelijke werk.

“LOFAR is op een haar na af”, laat René Vermeulen aan de telefoon weten. Hij is directeur van de stichting International LOFAR Telescope, die de exploitatie van de radiotelescoop in goede banen moet leiden. “In Nederland zijn nu 37 van de 40 antennestations gebouwd. Omdat elk station uit een flink aantal antennes bestaat hebben we een hele hoop ontvangers bij elkaar. Het ligt er een beetje aan hoe je telt, maar in ons land alleen benadert het totaal al de 30.000.”

Superterp 5jul11
De zogenoemde ‘superterp’ van de LOFAR-radiotelescoop. Hier, in Oost-Drenthe, ligt het hart van de Europese telescoop dat wordt gevormd door een terp met een diameter van 300 meter met daarop een groot aantal antennes.
ASTRON

Wat is LOFAR?

LOFAR staat voor LOw-Frequency Array en is een radiotelescoop, ontworpen door ASTRON (Nederlands Instituut voor Radiosterrenkunde). Deze wordt grotendeels in Nederland gebouwd en is de grootste telescoop in zijn soort. Ongevoelig voor zichtbaar licht, ontvangt LOFAR signalen uit het radiospectrum met een golflengte van 1,3 tot 30 meter.

LOFAR ziet er niet uit als een typische telescoop. De radiotelescoop gebruikt een netwerk van tienduizenden ‘radioantennes’, die soms wel 1000 kilometer uit elkaar liggen. Ze liggen verspreid over Nederland, Duitsland, Frankrijk, Zweden en het Verenigd Koninkrijk. Hoewel de officiële opening in 2010 was, vinden de eerste officiële metingen deze winter plaats.

Maar er moet nog werk gebeuren. Naast de paar stations die nog in Nederland en haar buurlanden gebouwd worden staan er ook een aantal andere Europese landen in de rij om mee te mogen doen aan LOFAR. Vermeulen laat weten dat Polen, Ierland en Italië kansrijk zijn om deelnemers te worden, en dat Frankrijk het aantal antennestations graag wil vergroten.

Lofar overzicht
De radiotelescoop LOFAR bestaat uit 48 antennestations verspreid over verschillende Europese landen. De meeste stations (40) liggen in Nederland met het centrum van de telescoop in Oost-Drenthe.
ASTRON

“Dat is alleen maar goed voor LOFAR”, zegt Vermeulen. “Hoe groter de afstand tussen de antennestations is, des te kleiner worden de details die we met de telescoop kunnen waarnemen. Aan de andere kant vergen uitbreidingen een nóg groter Europees glasvezelnetwerk en meer rekenkracht van de centrale supercomputer in Groningen.”

Ook moet er op het gebied van computersoftware nog veel gebeuren. Waarschijnlijk ligt daar zelfs het meeste werk in het verschiet. Signalen die de duizenden antennes opvangen moeten namelijk grondig opgepoetst worden door de computer voordat ze waardevolle afbeeldingen voor astronomen worden. Het gaat om het samenvoegen en ‘ontstoren’ van de signalen.

Dat is niet makkelijk. Zeker omdat elk soort waarneming weer andere computerbewerkingen vergt. De software voor het kijken naar de zon verschilt erg van die voor het kijken naar het verre heelal. “Voor een flink aantal projecten zijn we dan ook helemaal klaar”, zegt Vermeulen, “maar voor anderen moet nog veel geprogrammeerd worden.”

Hubble xdf bijgesneden
Optische telescopen als Hubble kunnen ver het heelal in kijken, maar zijn ongevoelig voor de belangrijkste golflengtes waarin deze objecten verschijnen aan de hemel.
NASA/ESA/G. Illingworth, D. Magee en P. Oesch van University of California, Santa Cruz/R. Bouwens van Universiteit Leiden/HUDF09-Team

Onontgonnen frequenties

Nu een behoorlijk deel van de software af is, ligt er voor LOFAR een onontdekte wereld voor het grijpen. Het spectrum waar LOFAR gevoelig voor is, is lang onontgonnen terrein geweest voor astronomen. En dat terwijl veel signalen uit het verre heelal in dat spectrum zitten. Vermeulen legt uit waarom astronomen zo lang moesten wachten op een telescoop als LOFAR. “Het is nu pas technisch mogelijk om een telescoop zoals LOFAR te bouwen. De benodigde infrastructuur en rekencapaciteit waren eerder simpelweg niet voorhanden."

Maar waarom heb je voor deze telescoop eigenlijk een enorme computer nodig? Anders dan bij een optische telescoop of schotelantenne kan LOFAR niet direct op een bron gericht worden. Alle antennestations liggen muurvast op hun plek. Vermeulen: "Om een vaste telescoop als LOFAR toch te kunnen ‘richten’ op een bepaald stuk hemel zijn speciale computerprogramma’s nodig die uit alle signalen die LOFAR ontvangt een beeld vormen van dat bepaalde deel van het heelal. Daarom staat er voor LOFAR in Groningen een supercomputer, die de gegevens van alle antennes integreert tot een bruikbaar beeld.”

Al in de jaren ’50 en ’60 van de vorige eeuw is er werk verricht in het frequentiegebied van LOFAR, laat Vermeulen weten. Met de beperkte rekenkracht die men had kon een catalogus gemaakt worden van enkele honderden heldere radiobronnen aan de hemel. “Wij willen met LOFAR uiteindelijk miljoenen van die bronnen gaan opsporen.”

Supercomputersurfsara
Een supercomputer in Groningen zet de ruwe signalen van LOFAR om in bruikbare afbeeldingen.

Veel animo

Vanaf de officiële ingebruikname in 2010 heeft LOFAR vooral proefgedraaid. In deze installatiefase was het voor astronomen al wel mogelijk om metingen te doen, maar Vermeulen zegt dat dit onder voorwaarden gebeurde. Er werden in deze fase geen garanties afgegeven voor de telescoopprestaties. De astronomen moesten voorbereid zijn op eventuele technische problemen.

Voor de eerste officiële meetperiode van deze winter konden astronomen begin deze herfst aanvragen indienen. Eind november wordt door een commissie beslist wie er daadwerkelijk meettijd op LOFAR krijgt. “Bij de voorstellen voor het eerste meetsemester zijn 247 wetenschappers betrokken uit 17 landen”, zegt Vermeulen. “Dat is boven verwachting veel.”

Etende zwarte gaten

Een van de wetenschappers die een aanvraag heeft gedaan voor LOFAR en die veel meettijd hoopt te krijgen is Heino Falcke. Hij is professor astrodeeltjesfysica en radioastronomie aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. Maar Falcke is ook direct bij de radiotelescoop betrokken. Als voorzitter van het bestuur van LOFAR houdt hij onder andere een oog op de begroting en kijkt waar er nog werk verricht moet worden voor succesvolle metingen.

Falcke wil de radiotelescoop het liefst op zwarte gaten richten. Bijvoorbeeld op het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Maar wat zie je dan? In veel gevallen niets, volgens Falcke. “Normaal gesproken zijn zwarte gaten niet makkelijk te ontdekken, want ze produceren nauwelijks straling. Dat is ook logisch want ze ‘eten’ met hun sterke zwaartekracht eigenlijk alleen maar materie en straling op.”

Maar Falcke legt uit dat de situatie verandert op het moment dat zwarte gaten beginnen met het opslokken van materie. Juist op die momenten worden ze zichtbaar, en vooral in het radiospectrum. Soms duurt dat slechts enkele dagen, andere keren houdt deze straling lang aan. Hoe dat precies werkt is onbekend.

“Waarom we er naar kijken? Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in het heelal! Ze zorgen met hun sterke zwaartekracht voor een grote vervorming van de ruimtetijd. Hopelijk kunnen we door zwarte gaten te bestuderen uiteindelijk achterhalen hoe de ruimtetijd werkt.”

LOFAR ziet bellenblazend zwart gat

M87 door lofar
Door radiotelescoop LOFAR op het sterrenstelsel M87 te richten waren astronoom Heino Falcke en collega’s in staat een grote wolk van materie waar te nemen (links). De materie is waarschijnlijk afkomstig uit een zwart gat in het centrum van M87. De wolk is niet te zien in het zichtbare spectrum (rechts).
Francesco de Gasperin/LOFAR

Exoplaneten en ET

Een kracht van LOFAR is volgens Falcke zijn grote gezichtsveld. Het is mogelijk om in één oogopslag wel 4000 verschillende radiobronnen waar te kunnen nemen. En dat kan van pas komen in een van de vele – soms exotische – toepassingen van LOFAR. Falcke vertelt: “De afgelopen jaren hebben astronomen radioflitsen gedetecteerd die slechts milliseconden duren. Eigenlijk weten we niet waar ze vandaan komen, behalve dan dat ze op grote afstand lijken plaats te vinden. Er wordt zelfs getwijfeld of ze ‘echt’ zijn. Ik ben heel benieuwd of LOFAR deze flitsen ook gaat vinden.”

“Een ander exotisch onderzoek is het vinden van exoplaneten in het radiospectrum. Zelfs daar zou LOFAR dus bijdragen aan kunnen leveren. Heen en weer bewegende elektronen in atmosferen van exoplaneten zouden detecteerbare radiostraling kunnen genereren.”

“Ook exotisch is het vinden van signalen van E.T., ofwel buitenaardse beschavingen. Wat met LOFAR zou moeten kunnen – als ze er tenminste zijn. Wat we ook gaan vinden, ik hoop eigenlijk dat LOFAR iets vindt dat we nog nooit eerder hebben gezien. En dat zou best eens kunnen. Het is voor het eerst dat zo’n groot deel van het heelal wordt afgespeurd in dit frequentiegebied.”

Ai planeet
Gaat LOFAR misschien nieuwe exoplaneten vinden?
ESO/L. Calçada/Nick Risinger

Zwitserse kaas in het vroege heelal

Wie ook een grootgebruiker van LOFAR hoopt te worden is Ger de Bruyn. Hij is als radioastronoom aan ASTRON verbonden en heeft meegewerkt aan het ontwerp van LOFAR. “We gaan de komende winter hopelijk 600 uur meten met LOFAR”, laat hij weten. “Maar ook in de huidige installatiefase hebben we al veel gebruik mogen maken van de telescoop. Er zijn namelijk veel concurrerende groepen met hetzelfde onderwerp bezig.”

De Bruyn gaat met LOFAR diep het heelal in turen. Heel erg diep. De signalen die hij wil waarnemen komen uit de tijd dat de allereerste sterren en sterrenstelsels ontstonden, zo tussen de 300 miljoen en 800 miljoen jaar na de oerknal. Astronomen tasten nog vrijwel in het duister over hoe dat in zijn werk ging. Dat komt doordat nagenoeg al het licht uit deze periode simpelweg te zwak is om nu nog waar te nemen.

“We weten dat het heelal ongeveer 380.000 jaar na de oerknal doorzichtig werd”, legt De Bruyn uit, “van die gebeurtenis kunnen we namelijk nog de achtergrondstraling meten. Vanaf dat moment was neutraal waterstof de voornaamste vorm van materie. Maar daar moet langzaam verandering in zijn gekomen toen de eerste sterren het heelal begonnen te verlichten.”

Eor history
Een schematische weergave van verschillende periodes in het heelal. De LOFAR-radiotelescoop probeert signalen op te vangen van het zogenoemde Epoch of Reionisation (de wit gestippelde periode) ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal. Om dat te kunnen waarnemen moet de telescoop als het ware ‘door’ de recentere periodes van het universum heen kijken, alsmede door de ionosfeer van de aarde, die storend werkt.
ASTRON

“Door de straling van deze eerste lichtbronnen raakte de waterstof in de directe omging langzaam weer geïoniseerd. En precies dát hopen we te kunnen zien in onze metingen. Geïoniseerd waterstof is namelijk in staat radiostraling uit te zenden. Straling die LOFAR in principe zou moeten kunnen meten.”

Maar hoe ziet dat er uit? De Bruyn zegt dat het wel een beetje lijkt op een Zwitserse kaas, waarin veel gaten zitten. Alleen is de kaas in dit geval de neutrale waterstof in het vroege universum waarin ‘gaten’ van geïoniseerd waterstof zitten.

Kleuterfoto van het universum

Volgens De Bruyn heeft zijn onderzoek betrekking op de kleuterjaren van het universum. “Als je het heelal vergelijkt met iemand die honderd jaar oud wordt, dan proberen wij te kijken naar de leeftijd van 3 tot 6 jaar. We hopen over enkele jaren als het ware de kleuterfoto te hebben van het universum.”

“Men zegt wel dat dit het moeilijkste experiment is in de radioastronomie”, besluit De Bruyn. “Tegen de zomer van 2013 zullen we waarschijnlijk weten of het überhaupt mogelijk is wat we willen met LOFAR.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 november 2012

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.