Radiogolven

Radiogolven vertellen het verhaal van het heelal

De komende tien jaar schieten duizenden antennes uit de grond in Zuid-Afrika en Australië. Samen vormen ze de SKA, ’s werelds grootste radiotelescoop. De antennes gaan werken als één enorme schotel, die signalen uit de hele geschiedenis van het heelal oppikt.

De komende tien jaar schieten duizenden antennes uit de grond in Zuid-Afrika en Australië. Samen vormen ze de SKA, ’s werelds grootste radiotelescoop. De antennes gaan werken als één enorme schotel, die signalen uit de hele geschiedenis van het heelal oppikt.

CSIRO

In het dorre natuurgebied Karoo in Zuid-Afrika schieten honderden witte paddenstoelen uit de grond. En 10.000 kilometer verderop, in de Australische outback, groeien duizenden dennen in het kurkdroge landschap.

De paddenstoelen in Zuid-Afrika en de dennen in Australië zijn geen wonderbaarlijk natuurverschijnsel. Het zijn door mensen gemaakte schotels en antennes die samen de radiotelescoop Square Kilometre Array (SKA) vormen.

Duizenden astronomen en ingenieurs zijn 30 jaar bezig geweest met het ontwerpen van de telescoop, die sinds 2021 in aanbouw is. De SKA wordt de grootste radiotelescoop ooit en kan enkele van de grootste mysteries van het heelal ontrafelen.

De nieuwe telescoop zal ons kennis leveren op alle gebieden van de astronomie.

‘De mens maakt een nieuwe reuzensprong door over te gaan tot de bouw van de grootste wetenschappelijke structuur in zijn soort op aarde,’ zegt professor Philip Diamond, hoofd van de organisatie achter de telescoop, SKAO.

Het gaat 2 miljard euro kosten om de telescoop te bouwen en tot 2030 te laten werken. En hij zal ons kennis verschaffen op bijna alle belangrijke gebieden van de astronomie. De uitdijing van het heelal, het ontstaan van de eerste sterrenstelsels, de aard van de zwaartekracht en de verspreiding van leven in de ruimte zijn slechts enkele aspecten die de SKA zal onderzoeken.

Radiogolven

In dit decennium worden in Zuid-Afrika enkele duizenden radioschotels gebouwd, en in Australië zullen 1 miljoen kleinere antennes uit de grond schieten.

© CSIRO/Shutterstock

De radiotelescoop wordt extreem gevoelig en zal ons beelden van het heelal kunnen laten zien die 50 keer zo gedetailleerd zijn als die van de Hubbletelescoop.

Een van de belangrijkste taken van de SKA wordt het bestuderen van de begintijd van het heelal, meer dan 13 miljard jaar geleden – zo’n 380.000 jaar na de oerknal, toen de eerste sterrenstelsels begonnen op te lichten in het pikzwarte heelal.

Optische telescopen hebben nadelen

Astronomen hopen dus dat de SKA-telescoop straling zal opvangen die er meer dan 13 miljard jaar over gedaan heeft om de aarde vanuit de verste uithoeken van het heelal te bereiken. Dit is mogelijk doordat de SKA radiogolven zal opvangen in plaats van zichtbaar licht.

Zichtbaar licht en radiogolven zijn allebei vormen van straling binnen het elektromagnetische spectrum, maar met verschillende golflengten.

Om zichtbaar licht uit het heelal te kunnen opvangen – golflengten van circa 380-700 nanometer – worden optische telescopen gebruikt, en als die op het land staan, geven ze alleen goede resultaten in heldere nachten. Daarom staan optische telescopen vaak op bergtoppen op het zuidelijk halfrond, zoals in Chili, op Hawaï of op de Canarische Eilanden.

Elektromagnetisch spectrum

Zichtbaar licht dat door optische telescopen wordt opgevangen (r) is maar een klein deel van het elektromagnetisch spectrum. Radiogolven bestrijken een breder interval (l).

© Shutterstock

Optische telescopen zijn kleiner dan radiotelescopen omdat hun spiegels ultrafijn moeten zijn om het zwakke kosmische licht intact te kunnen opvangen.

De korte golflengten maken het zichtbare licht vaag. Op weg naar de aarde kan het geblokkeerd worden door stof, en binnen onze dampkring kan het licht vervormen omdat de brekingsindex van de lucht kan veranderen door turbulentie. Hierdoor kan het beeld van verre sterren of stelsels wazig worden.

Radiogolven werken bij veel lagere frequenties en dus langere golflengten. Ze zijn dus veel langer dan licht – van millimeters tot kilometers – en worden in de atmosfeer niet op dezelfde manier beïnvloed.

Radiogolven tonen het onzichtbare

Veel objecten in het heelal, zoals sterren, stelsels, pulsars en zwarte gaten zenden radiostraling uit die door radiotelescopen kan worden waargenomen. Dit gebeurde voor het eerst in 1931, toen de Amerikaanse natuurkundige Karl Jansky radiostraling van de Melkweg opving.

Wanneer de radiogolven vertaald worden in golflengten die we kunnen zien, wordt het duidelijk dat ze ons dingen kunnen vertellen over objecten in het heelal die we niet kunnen zien in het zichtbare licht dat ze uitzenden.

Radiogolfgebied van de Melkweg

Radiotelescopen pikken veel straling op die we met optische telescopen niet kunnen zien. Hierboven zie je de Melkweg in zichtbaar licht. Hieronder: dezelfde sectie in het radiogolfgebied.

© Axel Mellinger/G. Haslam/MOifR/Detlev Van Ravenswaay/SPL

Een probleem met radiotelescopen is echter dat ze gevoelig zijn voor andere radiosignalen dan die waarvoor ze ontworpen zijn. Daarom worden de antennes van de SKA-telescoop neergezet in verlaten gebieden, ver van alle signalen van radio, tv en telefonie.

Tegelijk zorgt de ligging op het zuidelijk halfrond voor een goed zicht op de Melkweg, en de twee uitkijkpunten in Australië en Zuid-Afrika maken het mogelijk om een object bijna het hele etmaal door te bestuderen.

Voor telescopen geldt over het algemeen: hoe groter hoe beter, want met een groter registratiegebied vangen ze zelfs heel zwakke signalen op. Door zijn afmetingen kan de SKA ook meer van de hemel bestrijken, waardoor hij die sneller kan scannen. Een derde voordeel van de omvang is dat de resolutie van de beelden beter is door de vele antennes en schotels.

De grootste radioschotel ter wereld is de Chinese FAST. Met zijn diameter van 500 meter heeft hij een registratiegebied van 71.000 m2. Dat is 14 keer zo klein als de 1.000.000 m2 van de SKA wanneer die volledig is opgesteld.

Telescoop

De grootste radiotelescoop die ontworpen is als één schotel, is de Chinese FAST. De antennes van de SKA-telescoop zullen samen fungeren als een schotel die 14 keer zo groot is.

© Ou Dongqu Xinhua/Xinhua/Ritzau Scanpix

Terwijl de FAST bestaat uit één grote schotel die radiosignalen opvangt, is de SKA-telescoop volgens een heel ander principe ontworpen.

Supercomputer verzamelt signalen

De SKA maakt gebruik van interferometrie, een techniek waarbij een grote telescoop uit vele kleine wordt opgebouwd. De SKA is opgebouwd als een zogeheten array van vele kleinere schotels en radioantennes, die elk hetzelfde signaal oppikken, maar iets verschoven ten opzichte van elkaar.

Het voordeel is dat het eenvoudiger is om veel kleine telescopen te bouwen dan één grote.

Uiteindelijk wordt de verschuiving van de vele signalen gecorrigeerd en supercomputers maken er één signaal van, waarmee de SKA zich in de praktijk gedraagt als één grote telescoop.

Duizenden schotels en honderdduizenden radioantennes, verspreid over twee continenten, zullen radiogolven uit de ruimte opvangen. Die worden omgezet in beelden die wij kunnen zien.

Radiogolven
© CSIRO/Shutterstock

1. Antennes vangen radiogolven uit de ruimte op

De schotels en antennes van de SKA vangen radiogolven van diverse frequenties op. De Zuid-Afrikaanse schotels van 15 meter doorsnee werken met hoge frequenties, en de kleinere in Australië nemen de lage frequenties voor hun rekening.

Computer met radiogolven
© Shutterstock

2. Supercomputer verzamelt de signalen

Door hun verschillende locaties registreren de vele antennes de signalen iets verschoven ten opzichte van elkaar. Een supercomputer ontvangt alle gegevens en berekent het faseverschil, en synchroniseert de signalen tot één signaal.

Quasar
© Jordrell Bank/SPL

3. Radiogolven krijgen zichtbare kleuren

Radiogolven zijn voor ons niet zichtbaar, maar kunnen ingekleurd worden aan de hand van hun golflengte. Zo ontstaat een beeld van het object waarvan de radiostraling afkomstig is – zoals hier een quasar, een zeer actieve stelselkern.

Door de ontwikkeling van steeds krachtigere computers kunnen astronomen razendsnel de berekeningen uitvoeren die de vele afzonderlijke radiosignalen tot één signaal combineren. Enkele decennia geleden, toen het idee voor de telescoop ontstond, zou dit niet mogelijk zijn geweest.

De techniek heet apertuursynthese en maakt gebruik van de fouriertransformatie: een wiskundige berekening waar computers een zware dobber aan hebben.

Eerste fase gereed in 2024

In de eerste fase, SKA1 genaamd, worden in Zuid-Afrika 197 schotels met een diameter van 15 meter geïnstalleerd, terwijl in Australië circa 131.000 radioantennes zullen worden geplaatst.

De schotels in Zuid-Afrika gaan radiogolven op hogere frequenties oppikken – van 350 megahertz tot 15,3 gigahertz – waaronder zogeheten fast radio bursts (FRB’s). Dit zijn kortstondige maar zeer krachtige radiopulsen, maar het proces daarachter moeten astronomen nog zien te doorgronden.

Radiogolven

Diverse radiotelescopen, hier de JVLA in de VS, hebben fast radio bursts opgepikt. Deze felle pulsen van radiostraling komen van verre stelsels, maar hoe ze ontstaan is een raadsel.

© Danielle Futselaar

In hetzelfde golflengtegebied kunnen wetenschappers zoeken naar bewijzen van biologisch leven op andere planeten door hun atmosferische samenstelling te bestuderen.

In zijn eerste fase, die naar verwachting in 2024 voltooid zal zijn, zal de telescoop een totaal registratiegebied hebben van circa 450.000 m2 en een resolutie die vier keer zo hoog is als die van de huidige beste radiotelescoop in hetzelfde frequentiegebied, de JVLA in New Mexico (VS).

Later dit decennium zal de telescoop uitgebreid worden met duizenden schotels en antennes in Australië en de buurlanden van Zuid-Afrika, om uiteindelijk zijn volledige areaal van 1 km2 te bereiken.

Sommige kleine antennes in Australië zijn net mechanische kerstbomen, andere lijken op spinnen, en hun taak is het oppikken van radiogolven in het bereik van 50-350 megahertz. Hiertoe behoren lage golven die in het vroege heelal ontstaan zijn en zo’n afstand hebben afgelegd dat ze door de uitdijing van het heelal zijn opgerekt.

Daardoor kunnen astronomen bestuderen hoe de eerste sterren en stelsels zijn ontstaan.

De circa 131.000 antennes in Australië zijn verdeeld over 512 stations op een traject van 65 kilometer.

SKA onderzoekt de grootste mysteries

De SKA wordt een multitool voor astronomen. Met de telescoop zullen ze alle grote mysteries van het heelal kunnen onderzoeken – van de fundamentele natuurwetten tot de vraag of we alleen zijn in het heelal.

Radiogolven
© R Boomsma et al./A&A

Hoe ontstonden de eerste stelsels?

Door de gevoeligheid en het bereik van de SKA kunnen astronomen sterrenstelsels aan de rand van het zichtbare heelal in kaart brengen. Zo kunnen ze de ontwikkeling terugvoeren tot de begintijd van het heelal, ruim 13 miljard jaar geleden.

De uitdijing van het heelal
© Shutterstock

Waarom versnelt de uitdijing van het heelal?

Het heelal dijt voortdurend uit, maar niet constant – de laatste 5 miljard jaar is het versneld. De SKA zal onderzoeken waarom dit gebeurt door te kijken naar de verspreiding van het meest voorkomende element, waterstof.

Radiogolven
© Mark Myers/OzGrav ARC Centre of Excellence

Houdt Einsteins theorie over zwaartekracht stand?

Volgens Einsteins relativiteitstheorie buigen tijd en ruimte af door grote massa’s in beweging. Door pulsars waar te nemen die om zwarte gaten draaien en waaiers van radiogolven uitzenden, kan de SKA zien of de theorie ook in extreme gevallen opgaat.

Radiogolven in de ruimte
© Shutterstock

Zijn er tekenen van buitenaards leven?

Als de atmosfeer rond exoplaneten stoffen bevat die op leven kunnen duiden, zal de SKA ze kunnen vinden. De stoffen zullen hun aanwezigheid prijsgeven doordat ze bepaalde golflengten van radiostraling absorberen.

Door de spreiding van antennes en schotels over twee continenten kan de SKA grote delen van de hemel tegelijk verkennen. Ook kunnen clusters van antennes op een specifiek deel van de hemel worden gericht.

Zoeken naar buitenaardse beschavingen

Als de telescoop in 2030 volledig opgesteld is, zullen er 1 miljoen kleine antennes in Australië staan en enkele duizenden schotels in Zuid-Afrika.

13 terabyte aan gegevens zal de SKA per seconde verzamelen – het equivalent van 300 speelfilms.

Er zullen genoeg gegevens zijn om te analyseren. Elke seconde zal de telescoop 13 terabyte aan gegevens ontvangen, het equivalent van 300 films in HD-kwaliteit. Er zullen dus niet alleen supercomputers nodig zijn, maar ook bliksemsnelle glasvezelverbindingen om de bergen gegevens te verstouwen.

Ook zal de SKA zoeken naar intelligente wezens op andere planeten – als ze al bestaan.

De laatste jaren is bij het zogeheten SETI-onderzoek, dat zich richt op tekenen van intelligent buitenaards leven, meer aandacht besteed aan zogeheten technosignaturen. Dit zijn signalen die afkomstig zijn van andere sterren of exoplaneten en kunnen duiden op een buitenaardse beschaving – zoals radiostraling van een ruimteschip.

Of dit deel van de missie zal slagen is natuurlijk twijfelachtig. Maar wat zeker is, is dat de telescoop ons veel wijzer zal maken over ons heelal. En misschien ontdekt de SKA wel verschijnselen waarvan de astronomen het bestaan niet eens konden vermoeden.