05 maart 2019

“Afgelopen zomer liep ik tussen de talloze antennes van LOFAR, een gigantische radiotelescoop met het hart midden in Drenthe. Naast de gebruikelijke verre onderzoeksobjecten blijken de merkwaardige antennes ook geschikt voor het onderzoeken van bliksem.”

Je leest:

Vermomde supertelescoop in het Drentse veen

Vermomde supertelescoop in het Drentse veen

Auteur: | 22 september 2017
ASTRON

In een van de leegste stukjes Nederland vind je libellen, orchideeën, reeën en veel vogels. Maar ook ontelbare merkwaardige vlaggenstokken. Het is de kern van radiotelescoop LOFAR, in zijn soort de meest geavanceerde telescoop ter wereld. NEMO Kennislink ging op bezoek.

Bliksem in kaart met LOFAR

LOFAR is ook te gebruiken voor veel ‘aardser’ onderzoek. Met een hogere precisie dan ooit brachten onderzoekers uit onder andere Groningen en Nijmegen de vorming van een bliksemschicht in kaart. Zo’n bliksemschicht ontstaat als de lucht geladen wordt (door ionisatie) en een ‘kanaal’ vormt waardoor een ontlading plaatsvindt. De ontlading is snel, maar de opbouw van het kanaal gaat veel trager en is via radiosignalen te volgen.

Volgens de wetenschappers konden ze de vorming van een bliksemschicht volgen met een precisie van iets meer dan een meter. Nauwkeurig dan ooit. Ze hopen dat de resultaten en vervolgmetingen meer licht schijnen op het ontstaan van bliksem en dat het wellicht leidt tot betere bliksembeveiliging.

Animatie van de ontwikkeling van een bliksemschicht in de atmosfeer op een afstand van zo’n veertig kilometer van LOFAR. Het is de stapsgewijze vorming van een geleidend kanaal in de lucht.

Dit is hem dan. De grootste radiotelescoop in de wereld. De vlaggenstok voor me is niet veel groter is dan ikzelf. Vanaf de top lopen onder een hoek van 45 graden vier draden naar beneden, die uiteindelijk met tentharingen in het Drentse veen prikken. De bodem van deze ‘piramide’ is een stalen frame dat over een bouwzeil ligt. Is dit het staaltje high tech waarmee astronomen de hoogste wetenschappelijke bladen halen?

Een aantal antennes van LOFAR in het veld.
Hans Hordijk met toestemming

Om te begrijpen wat LOFAR (Low-Frequency Array) is moet je naar het grote plaatje kijken. Michiel Brentjens, die naast me staat, helpt me. Hij is wetenschapper bij het onderzoeksinstituut ASTRON. De tientallen vlaggenstokken die in mijn omgeving staan waren me niet ontgaan, maar die veel verder weg verscholen zijn wel. Brentjens wijst ze een voor een aan. In noordoostelijke richting in de buurt van een boerderij, in noordwestelijke richting net voor een rij bomen, en in zuidwestelijke richting op de Hondsrug die in de verte boven het zacht glooiende landschap uitsteekt. De installatie is gigantisch.

Alle stations van LOFAR in Europa. Klik op de afbeelding voor een vergroting.
ASTRON met toestemming

Dit uitgestrekte landschap van antennes is alleen nog maar de kern van LOFAR. De telescoop reikt in wezen van het oosten van Polen tot aan Ierland. Van het zuiden van Zweden tot hartje Frankrijk: in een groot deel van Europa staan dezelfde vlaggenstokken in het veld. De antennes zijn gevoelig voor ruwweg de frequenties die we gebruiken voor radio (kortegolf radio, het FM-spectrum en digitale radio DAB+).

LOFAR is natuurlijk niet bedoeld om radio te luisteren. Tussen de menselijke signalen door proberen wetenschappers signalen van het verre heelal te detecteren. Van de allereerste sterren in het universum tot aan geladen deeltjes in de atmosferen van exoplaneten, van gulzige zwarte gaten tot aan explosies op de zon.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Waarom winterslapers gezond wakker worden

Klimaatwetenschappen
De aarde opwarmen met 130 kilometer per uur

Cultuurwetenschappen
Nette dames vechten voor kiesrecht

Geen Hubble-plaatjes

LOFAR werd in 2010 officieel in gebruik genomen. De basis van de telescoop stond er toen, maar nog niet alle meetstations waren operationeel en ook ‘achter de schermen’ moest er nog veel gebeuren aan de infrastructuur voor de dataverwerking. Spuwt LOFAR inmiddels prachtige plaatjes à la Hubble-telescoop? “Nee”, zegt Brentjens. “En LOFAR zal dat ook nooit doen.”

“De telescoop haalt door zijn grote afmeting (de diameter is bijna 2000 kilometer – red.) een beeldscherpte die weliswaar in de buurt komt van Hubble, maar is gevoelig voor straling met een golflengte van enkele tot tientallen meters”, zegt Brentjens. Daarmee krijg je doorgaans geen strakke Hubble-plaatjes van sterren en de gaswolken waaruit ze ontstaan. Maar je wint wel andere informatie die optische telescopen volledig ontgaat: bijvoorbeeld het nagloeien van gas dat miljoenen jaren geleden door zwarte gaten de ruimte in werd geslingerd. Of gloeiend gas dat tussen de allereerste sterrenstelsels in het universum zat.

Op deze afbeeldingen is goed te zien wat LOFAR wél kan zien (links) in tegenstelling tot optische telescopen (rechts). Je ziet sterrenstelsel M87 waar een grote wolk materie uit wordt gestoten, waarschijnlijk afkomstig van een zwart gat in het centrum van M87.
Francesco de Gasperin/LOFAR

Hoewel astronomie begon met het kijken naar de hemel in de zichtbare golflengtes, is inmiddels allang duidelijk dat er veel meer te zien is. Via energierijke röntgenstraling is bijvoorbeeld de hete omgeving van een zwart gat te zien. Infrarode straling stelt astronomen in staat om relatief koude objecten in het universum te onderzoeken. Tot slot is radiostraling geschikt om dwars door stofwolken heen te kijken, daar waar geen zichtbaar licht doorheen komt. Ook zijn sommige signalen uit het vroege heelal uitsluitend in het radiospectrum zichtbaar.

Een van de schotelantennes van de Westerbork Synthese Radio Telescoop.
Raimond Spekking via CC BY-SA 4.0

Nederland heeft een lange geschiedenis van radioastronomie, die begon met de Dwingeloo Radiotelescoop in de jaren 1950. In de jaren 1970 kwam daar de Westerbork Synthese Radio Telescoop bij. LOFAR is de laatste telescoop in de reeks en is gevoelig voor radiosignalen uit het zeer jonge universum, maar ook geschikt voor het onderzoeken van kosmische straling, de zon en de richting van magnetische velden in onze Melkweg.

Bakken met bits

Maar hoe gaat radioastronomie in zijn werk? Brentjens en collega’s turen niet door een lens om sterren met eigen ogen van dichtbij te bekijken. LOFAR-astronomen zitten achter de computer, bij ASTRON in Dwingeloo, ongeveer 30 kilometer verderop, of bij een van de universitaire groepen die gebruikmaken van de telescoop. Radioastronomie is de kunst van databewerking: de ‘ruwe’ signalen die LOFAR ontvangt net zo lang masseren en gladstrijken totdat je bruikbare informatie hebt. Zou je luisteren naar een onbewerkt signaal van de telescoop dan hoor je niets anders dan radioruis.

Vanochtend ben ik met Brentjens bij ASTRON in de controlekamer van LOFAR. Op een groot scherm is de drukke planning van LOFAR te zien. Momenteel doet de telescoop metingen voor een project dat alle meetbare radiobronnen in het universum systematisch in kaart brengt. Over een paar uur krijgt een ander project voorrang. De telescoop werkt alle dagen van de week, ’s nachts én overdag. In het weekend lijkt LOFAR vrij. “De landen die meetstations hebben mogen ze op dan gebruiken voor eigen onderzoek”, zegt Brentjens. “De stations werken dan niet als een grote telescoop, maar met alleen de stations in Drenthe kunnen we prima pulsars onderzoeken, of beelden maken van onze zon.”

Op andere monitoren is de status van de Europese stations te zien, en de enorme golf aan data die ze per glasvezelnetwerk bij ASTRON afleveren. Ieder station levert per seconde 300 megabyte ruwe data, zegt Brentjens. Omdat het onmogelijk is om dat allemaal op te slaan, wordt de informatie van alle antennes gecombineerd tot een compacter signaal. Die integratie is een wiskundige klus waarvoor bij de Rijksuniversiteit Groningen speciaal een supercomputer staat te ronken.

Het hart van de radiotelescoop LOFAR. De zogenoemde superterp (in het midden, rood) waarop de centrale antennes liggen, is omgeven door een gebied van ongeveer twee bij drie kilometer (geel) waar geen enkele woning staat. In Nederland bestaan er (buiten de natuurgebieden) nauwelijks nog dergelijke ‘leegtes’. Klink op de afbeelding voor een vergroting.
Google Maps/Roel van der Heijden

Ruilverkaveling

Nederland is geen logische plek voor een radiotelescoop. Menselijke activiteit levert al snel storingsbronnen op. “We zijn voor LOFAR op zoek gegaan naar een van de leegste stukjes van Nederland”, zegt Brentjens. “Natuurgebieden zoals de Veluwe vallen af, maar hier in Drenthe vonden we een stuk landbouwgrond van ongeveer twee bij drie kilometer, waar nog geen enkele bebouwing was.”

“Iemand is voor ons gaan onderhandelen met de pakweg veertig boeren die het land bezaten. Ik had een boodschappenlijstje van de grondstukken die het belangrijkst waren voor LOFAR. Het was een behoorlijke klus, maar door grond te kopen én te ruilen hebben we uiteindelijk gekregen wat we wilden. Na de bouw van de antennes is de omliggende grond ontwikkeld tot natuurgebied.”

Schrikdraad en digitale radio

Het is leeg hier in Drenthe. En dat is maar goed ook, want de antennes van LOFAR pikken veel menselijke activiteit op. “In onze metingen zien we het schrikdraad van de boeren”, zegt Brentjens. “We ‘horen’ auto’s en de introductie van digitale radio (DAB+) heeft helaas meer verstoring opgeleverd dan verwacht. Je moet daarmee leren leven, maar door aanpassingen in onze elektronica kunnen we in de toekomst beter omgaan met dit soort ruis.”

Werken met een radiotelescoop is de kunst van het onderdrukken van ongewenste signalen. Als je LOFAR beschouwt als ’s werelds grootste radio-ontvanger, dan moet je hem wel goed afstemmen op de zender. In het geval van LOFAR is die zender bijvoorbeeld een snel draaiende pulsar-ster, of een gaswolk die door een superzwaar zwart gat de ruimte in wordt geslingerd. Een van de moeilijkste klussen die de radiotelescoop moet klaren, is het detecteren van radiostraling die meer dan dertien miljard jaar geleden werd uitgezonden door gas in de buurt van de allereerste generatie sterren.

Het jonge universum was voornamelijk gevuld met neutraal waterstof, legt Brentjens uit. Maar naarmate zich de eerste sterren vormden ioniseerden zij dat waterstof, wat betekent dat het geladen werd. Rondom de eerste sterrenstelsel moeten als het waren ‘bubbels’ van geladen waterstof zitten. “Dat moet meetbaar zijn met LOFAR, maar het signaal is extreem zwak”, zegt Brentjens.

“Om het te detecteren moet je perfect weten hoe de ruis eruit ziet, dan kun je het namelijk uit je waarnemingen filteren. We hebben inmiddels zo’n 200.000 radiobronnen geïdentificeerd, zoals melkwegstelsels of pulsars. We maken een model van die ruis zodat we het later kunnen wegfilteren. In feite moeten we het hele heelal van ons signaal ‘aftrekken’, zodat we de signalen van die eerste sterren overhouden.”

Op een afstand van enkele kilometer van het hart van LOFAR zijn een aantal grote windmolens gepland; ze moeten er in 2020 staan. Het zou kunnen dat deze storing opleveren, daarom hebben wetenschappers van LOFAR nauwkeurig de maximale hoeveelheid storende radiostraling bepaald waarbij LOFAR nog functioneert. “Toch zijn er bepaalde projecten, zoals het meten van extreem zwakke signalen van de eerste generatie sterren, die na de komst van de windmolens waarschijnlijk niet meer mogelijk zijn”, zegt Brentjens.

In 2011 zei een betrokken wetenschapper op NEMO Kennislink dat we tegen 2013 wel zouden moeten weten of de wetenschappelijke plannen met LOFAR überhaupt mogelijk zijn. Zijn ze er nu in 2017 al uit, kunnen we de ‘kleuterjaren van het universum’ zien met deze radiotelescoop? Brentjens lacht. “We weten het nog steeds niet. We hebben het nog niet gemeten, daarvoor moet de ruis nog omlaag. We moeten langer meten en de ruisbronnen beter onderdrukken. Dat vergt nog veel onderzoek. In zekere zin kun je zeggen dat we niet alleen het universum onderzoeken, maar ook de radiotelescoop zelf.”

Weekend van de Wetenschap

ASTRON is deelnemer van het Weekend van de Wetenschap en op 8 oktober vindt de LofarDag plaats met veel publieksactiviteiten die je gratis kunt bezoeken. Het Weekend van de Wetenschap is het podium van de toekomst. Diverse organisaties – bedrijven, instituten, onderzoeksinstellingen, universiteiten, musea en sterrenwachten – openen op 7 en 8 oktober 2017 hun deuren om bezoekers van jong tot oud de kans te geven de wereld van wetenschap en technologie live te beleven. Zij organiseren unieke en exclusieve activiteiten, zoals proefjes, experimenten, demonstraties, open dagen, tentoonstellingen en meer.

Iedereen is welkom om backstage te gaan bij de deelnemende organisaties. Kijk hier voor alle activiteiten tijdens het Weekend van de Wetenschap.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 september 2017

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.