Nieuwe supertelescoop biedt haarscherp zicht op het heelal

Op dit moment is de helft van alle astronomische gegevens ter wereld afkomstig van geavanceerde instrumenten in Chili, en dat aandeel zal flink stijgen wanneer de nieuwe, gigantische telescoop ELT, ook van ESO, over een paar jaar operationeel is.

Dan kunnen astronomen niet alleen antwoord krijgen op een reeks brandende vragen, bijvoorbeeld over zwarte gaten, donkere energie en stervorming, maar kunnen ze ook vreemde hemellichamen rechtstreeks waarnemen.

En als het aan Simona Ciceri ligt, worden de zeer gevoelige instrumenten van de ELT als eerste gericht op een aantal rotsplaneten buiten het zonnestelsel. Als de atmosfeer op die van de aarde lijkt, kon er wel eens leven zijn.

Europese astronomen togen zuidwaarts

Chili werd een belangrijk land voor de sterrenkunde toen het La Silla-observatorium voltooid was.

Begin jaren 1960 stonden alle grote spiegeltelescopen op het noordelijk halfrond, waardoor ze alleen uitzicht hadden op de noordelijke sterrenhemel.

Om bijvoorbeeld het centrum van de Melkweg of de Magelhaense wolken te kunnen bestuderen, moesten Europese astronomen naar het zuidelijk halfrond afreizen.

In de Chileense Atacamawoestijn is de hemel doorgaans helder: het regent er gemiddeld slechts zes dagen per jaar. Dit is dan ook de perfecte plek om naar de zuidelijke sterrenhemel te kijken.

Zes Europese landen bouwden er samen een groot observatorium op 2400 meter hoogte, dat de naam La Silla kreeg – Spaans voor ‘het zadel’ – omdat het op een zadelvormige bergtop staat.

VIDEO – Volg de bouw van de gigantische telescoop ELT:

Heelal stikt van de mysterieuze objecten

Toen La Silla in 1969 in gebruik werd genomen, was er nog nooit een exoplaneet waargenomen.

Pas in 1995 was het zo ver: sterrenkundigen ontdekten een gasplaneet die in slechts vier dagen rond zijn ster raast.

Sindsdien is het aantal bekende exoplaneten bijna exponentieel gestegen – op dit moment zijn het er 3671. En deze hemellichamen zijn er in alle soorten en maten.

Eentje wordt Super Saturn genoemd omdat hij 37 ringen heeft met een straal van 90 miljoen kilometer – 200 keer zo veel als die van Saturnus.

Op een andere exoplaneet, Kepler-16b, zie je twee keer per etmaal een zonsopkomst doordat hij om twee sterren draait.

En een derde planeet, GJ 1214 b, heeft de bijnaam Waterworld omdat hij vooral uit water in allerlei exotische vormen bestaat: als plasma, heet ijs en in supervloeibare toestand.

De snelle toename van het aantal observaties is te danken aan de Keplertelescoop. Deze ruimtetelescoop van NASA voerde vanaf 2009 een vrij eenvoudige taak uit: hij speurde vier jaar lang hetzelfde kleine stukje hemel af.

Hij keek niet rechtstreeks naar planeten, maar naar schommelingen in het licht van de 150.000 sterren in het gebiedje. Zo’n indirecte methode was nodig omdat planeten nietig zijn ten opzichte van hun ster.

Zo bevat onze zon, een doorsnee ster, 99 procent van alle materie in het zonnestelsel en past de aarde er 1.300.000 keer in.

Als je van 40 lichtjaar afstand naar het zonnestelsel kijkt, zou de zon de aarde volledig in de schaduw stellen.

Maar telkens als de aarde langs de zon trekt, blokkeert hij een piepklein deel van het licht, en die schommeling kan opgevangen worden door verre telescopen.

Als het licht van een ster dus regelmatig een beetje verduisterd wordt, kan dat betekenen dat er een of meer planeten omheen draaien.

Zoeken naar dansende sterren

Alleen al de observaties van Kepler, met deze zogeheten transitmethode, hebben tot nu toe 5000 mogelijke exoplaneten opgeleverd, en een groot deel van de enorme berg gegevens van Kepler is nog niet geanalyseerd.

Daar houdt Simona Ciceri zich onder meer mee bezig tijdens haar nachtdienst in het La Silla-observatorium.

Ze neemt een aantal kandidaat-exoplaneten onder de loep, en kijkt daarbij naar de ‘sterrendans’.

Het licht van een ster die naar de aarde beweegt wordt ‘in elkaar gedrukt’ en lijkt daardoor blauwer, terwijl dat van een ster die van ons af beweegt er roder uitziet. Dit wordt blauw- en roodverschuiving genoemd.

De zwaartekracht van een planeet trekt een heel klein beetje aan zijn ster, waardoor die iets dichterbij of juist verder weg komt te staan.

Je zou kunnen zeggen dat zo’n ster danst. Als Ciceri een dansende ster ontdekt aan de hand van blauw- en roodverschuiving weet ze dat er iets aan trekt, vermoedelijk een planeet.

Op haar lijst van kandidaten staan de coördinaten en het tijdstip dat de eventuele exoplaneten in een positie staan waarin ze kunnen worden waargenomen.

Deze zogeheten radiële snelheidsmethode is een van de belangrijkste werktuigen van planetenjagers.

Ook het zogenoemde HARPS-instrument op La Silla speelt een grote rol. Dit toestel ontdekte de eerste aardeachtige planeet buiten het zonnestelsel die in de bewoonbare zone staat, ook wel Goudlokjegebied genoemd.

In het gelijknamige sprookje eet Goudlokje de pap van de jonge beer op, die ‘niet te warm en niet te koud’ is.

Datzelfde geldt voor hemellichamen: planeten die te ver van hun ster staan, zijn donker, leeg en ijskoud. En staan ze te dichtbij, dan is het er gloeiend heet. Beide omstandigheden zijn ongunstig voor leven.

Astronomen die naar exoplaneten zoeken, zijn dan ook vooral uit op exemplaren die voldoen aan alle voorwaarden voor leven, en er worden met de dag meer hemellichamen ontdekt die zich in het Goudlokjegebied bevinden.

Planeten genoemd naar bier

Zo kwam in 2016 het nieuws dat er een exoplaneet was gevonden in een baan om de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri.

En vorig jaar meldde een Belgisch team dat het een zonnestelsel met zeven planeten had ontdekt die om een dwergster draaien.

De astronomen, die wel van een biertje houden, doopten deze ster TRAPPIST-1 als eerbetoon aan het abdijbier. De planeten werden genoemd naar hun lievelingsbieren.

Maar liefst drie ervan hebben iets weg van de aarde en voldoen aan de voorwaarden voor het bestaan van leven.

In een stelsel hier ver vandaan ...

Het stelsel van TRAPPIST-1 bevindt zich op 40 lichtjaar afstand, wat naar astronomische begrippen vlak om de hoek is.

En toch is het bijna onvoorstelbaar ver weg. Het licht legt een duizelingwekkende 300.000 kilometer per seconde af.

Dat houdt in dat een foton van de maan naar de aarde raast voordat je het woord ‘exoplaneet’ kunt zeggen. Het licht van de zon komt pas acht minuten nadat de lichtdeeltjes het oppervlak hebben verlaten bij ons aan.

En in een jaar legt het licht 9.460.730.472.580,8 kilometer af – een lichtjaar dus, de eenheid waarin de afstanden in het heelal uitgedrukt worden.

Omdat de meeste stelsels honderden lichtjaren van ons verwijderd zijn, is er zeer gevoelige apparatuur nodig om eventuele planeten te detecteren.

Ruimtetelescopen hebben geen last van de dampkring met al zijn gassen en de lichtvervuiling van steden. Maar ze zijn wel peperduur en moeilijk te repareren.

Op aarde is het veel makkelijker om grote telescopen te bouwen, maar dan moet er wel een manier gevonden worden om de nadelen te overwinnen.

En dat is gelukt in het Paranal-observatorium, zo’n 600 kilometer ten noorden van La Silla.

De VLT-telescoop daar is het meest geavanceerde optische instrument van dit moment, en onlangs is er veel hoogwaardige apparatuur bij gekomen, waardoor het nu de place to be is voor planetenjagers.

Astronomen wonen in James Bond-huis

Het VLT-observatorium staat midden in de Atacama-woestijn, ver van alle lichtvervuiling. En ook ver van alle andere sporen van de beschaving. Er moet elke dag vers drinkwater aangevoerd worden in tankwagens en tot voor kort kwam de elektriciteit van een generator.

Zelfs het kleinste beetje licht kan de gevoelige instrumenten verstoren, dus is er geen straatverlichting. Auto’s mogen de koplampen niet aandoen, maar moeten het doen met de knipperlichten en reflectoren op de weg.

Voetgangers moeten hun weg zoeken in de Chileense duisternis met een zwak zaklantaarntje, dat ze alleen omlaag mogen richten.

Neem een kijkje in het VLT-observatorium in de Atacamawoestijn:

Ramen hebben dikke verduisteringsgordijnen om het licht overdag, als de astronomen slapen, buiten de deur te houden en om ’s nachts de verlichting in de ruimtes waar ze werken juist binnen te houden.

Het woongedeelte, waar 100 astronomen kunnen eten en slapen, is in de rotsen gebouwd en gaat bijna op in het rode oker van de woestijn. Een binnenplaats maakt de futuristische indruk compleet. Het gebouw lijkt zo uit een James Bond-film te komen – en dat komt het ook.

In Quantum of Solace loopt agent 007 rond op het dak van dit gebouw, dat in het verhaal het huis is van de slechterik Dominic Greene.

De VLT-telescoop bestaat uit vier silo’s, die een paar honderd meter van het woongedeelte sierlijk op een heuveltop staan.

Elke silo bevat een telescoop met een hoofdspiegel met een diameter van 8,2 meter. Stuk voor stuk kunnen ze foto’s maken van hemellichamen die je met het menselijk oog alleen zou kunnen waarnemen als je vier miljard ogen in serie schakelt.

Als de telescopen van het complex gecombineerd worden in de zogenoemde interferometer, kunnen de astronomen details tot 16 keer zo klein zien als met de individuele telescopen.

De opgevangen lichtstralen van de telescopen worden gebundeld met behulp van grote spiegels in een onderaards tunnelstelsel, dat veel van een doolhof weg heeft.

Ook daar waan je je in een James Bond-film. De lengte van de baan van de lichtstralen moet over een afstand van ruim 100 meter binnen een duizendste millimeter blijven.

Het is dan ook niet zo verwonderlijk dat dit ondergrondse stelsel verboden terrein is voor bezoekers met grijpgrage handjes.

Samen kunnen de vier telescoopeenheden bijzonder nauwkeurige metingen uitvoeren. Het is alsof je vanaf de aarde de kop van een schroefje van het Internationale Ruimtestation ISS op 400 kilometer hoogte kunt zien.

Elke telescoop staat in verbinding met geavanceerde instrumenten met ondoorgrondelijke namen als SPHERE en ESPRESSO. Zelfs als je die afkortingen uitschrijft, zullen ze buitenstaanders niet veel zeggen, maar voor de sterrenkundigen bieden ze allerlei mogelijkheden.

Zo behoort ESPRESSO tot de nieuwste generatie van spectrometers en is het systeem de vervanger van de planetenjager HARPS.

Waar HARPS schommelingen van 3,5 km/h kon waarnemen in de ‘sterrendans’ – een rustig dansje – is ESPRESSO wanneer alle vier VLT-telescopen samenwerken in staat om veranderingen van slechts 0,35 km/h af te lezen – een zeer trage wals.

Omdat kleine planeten minder kracht uitoefenen op hun ster dan grote, komt ESPRESSO goed van pas bij de zoektocht naar kleinere, aardeachtige exoplaneten.

SPHERE heeft een directere aanpak. Dit instrument kan een planeet rechtstreeks waarnemen, al is het licht dat hij weerkaatst een miljoen keer zo zwak als dat van zijn ster. Het systeem werkt als een soort zonnebril met gepolariseerde glazen, die het storende sterrenlicht uit het beeld filteren.

SPHERE heeft ook afgerekend met het verschijnsel van ‘knipperende’ sterren – heel hinderlijk voor astronomen.

Het geknipper wordt veroorzaakt door stofdeeltjes in de dampkring die het licht van de sterren verstrooien. Met behulp van zogeheten adaptieve optiek corrigeert SPHERE het sterrenlicht 1200 keer per seconde dankzij deformeerbare spiegels.

In juli 2017 toonden astronomen de eerste vangst van SPHERE: een Jupiter-achtige planeet rond een ster op 365 lichtjaar afstand.

Nieuwe telescoop verbreekt alle records

Maar geen instrument kan op tegen het licht dat door telescopen wordt opgepikt. En iedereen die Paranal bezoekt, kijkt uit op de plek 20 kilometer verderop waar het tot nu toe grootste oog op de hemel wordt gebouwd.
In juni 2014 werd de hele top van de 300 meter hoge berg Cerro Armazones weggeblazen om plaats te maken voor de Extremely Large Telescope, zoals de passende benaming van het instrument luidt.

De ELT wordt groter dan alle bestaande spiegeltelescopen bij elkaar en kan 15 keer zo veel licht opvangen als de grootste optische telescoop van nu.

Vier spiegels vormen het kloppend hart van de ELT, stuk voor stuk recordhouders op het gebied van precisie en functionaliteit. Een ervan, met de bijnaam ‘rubberspiegel’, zorgt voor de adaptieve optiek.

Zijn diameter zal 2,6 meter bedragen, maar hij wordt slechts 2 millimeter dik. Hij wordt voorzien van 8000 stuureenheden, die duizenden keren per seconde voor atmosferische storingen en wind corrigeren.

De drie overige spiegels (de primaire, secundaire en tertiaire) vangen het licht op en richten het. De secundaire spiegel alleen al is 4,2 meter in diameter en weegt 3,5 ton.

De spiegel is al gemaakt in Duitsland en moet nu een jaar afkoelen voordat Franse specialisten hem met een precisie van 15 nanometer kunnen slijpen.

Dat is alsof je de Atlantische Oceaan zo glad maakt dat het water binnen een marge van 3,5 centimeter blijft.

Ook bij het maken van de primaire spiegel komt heel wat kijken: die bestaat uit 798 perfect geslepen, zeshoekige spiegeltjes met elk een diameter van 1,4 meter.

Als de spiegels in 2025 op de Chileense nachthemel gericht worden, kunnen Simona Ciceri en haar collega-planetenjagers voor het eerst hun blik op verre planeten richten.

En de lijst met interessante kandidaten groeit snel aan. Tijdens haar nachtdienst in het observatorium van La Silla heeft Ciceri er nog eentje toegevoegd: een Saturnusachtige planeet die een zwalkende baan rond zijn reuzenster EPIC 228754001 beschrijft.

Op het moment van het schrijven van dit artikel zijn er 3671 bevestigde exoplaneten. Wanneer jij het leest, zijn er vast nieuwe bij gekomen. Bekijk het zelf op www.exoplanet.eu.