Reuzen wedijveren om de titel van telescoop van de toekomst

Het nieuwe vlaggenschip James Webb is nog niet gelanceerd of NASA is al op zoek naar dé grote ruimtetelescoop van de jaren 2030. We krijgen óf meer te weten over het ontstaan van het heelal, óf gaan op zoek naar leven buiten de aarde.

NASA

Met ruim 1000 km/h draait de James Webb-telescoop om onze planeet voor hij op zijn eindbestemming af gaat, 1,4 miljoen kilometer van de aarde. Daar vouwt de telescoop zijn spiegel uit, die tien jaar lang het licht van de eerste sterrenstelsels opvangt en foto’s van verre exoplaneten maakt.

Zo zal het volgens plan gaan wanneer NASA in 2021 zijn nieuwe supertelescoop in gebruik neemt. Maar al vóór de lancering ligt de opvolger van de James Webb-telescoop, die over een jaar of 20 het stokje moet overnemen als vlaggenschip van NASA, op de tekentafel.

Volgend jaar zal de Amerikaanse wetenschapsacademie beslissen of de Lynx, Luvoir, Habex of Origins groen licht krijgt.

Deze vier zeer uiteenlopende kandidaten voor de supertelescoop van de toekomst, die nu wedijveren om te worden gerealiseerd, kunnen ieder op zich enkele raadsels van het heelal oplossen.

Als ze allemaal worden gelanceerd, zullen we weten hoe de eerste zwarte gaten ontstonden, hoe planeten aan hun water komen en welke planeten van de Melkweg de grootste kans op leven hebben.

Maar slechts één van de vier zal er komen.

Telescopen zoeken het hele spectrum af

De toekomstige ruimtetelescopen vangen straling op met verschillende golflengten. Zo kunnen we gas- en stofwolken zien uitgroeien tot planeten of zwarte gaten gas zien opslokken.

Kandidaat 1: Lynx ziet zwarte gaten schrokken

De telescoop Lynx kan helpen verklaren hoe de eerste zwarte gaten zo snel zo groot werden door röntgenstralen van dat proces te observeren.

Kandidaat 2: Luvoir heeft een reuzenspiegel

De grote spiegel van de Luvoir ziet sterrenstelsels in wording, losse sterren in verre stelsels en rotsplaneten in de Melkweg.

Kandidaat 3: Habex zoekt zusje van de aarde

Moleculen als water, zuurstof en CO2 laten sporen na in de atmosfeer en verraden leven op een planeet. De Habex zoekt deze sporen.

Kandidaat 4: Origins volgt reis van het water

IJskoude gaswolken baren planetenstelsels, en de Origins ziet de infrarode straling ervan, die kan vertellen hoe planeten aan water komen.

Zwarte gaten ontraadseld

Droom groots, maar wel realistisch. Dat was de taakomschrijving van de vier groepen met honderden geleerden die in juni, na vier jaar hard werk, hun kandidaten toonden voor de opvolging van de James Webb. De nieuwe telescoop moet in de jaren 2030 in gebruik komen.

De term ‘realistisch’ is toegevoegd om toestanden zoals met de James Webb te voorkomen. Die telescoop zou een miljard dollar kosten en in 2018 gelanceerd worden, maar nu lijken de kosten op ruim 8,8 miljard uit te komen en is de lancering met zeker drie jaar vertraagd vanwege losse bouten en scheuren in het zonnezeil.

De vier nieuwe voorstellen zijn vanaf het begin beter uitgewerkt en moeten dit risico beperken.

Toch denken de wetenschappers die bij de projecten betrokken zijn in het groot. De röntgentelescoop Lynx krijgt een spiegel met een diameter van 3 meter, die volgens de plannen 100 keer zo gevoelig wordt als de geplande röntgentelescoop van ESA, de Athena, die in 2028 de ruimte in moet.

200 kilo zal de compacte, circulaire spiegel van de Lynx ongeveer wegen.

De Lynx zal kunnen terugkijken naar de jonge jaren van het heelal, waardoor we erachter kunnen komen hoe de eerste superzware zwarte gaten in de eerste sterrenstelsels zo snel zo massief konden worden.

Volgens de gangbare theorie ontstonden deze superzware zwarte gaten uit de eerste reuzensterren, die als supernova ontploften en een zwart gat van circa 100 keer de massa van de zon achterlieten. De gaten trokken aan elkaar en dijden snel uit door enorme hoeveelheden gas uit hun omgeving op te zuigen.

Het probleem met deze theorie is dat astronomen nu weten dat er al 700 miljoen jaar na de oerknal superzware zwarte gaten bestonden met 800 miljoen zonnemassa’s. Zelfs als je uitgaat van een constante aanvoer van gassen en reuzensterren kan de theorie niet verklaren hoe de superzware zwarte gaten zo snel konden groeien.

Een nieuwe theorie voorspelt dat de zwarte gaten ontstaan zijn uit veel grotere objecten van mogelijk een miljoen zonnemassa’s, die zijn gevormd toen grote gaswolken instortten.

De spiegel van de Lynx moet onder meer deze theorie op de proef stellen door middel van observaties van de röntgenstraling die zeer hete gaswolken uitzenden als ze om superzware zwarte gaten wervelen.

Wanneer superzware zwarte gaten die nu bestaan gassen opslokken, komen er grote straalstromen van geladen deeltjes uit hun omgeving. Deze stromen spuwen gassen van miljoenen graden heet uit het stelsel van het zwarte gat de intergalactische ruimte in, waar de ijle gassen nauwelijks zichtbaar zijn voor de huidige telescopen.

Men denkt dat deze wolken 40 procent van de atomaire massa van het heelal bevatten. Observaties van de Lynx kunnen de omvang van deze straling bepalen en zo de theorie testen.

Spiegel zoomt in op planeten

De Lynx dient een specifiek doel en kijkt naar bepaalde golflengten, terwijl de grootste van de vier voorgestelde telescopen, Luvoir, net als zijn voorloper Hubble veel breder ingezet kan worden. Een belangrijk verschil is dat de Hubble een hoofdspiegel met een diameter van 2,4 meter had, waar de Luvoir er een van 15 meter zal krijgen.

Kandidaat 2: Enorm scherm beveiligt supertelescoop

1 / 4

undefined

1234

Met zijn 15 meter brede hoofdspiegel wordt de Luvoir de grootste ruimtetelescoop aller tijden áls hij in 2039 gelanceerd wordt. NASA propt hem vol met verwisselbare modules, gevoelige sensoren en enorme schermen. Hij moet dan ook 25 jaar mee.

© Claus Lunau

Die enorme spiegel zal veel meer ultraviolet, infrarood en zichtbaar licht kunnen opvangen.

Hierdoor is de Luvoir als eerste telescoop in staat om individuele sterren in verre stelsels te fotograferen.

De telescoop kan zelfs de eerste directe foto’s ooit maken van rotsplaneten die op de aarde lijken en om een ster als de zon draaien. Tot nu toe zijn er maar 46 exoplaneten rechtstreeks gekiekt, en dat zijn supergasreuzen met soms wel 11 keer de massa van Jupiter die een baan op grote afstand van hun ster beschrijven.

Foto’s maken van een kleine rotsplaneet dicht bij een felle ster als de zon is een stuk moeilijker omdat zo’n planeet tien miljard keer zo weinig oplicht als zijn ster. Een van de instrumenten van de Luvoir lost dat op met een schijf, een zogeheten coronagraaf, die het licht van de ster tegenhoudt.

Zo zal de telescoop het zwakke schijnsel van een planeet kunnen opvangen en foto’s kunnen maken van zusterplaneten van de aarde.

15 meter in doorsnee zal de spiegel van de Luvoir zijn: de grootste ter wereld.

Op basis van observaties van de ruimtetelescoop Kepler denken astronomen dat een kwart van de zonachtige sterren in de Melkweg rotsplaneten zo groot als de aarde in hun bewoonbare zone heeft, waar water in vloeibare toestand voorkomt.

En water is de belangrijkste aanwijzing voor telescopen die antwoord proberen te geven op de vraag of er elders in de ruimte leven is.

Sporen van leven in atmosfeer

Terwijl de Luvoir aardeachtige planeten zoekt, kijkt hij ook goed naar de atmosfeer van eventuele kandidaten. Als het licht van de dichtstbijzijnde ster weerkaatst op het oppervlak van een planeet en weer door de atmosfeer de ruimte in gaat, absorberen
verschillende moleculen ieder een andere golflengte van het licht.

Zo’n spectrum kan ons vertellen welke moleculen er zijn, en ook hoeveel het er zijn. Als er bijvoorbeeld zo veel zuurstof is dat ‘dode’ scheikundige processen dat niet kunnen verklaren, heeft de telescoop wellicht een planeet ontdekt met fotosynthetische planten of bacteriën.

Ook methaan, dat door herkauwers en bacteriën wordt geproduceerd, kan een aanwijzing zijn. Als dergelijke aanwijzingen zich opstapelen, wordt een planeet steeds interessanter als onderzoeksobject.

De concurrent van de Luvoir op dezelfde golflengten heet Habitable Exoplanet Imaging Mission, afgekort Habex.

Chemie verraadt leven

De ruimtetelescopen Habex en Luvoir blokkeren sterrenlicht en krijgen planeten daardoor haarscherp in beeld. Uit de weerkaatsing is af te leiden wat er in de atmosfeer zit en of er leven kan zijn.

  • Waterdamp

    Waterdamp (H2O) in de atmosfeer kan op zeeën en mogelijk leven duiden.

  • Zuurstof/ozon

    Zuurstof (O2)/ozon (O3) kan afkomstig zijn van fotosynthese door planten en bacteriën.

  • Methaan

    Methaan (CH4) wordt vaak gevormd door organismen als bacteriën.

  • Kooldioxide

    Kooldioxide (CO2) wordt uitgeademd door dieren, maar ook in vulkanen gevormd.

Deze telescoop zal met zijn spiegel met een diameter van 4 meter veel minder aardeachtige planeten vinden dan de Luvoir, maar de foto’s die hij maakt van zulke hemellichamen rond nabije sterren zullen prachtig zijn: de telescoop krijgt een soort parasol die het sterrenlicht beter tegenhoudt dan een coronagraaf.

De parasol is een bloemvormige schijf met een diameter van 72 meter, die uitgevouwen wordt in de zichtlijn tussen de Habex en een ster met een planetenstelsel – zoals de maan tijdens een totale zonsverduistering.

Een soort parasol van 72 meter breed houdt sterrenlicht tegen, zodat de Habex de atmosfeer van planeten kan doorlichten.

© NASA & Shutterstock

De Habex gaat echter eerst 111 sterren onderzoeken op planeten in de bewoonbare zone. Daarna wordt de parasol met behulp van een raketmotor voor de Habex gedraaid.

De wetenschappers denken dat er genoeg brandstof is om negen planetenstelsels te kunnen bestuderen, waarbij de planeten uitgebreid gefotografeerd worden en hun atmosfeer tot in detail in kaart zal worden gebracht in de zoektocht naar aarde 2.0.

Specialisten gaan raadsels van het heelal oplossen

De grote ruimtetelescoop Luvoir wordt net als zijn voorganger Hubble breed inzetbaar, terwijl zijn concurrenten Lynx, Habex en Origins uitblinken op één gebied.

Deze drie telescopen kunnen ons vertellen hoe superzware zwarte gaten ontstaan, waar we naar sporen van leven bij ons in de buurt moeten zoeken en hoe het licht van de eerste sterrenstelsels eruitzag.

Kandidaat 1: Lynx

Lynx vangt oeroude röntgenstralen op met ingewikkelde spiegel. De Lynx observeert de snelle groei van de eerste superzware zwarte gaten via de röntgenstraling die ze uitzenden wanneer ze gassen opslokken.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Röntgenstralen gaan dwars door een spiegel, tenzij ze er in een stompe hoek op vallen. De Lynx heeft daarom honderden spiegels in concentrische ringen die de stralen afbuigen, de detector in.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

De spectrometer van de detector meet golflengten, en de camera fotografeert de stralingsbron.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Kandidaat 3: Habex

Habex zoekt tekenen van leven met bijzondere parasol. Met een 72 meter brede ‘parasol’ kan de Habex onderzoeken of potentieel bewoonbare rotsplaneten ook echt tekenen van leven vertonen.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Het scherm staat op 124.000 kilometer afstand van de Habex en houdt het sterrenlicht tegen, zodat het 10 miljard keer zwakkere schijnsel van planeten te zien is.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Kandidaat 4: Origins

Origins ziet de eerste sterren met een bevroren spiegel. Toen de eerste sterren een paar honderd miljoen jaar na de oerknal gingen branden, scheidden ze zichtbaar licht af, dat door de uitdijing van het heelal uitgerekt is tot ver-infrarode golflengten.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

De Origins ziet deze golven met een extreem gekoelde spiegel en een nog koudere detector, die storende warmtestraling weghoudt. Het buitenste scherm blokkeert zonlicht tot 77 °C.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

Het binnenste scherm isoleert en koelt tot -238 °C.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

De detectoren worden gekoeld tot 0,05 graden boven het absolute nulpunt van -273,15 °C.

Chris Bickel/Science Reprinted with permission from AAAS & Claus Lunau

IJskoude telescoop zoekt water

Als we leven in de ruimte willen vinden, moeten we op zoek naar planeten waar vloeibaar water voorkomt. Rotsplaneten als de aarde bevatten na hun vorming waarschijnlijk weinig tot geen water, en waar die enorme oceanen vandaan komen, is nog de vraag.

Het antwoord kan gegeven worden door de Origins Space Telescope, die de reis van het water gaat volgen. Die begint in de ijskoude intergalactische wolken, waar het rond de -263 °C is, en gaat via schijven van stof en gas rond sterren, waar planeten geboren worden, naar de jonge rotsplaneten zelf, die om een centrale ster draaien.

De Origins Space Telescope moet met zijn hoofdspiegel van 9,1 meter het infrarode spectrum van het licht observeren tot aan het uiterste ver-infrarode gebied. Zo kan de ruimtetelescoop straling opvangen van zeer koude verschijnselen met temperaturen tot -268 °C.

De telescoop heet niet voor niets ‘oorsprong’: de Origins moet terugkijken tot aan de begintijd van het universum, toen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal de eerste sterren ontstonden.

Origins gaat achter water aan

De telescoop Origins moet ijskoude infraroodstraling van jonge sterrenstelsels observeren en de reis van watermoleculen, van gaswolken tot zeeën op rotsplaneten, in kaart brengen. Zo kunnen we achterhalen waar het water op aarde vandaan komt.

1. Zon mogelijk in water ontstaan

Als een dichte gaswolk afkoelt tot -263 °C, stort de wolk in en ontstaat er een ster omgeven door een schijf van stof en gas, waaruit planeten gevormd worden. Gaswolken die zo zonachtige sterren baren, bevatten mogelijk veel water, terwijl er minder water in de wolken van dwergsterren zit. De Origins gaat deze theorie toetsen op duizenden zonachtige sterren en dwergsterren.

2. IJs bombardeert rotsplaneten

Dicht bij een nieuwe ster verdampt het water en ontstaat er een cirkel van droge, primitieve planeten, die rotsplaneten worden. Verder van de ster bevriezen deze klompen, en volgens een nieuwe theorie wordt het ijs over de vorstgrens van het stelsel geslingerd en belandt het op de rotsplaneten. De Origins kan uitzoeken of dit echt zo werkt.

3. Water maakt een tijdreis

Volgens de gangbare theorie zijn rotsplaneten eerst droog en krijgen ze hun water van kometen en planetoïden. De Origins brengt in kaart waar zich het water bevindt in planetenstelsels van verschillende ouderdom en volgt zo het water in de loop van de tijd: van de buitenste zones, waar kometen ontstaan, via waterrijke planetoïdengordels naar de rotsplaneten.

De allereerste sterren waren, zo stelt de gangbare theorie, reuzen met een massa van honderden keren die van de zon en een oppervlak waar het 100.000 °C was. Deze sterren stuurden een grote hoeveelheid zichtbaar en infrarood licht en ultraviolette straling de ruimte in voor ze als supernova’s explodeerden.

Nu is het licht van deze giganten door de uitdijing van het heelal uitgerekt tot koude, ver-infrarode straling, en de Origins zal dit licht als eerste telescoop ooit kunnen zien.

Kosten geven de doorslag

Slechts één van deze vier telescopen wordt verwezenlijkt, maar nu al zijn de ontwerpen een stuk gedetailleerder dan dat van de James Webb toen die in 2001 werd gekozen tot vlaggenschip, en dat van de WFIRST-telescoop tien jaar later.

Beide projecten hebben hun budget flink overschreden. De James Webb wordt bijna negen keer zo duur als beraamd, en de WFIRST heeft een injectie van zeker 400 miljoen dollar nodig boven op de al geplande 3,2 miljard – nog voordat de telescoop de tekentafel ontstegen is.

De WFIRST is op z’n vroegst in 2025 klaar. Dan gaat hij zich verdiepen in de mysterieuze donkere energie die de uitdijing versnelt.

De gouden spiegel van 6,5 meter van de James Webb kan met zijn infrarode blik 13,5 miljard jaar terugkijken en zien hoe de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd.

© NASA Goddard

Het nieuwe ontwerp is aan een keiharde reality check onderworpen, waarbij gebruik is gemaakt van een database met de reële kosten van de instrumenten die voor 150 ruimtemissies van NASA zijn ontwikkeld.

Van de vier kandidaten voor het vlaggenschip van de jaren 2030 bestaan twee versies: een luxe variant van maximaal 8 miljard dollar, en een budgetmodel van 3 à 5 miljard dollar met een kleinere hoofdspiegel. De grote versie van de Luvoir heeft een spiegel met een diameter van 15 meter, terwijl de kleinere variant het met 8 meter moet doen.

De winnaar bepaalt of we in 2040 alles weten van het ontstaan van het heelal óf leven hebben gevonden op verre planeten.

Lees ook:

Telescopen

Nieuwe supertelescoop biedt haarscherp zicht op het heelal

14 minuten
Telescopen

Enorme telescoop speurt naar leven in nieuw zonnestelsel

1 minuut
Telescopen

Afscheid van de grootste planetenjager

5 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!