Claus Lunau & Shutterstock

Maantelescoop kijkt terug naar de oerknal

Licht uit de begintijd van het universum kunnen we op aarde niet zien. NASA wil het nu vanaf de maan proberen.

Al voordat de ruimtetelescoop Hubble in 1990 werd gelanceerd, hadden astronomen het erover hoe zijn opvolger eruit zou kunnen zien. Een grotere telescoop in een baan rond de aarde? Of misschien een sterrenkijker op de maan? Astronoom Garth Illingworth stelde een maantelescoop met een doorsnee van 16 meter voor. Stukken groter dus dan de Hubble met zijn 2,4 meter.

De opvolger van de Hubble is de James Webb-telescoop, die volgend jaar wordt gelanceerd, maar NASA is ook bezig met een maantelescoop.

Het wil de grootste telescoop ooit bouwen, met een doorsnede van een kilometer, in een krater aan de achterzijde van de maan. NASA heeft recent een groep wetenschappers geselecteerd om de technologie te ontwikkelen voor de nieuwe telescoop, die de naam Lunar Crater Radio Telescope krijgt.

Deze telescoop kan signalen uit de ruimte opvangen die de aarde nooit bereiken, omdat ze worden afgeremd door zonnedeeltjes. Daarnaast worden deze signalen geblokkeerd door communicatiesignalen van en naar satellieten, en de bovenste laag van onze atmosfeer.

Met behulp van een gigantische schotel op de maan kunnen wetenschappers de signalen analyseren die afkomstig zijn uit het begin der tijden en zo misschien antwoord vinden op de belangrijkste kosmische vragen – en misschien zetten we wel de volgende stap op zoek naar buitenaards leven.

Rovers bouwen enorme telescoop

Een landingsmodule met de samengevouwen telescoop landt in een krater op de maan, waar rovers klaarstaan om hem uit te vouwen. Dit wordt de grootste telescoop in ons zonnestelsel en hij moet astronomen helpen bij hun onderzoek naar de begintijd van het universum.

Claus Lunau

De module ontvouwt zich

Een module met de opgevouwen telescoop landt in een maankrater, ontvouwt zich en legt kabels bloot die weer verbonden zijn met de ontvanger. De rovers koppelen een set wielen af die de krater in rijdt en de kabels grijpt.

Claus Lunau

Rovers tillen ontvanger op

De wielenset wordt nu met behulp van een katrol weer omhoog getrokken door de rovers, die zijn verankerd bij de rand van de krater. Op deze manier worden de kabels over de krater heen gespannen en wordt de ontvanger van de telescoop opgetild.

Claus Lunau

Een net wordt uitgevouwen

De rovers sturen de wielenset weer terug de krater in. Deze keer grijpen ze een kabelnet vast en spannen dit over de krater. Het net reflecteert radiogolven vanuit de ruimte, zodat ze de ontvanger boven de krater raken.

Claus Lunau

Maan is een schild tegen rommel

De aarde en de maan staan altijd met dezelfde kant naar elkaar toe. De zwaartekracht zorgt er namelijk voor dat de maan net zo lang doet over een rondje rond de aarde als over het maken van één rotatie om haar as. Dit fenomeen heet synchrone rotatie.

Het is een groot misverstand dat de achterzijde van de maan altijd donker is – in werkelijkheid is het daar licht tijdens de eerste 14 dagen van de maand en donker tijdens de volgende 14 dagen.

De nacht op de maan is vooral interessant, omdat wetenschappers de radiogolven willen opvangen die anders verstrikt raken in het web van communicatiesignalen van satellieten en zonnedeeltjes. Dit noemen we ook wel radioruis. Tijdens de 14 dagen dat de nacht duurt en de achterzijde van de maan van de aarde en zon is afgewend, is er aan deze zijde geen ruis te bekennen.

Astronoom Saptarshi Bandyopadhyay van het NASA Jet Propulsion Laboratory vertelt hierover aan Wetenschap in Beeld.
‘De maan fungeert als een fysiek schild, waardoor de telescoop aan de achterzijde geen last heeft van radioruis van aardse bronnen, ionosferen, satellieten in een baan om de aarde en de radioruis die de zon tijdens de maannacht uitstoot,’ legt hij uit.

Bekijk de fascinerende achterzijde van de maan

Met beelden van de Lunar Reconnaissance Orbiter heeft NASA deze video gemaakt, waarin de achterzijde van de maan te zien is.

Saptarshi Bandyopadhyay geeft leiding aan een onderzoeksteam dat net subsidie heeft gekregen via het programma NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) voor veelbelovende ideeën.

Het idee van een maantelescoop, zo vertelt hij, ontstond toen astronomen het oudste deel van het universum wilden bestuderen. Dat kan eigenlijk alleen met extreem lange radiogolven met een lengte van meer dan 10 meter.

Het licht van kort na de oerknal is namelijk ‘uitgerekt’ tot lange radiogolven. In die vorm is het licht naar ons toe gereisd vanaf het allereerste begin en het universum is sindsdien altijd met grote snelheid uitgedijd. Ook dit licht Saptarshi Bandyopadhyay toe.

‘Het is niet mogelijk om op aarde signalen uit het heelal met een golflengte van meer dan tien meter op te vangen. Daarom zijn deze golflengten tot op heden onontgonnen terrein voor mensen,’ vertelt hij.

Astronomen willen radiosignalen uit de ruimte met een golflengte van meer dan 10 meter bestuderen, omdat precies dat type signaal ons meer kan vertellen over de geboorte van het universum. Telescopen op aarde kunnen deze signalen niet opvangen, omdat de zogeheten ionosfeer ze tegenhoudt. Daarnaast zorgt de communicatie via onze satellieten voor zogeheten ruimteruis die zelfs de maan bereikt. De achterzijde van de maan staat altijd weggedraaid van de aarde en ligt daarmee buiten het bereik van de ruis. Daarom kan een telescoop aan die zijde zonder problemen onbekende radiosignalen uit de ruimte opvangen.

© Shutterstock

Robots dalen af in krater

Een reguliere radiotelescoop bestaat uit een ontvanger die boven een zogeheten reflector hangt. Deze reflector weerkaatst radiogolven richting de ontvanger.

De grootste radiotelescoop ter wereld is de Chinese FAST, met een diameter van 500 meter. Veel kraters aan de achterzijde van de maan hebben al een beetje de vorm van een sferische reflector.

Het team van Saptarshi Bandyopadhyay wil een krater vinden met een diameter van 1-5 kilometer en daar twee ruimtevaartuigen heen sturen.

Het ene vaartuig bevat de ontvanger en de reflector en landt op de bodem van de krater.

De reflector bestaat uit een net van koperen of aluminium kabels, en heeft een diameter van ongeveer 1 kilometer.

Het andere vaartuig bevat rovers met vier wielen met de naam DuAxel. Ze koppelen één set wielen af die vervolgens langs een kabel afdaalt in de krater.

De wielsets van de rover grijpen de kabels die zijn verbonden met de ontvanger van de telescoop.

Ze rijden de krater weer uit met de kabels en zetten ze vast op de kant. De ontvanger komt zo boven de krater te hangen.

Vervolgens herhalen de rovers deze handeling, maar nu spannen ze het net met een diameter van 1 kilometer boven de krater, zodat het de vorm van een parabool krijgt.

De wetenschappers achter dit idee willen graag dat de onderdelen van de telescoop en de rovers naar de maan worden gestuurd met de nieuwe NASA-raket, Space Launch System, die vermoedelijk eind 2021 voor het eerst wordt gelanceerd. De rovers hebben daarna vermoedelijk twee jaar nodig om de telescoop in elkaar te zetten.

De maan wordt één grote telescoop

Een telescoop met een diameter van een kilometer, die geen last heeft van radioruis van de aarde en de zon, is het ultieme apparaat om mee in het verleden van het universum te kijken.

Astronomen willen graag meer te weten komen over de zogeheten Dark Ages, zo’n 380.000 - 1,5 miljoen jaar na de oerknal, waarin het universum afkoelde en een tijdje helemaal donker was, en over hoe de eerste sterren zich vormden, waarschijnlijk zo’n 400 miljoen jaar na de oerknal.

NASA’s DuAxel-rover kan een wielenset afkoppelen die zelf vanaf een berghelling kan afdalen.

© Caltech-JPL/NASA

De zwakke signalen van de eerste sterren, die lang onderweg zijn geweest en alleen kunnen worden opgevangen als radiogolven met een lange golflengte, geven uiteindelijk antwoord op een van de belangrijkste vragen in de astronomie: hoe kwam het heelal dat we vandaag de dag kennen tot stand?

De maantelescoop kan ook worden gebruikt om te onderzoeken of exoplaneten – planeten in een baan rond andere sterren dan de zon – plaats kunnen bieden aan biologisch leven, zoals we dat van de aarde kennen.

Daarvoor heeft een planeet een magnetisch veld nodig, dat haar beschermt tegen de straling van haar ster. En als dit magnetische veld een wisselwerking heeft met de straling van haar ster, worden er radiogolven verzonden die de maantelescoop kan opvangen.

Deze telescoop met een doorsnede van een kilometer is wellicht niet de enige die op weg is naar de maan.

NASA ondersteunt namelijk ook het project FARSIDE. Het plan is dat een rover 128 antennes plaatst, verdeeld over vier bogen die ruim 5 kilometer lang zijn. FARSIDE zou het allervroegste sterrenloze universum gaan onderzoeken.

Sommige astronomen gaan nog een stapje verder. De vermaarde Britse astrofysicus Joseph Silk heeft in het tijdschrift Nature een plan onthuld om miljoenen kleine antennes op de andere kant van de maan te plaatsen.

De kant van de maan die we nooit zien, kan daarmee dienstdoen als één gigantische telescoop die ons een kijkje geeft in de oudste geheimen van het universum.