Telescoop voorspelt ondergang van heelal

Astronomen hebben echter nog meer ambities met de ruimtetelescoop Roman: uitzoeken hoe de raadselachtige donkere energie de uitdijing van het heelal versneld heeft. Want daaruit valt op te maken hoe de afstotende kracht werkt en hoe het heelal ooit aan zijn einde zal komen.

Genoemd naar Hubbles moeder

De Romantelescoop is al tien jaar in de maak onder de naam Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST).

Hij zou oorspronkelijk een gloednieuwe hoofdspiegel van 1,3 meter doorsnee krijgen, maar toen NASA in 2012 een 2,4 meter grote lichtgewichtspiegel van een uitgediende spionagesatelliet gratis kon overnemen, kwam de vaart erin.

Begin 2020 gaf NASA de ingenieurs van het Jet Propulsion Laboratory in Californië, VS, groen licht om de instrumenten van de Roman te gaan bouwen en testen.

Enkele weken later werd de telescoop omgedoopt en genoemd naar Nancy Grace Roman, die in 2018 op 93-jarige leeftijd stierf.

Nancy Grace Roman werd geboren in 1925 in Tennessee en besloot al op jonge leeftijd om astronoom te worden, al raadde de schoolrector meisjes af om natuurkunde te studeren. In 1949 promoveerde ze in de astronomie, en tien jaar later werd ze hoofd astronomie bij NASA.

Onder haar supervisie werden meerdere astronomische satellieten gelanceerd, maar Roman was met name de drijvende kracht achter de Hubbletelescoop.

Als het project volgens plan verloopt, zal NASA de Romantelescoop naar de baan van het stabiele lagrangepunt 2 sturen, op 1,5 miljoen kilometer van de aarde, in de tegenovergestelde richting van de zon.

Anders dan de Hubble, die in een lage baan op 540 kilometer hoogte cirkelt, krijgt de Roman vrij uitzicht op de ruimte zonder storing van de aarde. En aan uitzicht schort het niet.

De infrarode pixelsensoren geven de telescoop namelijk een blikveld dat 100 keer zo breed is als dat van de Hubble, waarmee hij de lucht circa 200 keer zo snel kan afspeuren.

De wetenschappelijke instrumenten van de Roman moeten bij de lancering perfect werken, want NASA kan er geen astronaut heen sturen om de Roman te repareren of aan te passen, zoals vijf keer met de Hubble is gebeurd in de jaren 1993 tot 2009.

Het is de bedoeling dat de Roman tien jaar functioneert, en al na de eerste vijf zal de nieuwe ruimtetelescoop 50 keer zo veel van de hemel hebben waargenomen als de Hubbletelescoop in 30 jaar.

Telescoop zoekt kopie van aarde

De Roman wordt de eerste ruimtetelescoop met een geavanceerde coronagraaf die, met behulp van lenzen en spiegels, het felle licht van een ster wegfiltert om exoplaneten die op de aarde lijken te kunnen fotograferen.

De coronagraaf vertraagt de helft van de lichtgolven in het sterrenlicht, zodat ze in de maat van de andere helft van de lichtgolven gaan trillen. Daarbij doven de lichtgolven elkaar door het verschijnsel ‘destructieve interferentie’.

Kleine beetjes sterrenlicht glippen echter langs de rand van de lenzen. Dit wordt verwijderd door de vorm van twee spiegels in de coronagraaf aan te passen met honderden kleine zuigers.

De Roman zal dan al de grote gasreuzen en ijsreuzen kunnen zien, maar om de binnenplaneten van het sterrenstelsel heel duidelijk in beeld te krijgen, moet geavanceerde software de resolutie van het beeld verbeteren totdat de kleine rotsplaneten volledig scherp zijn.

Ook de infraroodcamera van de Roman maakt gebruik van een nieuwe techniek. Tot dusver zijn er 4000 exoplaneten ontdekt met behulp van twee methoden die geschikt zijn voor het spotten van grote gas- en ijsreuzen die in een nabije baan om hun ster cirkelen.

De meest gebruikte is de transitmethode, waarbij de planeet die langs een ster trekt, een schaduw werpt en het licht van de ster iets dimt. De tweede methode kijkt naar de bewegingen van de ster.

Als de ster enigszins slingert, is dat een teken dat een grote planeet erlangs is gescheerd en de ster heeft beïnvloed met zijn gravitatieveld.

De Roman gaat gebruikmaken van een derde verschijnsel, dat optreedt wanneer een verre ster achter een andere ster langs trekt.

De nabije ster fungeert als een soort gravitatielens, die de ruimte rond zich kromt en daarom twee versterkte beelden van de verre ster naar de camera van de telescoop stuurt.

Als er een planeet om de nabije ster draait, werkt die als een kleine, toegevoegde gravitatielens die een piek teweegbrengt in het uitgezonden licht. En deze piek kan de camera van de Roman opvangen.

Video: Kijk hoe de Roman precies exoplaneten op het spoor komt.

Er zijn nog maar 86 exoplaneten ontdekt met de nieuwe methode; vondsten worden meestal gedaan met telescopen op aarde, die werken met zichtbaar licht.

Gravitatielenzen zijn zeer zeldzaam, en de grootste kans om ze te vinden is in het centrum van de Melkweg, waar de sterrendichtheid het grootst is.

Daar wordt zichtbaar licht echter geblokkeerd door grote hoeveelheden stof.

Anders dan de grondtelescopen werkt de Roman met langgolvige infrarode straling, die door stof heen dringt.

Met zijn brede blikveld kan de ruimtetelescoop 100 miljoen sterren volgen in het hart van de Melkweg en veel ‘lensgebeurtenissen’ opvangen, die vaak maar een paar uur duren.

De nieuwe methode is gevoelig genoeg om kleine rotsplaneten te vinden ter grootte van Mars. Daarom zal de Roman waarschijnlijk veel rotsplaneten in de bewoonbare zone rond hun ster aantreffen, waar vloeibaar water, en dus leven, kan bestaan.

Chemie geeft mogelijk leven prijs

Als de Roman foto’s van exoplaneten kan maken, dan is dat een revolutie in het planetenonderzoek, vooral als daarop een rotsplaneet te zien is, met oceanen en continenten – zoals de aarde.

De coronagraaf krijgt bovendien een spectrometer, die de samenstelling van de atmosfeer kan bepalen en sporen van leven kan zoeken.

Wanneer de weerschijn van een exoplaneet door die atmosfeer heen trekt, absorberen verschillende stoffen elk een golflengte van het licht, waaruit blijkt wat de chemische samenstelling van de atmosfeer is.

Als er bijvoorbeeld heel veel zuurstof aanwezig is, is dat mogelijk een teken dat er fotosynthetische planten of bacteriën op de planeet leven. Een andere ‘klikspaan’ is methaan, dat op aarde op grote schaal wordt aangemaakt door bacteriën en herkauwers.

De coronagraaf van de Roman moet vooral scherpstellen op nabije sterren met planetenstelsels die ontdekt worden met de huidige planetenjager Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Deze bestudeert op dit moment 200.000 nabije sterren met rotsplaneten die leven kunnen huisvesten.

Supernova’s als ijkpunten

Door de combinatie van groothoekcamera en infraroodpixelsensor kan de telescoop bovendien ver terugkijken in tijd en ruimte.

Zichtbaar licht van verre sterrenstelsels op weg naar ons toe wordt uitgerekt tot langere infraroodgolflengten vanwege de versnelde uitdijing van het heelal.

Dit verschijnsel heet roodverschuiving, en het speelde een belangrijke rol bij de ontdekking van een donkere, afstotende energie.

Het bestaan van donkere energie bleek bij sterrenexplosies, vooral supernova’s van het type Ia. Omdat supernova’s dezelfde massa hebben, is de lichtsterkte uniform en kunnen ze dienen als kosmische ijkpunten die afstanden in de ruimte aangeven.

Dit ontdekten astronomen in 1998, toen verre supernova’s onverwacht zwak schenen in vergelijking met nabijere exemplaren.

De lichtvariatie was volgens de onderzoekers te wijten aan het feit dat de verre supernova’s gewoon verder weg waren dan verwacht, omdat de uitdijing van het heelal versneld is. Dit is bevestigd door de roodverschuiving van het licht van de supernova’s te meten.

Hoe meer de golflengte uitgerekt is, des te sneller de ruimte in die tijd is gegroeid.

Tegenwoordig weten astronomen dat de snelheid waarmee het heelal uitdijde, in de eerste 9 miljard jaar na de oerknal vertraagd is doordat clusters van sterrenstelsels op dat moment dichter bij elkaar stonden en hun onderlinge zwaartekracht de uitdijing afremde.

Maar 5 miljard jaar geleden nam de afstotende donkere energie het over. Waarom donkere energie heeft gewonnen, is nog steeds een raadsel, en daarom zal de Roman in de eerste plaats detailmetingen moeten leveren van de uitdijing van het heelal door de jaren heen.

Daartoe moet hij onder andere veel supernova’s observeren die tijdens de kritieke periode van ongeveer 5 miljard jaar geleden explodeerden.

Twee theorieën tegenover elkaar

De reden dat veel wetenschappers zo graag willen weten hoe snel het heelal vanaf de oerknal is uitgedijd, is dat die expansie kan aangeven hoe donkere energie werkt.

Momenteel zijn er twee hoofdtheorieën. Het toonaangevende model is gebaseerd op de relativiteitstheorie en stelt dat donkere energie ontspringt uit de lege ruimte tussen de sterrenstelsels.

De theorie voorspelt dat donkere energie constant is; een vacuüm van een bepaalde grootte bevat dus altijd dezelfde hoeveelheid afstotende energie.

Naarmate het heelal uitdijt, is het vacuüm toegenomen, en daardoor heeft donkere energie in de loop van de tijd ook aan kracht gewonnen, waardoor die 5 miljard jaar terug de zwaartekracht versloeg en de uitdijing van het heelal heeft weten te versnellen.

Theorie twee stelt dat donkere energie een onbekend krachtveld is dat het heelal vult en in de tijd kan variëren. Dit veld zou 5 miljard jaar terug krachtiger zijn geworden, waardoor het heelal sneller is gaan uitdijen.

Door de uitdijingssnelheid in kaart te brengen, valt te bepalen welke theorie hout snijdt. Als de snelheid evenredig met het volume van het heelal is toegenomen, duidt dit op een donkere energie van constante kracht.

Maar als de mate van uitdijing door de tijd heen varieert, wijst dat in de richting van een veranderend krachtveld.

Het antwoord van de Roman is bepalend voor ons begrip van de ontwikkeling van het heelal – en voor het voorspellen van zijn toekomst.

Want met een constante donkere energie zal het heelal alsmaar sneller blijven uitdijen. Maar als de donkere energie een wisselend krachtveld is, kan dit veld ooit zo explosief groeien dat de afstotende energie ten slotte alle sterren en planeten uiteenrijt.

Wordt het veld echter zwakker, dan neemt de zwaartekracht het weer over en wordt de massa opeengeperst in een big crunch.

Nancy Grace Romans visie draagt dus niet alleen bij aan het zoeken naar buitenaards leven, maar kan ook uitwijzen hoe alles afloopt.