Reuzen wedijveren om de titel van telescoop van de toekomst

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.