Duizenden ogen op het vroegste heelal

De radiotelescoop in het Drentse Dwingeloo. Beeld TRBEELD

Met een schoteloppervlak van een vierkante kilometer wordt het de grootste radiotelescoop ter wereld. Square Kilometre Array bestaat uit vele schotels en antennes en toont het duistere heelal voordat er sterren waren.

Toen Naledi Pandor afgelopen maandag in Nederland arriveerde, was ze nog de Zuid-Afrikaanse minister van wetenschap. Maar 's avonds herschikte de nieuwe president Cyril Ramaphosa het kabinet, waardoor ze dinsdag vertrok als minister van hoger onderwijs. En de reden van haar bezoek - een conferentie in Den Haag over het internationale sterrenkundeproject SKA - niet meer onder haar portefeuille viel. Dat maakt niet zoveel uit, vertelt ze kort voor haar vertrek. "Zuid-Afrika heeft zich sterk gemaakt voor SKA omdat wij denken dat het goed is voor onze ontwikkeling. En nu, terwijl het onderzoek nog moet beginnen, hebben wij al 400 jonge wetenschappers en technici opgeleid die aan SKA werken."

Ze was al verantwoordelijk minister toen haar land nog in de race was met Australië om de grootste radiotelescoop ter wereld te huisvesten. Niet één reusachtige schotel, maar een combinatie van duizenden schotels en antennes waarvan de signalen zouden worden gekoppeld tot één beeld. Een telescoop die terug kon kijken tot de donkere beginjaren van het heelal. Pandor herinnert zich nog goed hoe de concurrent impliciet kon sneren dat de Afrikanen daar geen verstand van hadden. "Kies Australië, zeiden ze vaak, wij weten wat wetenschap is."

Vijf jaar geleden besloot de internationale gemeenschap beide landen een deel van het project te gunnen. In West-Australië komen 130.000 antennes te staan, Zuid-Afrika krijgt 200 schotels, terwijl in tal van andere landen datacentra worden ingericht om de enorme toevloed aan gegevens te verwerken en astronomen van dienst te zijn. In deze beginfase nemen tien landen, waaronder Nederland, aan SKA deel. Dit najaar wordt in Rome het verdrag ondertekend waarin naar verwachting veel meer landen zich aan het project zullen verbinden. Dan kan de bouw echt beginnen. In 2026, acht jaar later dan aanvankelijk gepland, moet SKA zijn voltooid. Verwachte kosten: 675 miljoen euro.

Die bouwfase wordt nog spannend, zegt Michiel van Haarlem, hoofd van het SKA-bureau in Nederland. Elk land levert straks stukjes van een puzzel, en die kan voortdurend veranderen. "Maar het moet straks wel passen." Bedenk wel, vult Carole Jackson, directeur van sterrenkunde-instituut Astron in Dwingeloo aan: "Het is geen massaproductie. Wij bouwen geen Boeings, wij bouwen één uniek instrument, dat ook nog eens vijftig jaar mee moet."

De keuze voor SKA is ook een logistieke, zegt ze. "Dit is economisch verantwoord om te doen en ook haalbaar voor de huidige generatie. We zouden ook voor een ruimtetelescoop kunnen opteren, maar zoiets is gauw vijf of tien keer zo duur." Met dergelijke vragen houdt Naledi Pandor zich niet bezig. Zij constateert hoe haar land nu al de vruchten plukt. "We hebben het woestijngebied al ontwikkeld. Infrastructuur aangelegd, energievoorzieningen, scholen. Onze bedrijven profiteren mee van de contracten. En als het af is zullen we zien dat mensen niet alleen naar Zuid-Afrika gaan om de big five in het Krugerpark te zien, maar ook om wetenschap te bedrijven."

De telescopen

Veel wandelaars worden nog altijd verrast door zijn imposante verschijning. Struinend door het Dwingelderveld verwachten ze een schaapskudde te ontmoeten of enkele Schotse Hooglanders, maar dan staan ze ineens oog in oog met de stalen kolos. Toen de radiotelescoop van Dwingeloo in 1956 werd voltooid, was hij met 120 ton staal en zijn schotel van 25 meter doorsnee even de grootste ter wereld.

De grote Nederlandse astronoom Jan Hendrik Oort wist dat hij met zijn geesteskind de stilte van de Drentse heide moest opzoeken. Hij wist ook wat hij ermee kon waarnemen: het alomtegenwoordige waterstof. Samen met Henk van de Hulst had hij berekend dat waterstof een radiosignaal uitzendt, de zogeheten 21cm-lijn. En niet onhandig: het radiosignaal had veel minder last van het Hollandse wolkendek dan het zichtbare sterrenlicht. Ze ontdekten met de Dwingeloose telescoop dat de Melkweg een spiraalstructuur had.

Maar toen astronomen dieper in het heelal wilden turen, verloor Dwingeloo zijn koppositie. Voor een beter zicht werden de schotels groter. Aan dat formaat zitten technische (en financiële) grenzen. De grootste beweegbare schotel is 100 meter in doorsnee. En in China ligt er één, vast in een bergkom, van 500 meter.

Het zicht van een telescoop is in twee factoren uit te drukken: de gevoeligheid (wat is de zwakste, of verste bron die je nog kunt zien) en de resolutie (tot op welke afstand kun je twee bronnen naast elkaar onderscheiden). De gevoeligheid hangt af van de grootte van de schotel, of eigenlijk de hoeveelheid straling die je ermee opvangt. Toen wetenschappers zich ten doel stelden dat hun telescoop gevoelig genoeg zou moeten zijn om waterstofstraling uit de begintijd van het heelal op te vangen, konden ze berekenen dat zijn schotel een vierkante kilometer groot zou moeten zijn - vandaar de naam Square Kilometre Array.

Tekst loopt door onder de afbeelding.

Artist impression van radiotelescopen ijn Zuid-Afrika (boven) en radioantennes in West-Australië. Beeld TRBEELD

Dat is een paar keer groter dan de onbeweeglijke Chinese recordhouder. Daarom is gekozen voor een systeem van gekoppelde telescopen, zoals de 14 schotels bij Westerbork. Bij SKA gaat het om 200 schotels van 15 meter die in een Zuid-Afrikaanse woestijn komen te staan, en 130.000 antennes verdeeld over 512 stations in West-Australië. Snelle computersystemen smeden alle binnenkomende signalen aaneen tot één beeld alsof het één grote schotel was. Als op een planeet, hier vijf lichtjaren vandaan, intelligent leven een vliegveld heeft aangelegd, zal SKA de radar opmerken.

Die grote spreiding heeft een extra voordeel: doordat de schotels en antennestations ver uit elkaar staan, is de resolutie ook veel groter. "Vergelijk het met een uil die, zittend op een tak, tuurt naar een muis in de verte", zegt Gert Kruithof, hoofd onderzoek van Astron. "De uil beweegt zijn kop van links naar rechts en krijgt zo meer diepte in zijn beeld. Die winst boekt SKA ook doordat de schotels zo ver uiteen staan."

Dat gaat niet vanzelf. Het wordt een hele toer om al die signalen te koppelen.Je moet rekening te houden met verschillen in aankomsttijd vanuit de ruimte, en met de weg die de signalen nog door de glasvezelkabels moeten afleggen. Nederland heeft veel voorwerk verricht. Astron in Dwingeloo is ook het zenuwcentrum van Lofar, een netwerk van duizenden radio-antennes, niet alleen in Drenthe, maar verspreid over Europa, tot in Ierland en Letland toe. "Dankzij Lofar weten we nu hoe we zo'n toevloed aan data moeten koppelen en verwerken", zegt Michiel van Haarlem, hoofd van het SKA-bureau in Nederland. "Nu hebben we er een redelijk vertrouwen in dat we over zeven jaar, als SKA gaat draaien, de veel grotere datastroom kunnen behappen."

En als dat lukt, hebben antennes weer een voordeel boven schotels. "Een schotel richt je op een bepaald punt. De antennes zien het hele gewelf. Door de software slim te kiezen, kun je alle signalen laten uitdoven, behalve uit één hoek." Dat komt van pas bij sterexplosies of andere uitbarstingen aan de hemel. Een schotel mist zoiets vaak omdat het te veel tijd kost om hem die kant op te richten. Antennes hebben hem altijd op beeld; dan wordt het hooguit een kwestie van slim terugzoeken in de data.

Waarom niet heel SKA is opgebouwd uit antennes, heeft te maken met zijn bereik, zegt Van Haarlem. De antennes meten bij relatief lage frequenties (ongeveer 100 MHz) en dus lange golflengtes (in de orde van 1 meter). De schotels zitten bij veel hogere frequenties (tot 20.000 MHz), en heel korte golflengtes. "Bij lange golven zijn de antennes het efficiëntst. Wordt de golflengte veel korter dan moet je miljoenen antennes ook heel dicht opeen plaatsen. Dat wordt onbetaalbaar."

De missie

De eerste 150 miljoen jaar van zijn bestaan was het heelal een duister oord. De ruimte was slechts gevuld met een ijle wolk van waterstof. Langzaam klonterde dat gas bijeen tot de ontstane massa's zo groot werden dat ze in hun kern energie produceerden. Het licht ging aan in het universum.

Dat waterstof zond wel onzichtbaar licht uit, radiogolven om precies te zijn, die ook door radiotelescopen zijn waargenomen, maar het signaal is zo zwak dat er nog nauwelijks aan af te lezen is wat er in die zogeheten Dark Age gebeurde. "Lofar, ons huidige netwerk van radio-antennes, probeert dat nu op een statistische manier in kaart te brengen", zegt directeur Carole Jackson van Astron. "SKA zal een veel hogere resolutie hebben. De telescoop moet in staat zijn afzonderlijke sterren waar te nemen en zal echt in kaart brengen hoe de eerste sterrenstelsels zijn ontstaan."

Het is niet het enige doel van SKA. "Zoals ook de Hubble ruimtetelescoop zijn missie heeft volbracht door de Hubbleconstante exact vast te leggen, maar ook vele andere topprestaties op zijn naam heeft staan."

De telescoop zal ook onderzoek doen naar de uitdijing van het heelal, naar de rol van kosmisch magnetisme, naar de vraag of er elders leven is. Eén voorbeeld licht ze eruit: pulsars. "Dat zijn de vuurtorens van het heelal. Zeer snel ronddraaiende neutronensterren die met een ongekend exacte regelmaat pulsen uitzenden. SKA zal op zoek gaan naar pulsars in extreme omgeving, in de buurt van een zwart gat bijvoorbeeld. Volgens Einstein vertraagt een zwart gat de tijd, en dat zou de telescoop moeten kunnen meten." Intussen moet de telescoop toegerust kunnen worden op nieuwe vragen. "Ik hoop dat over tien jaar mijn opvolger over andere doelen praat dan de Dark Age of pulsars. Onze missie is eigenlijk: laat de ontdekkingen maar komen."

De data

Spreek je over radio-astronomie, dan heb je het over big data. "Dat is in ons vak heel extreem", zegt Gert Kruithof van Astron. De getallen tarten ieders voorstellingsvermogen. Zo zijn de datastromen die straks door de glasvezelkabels lopen, ruim honderd keer zo groot als het gehele wereldwijde internetverkeer. Iedere seconde genereren de antennes genoeg data om 35.000 dvd's te vullen. De centrale computer van SKA zal de verwerkingscapaciteit hebben van 100 miljoen pc's. Kruithof laat een signaalverwerkingsbord zien dat Astron voor SKA ontwierp. Het is een printplaat van 10 bij 20 centimeter. "Er kunnen evenveel data door als ook door het internetknooppunt in Amsterdam gaan. Op het bord worden de data ook nog bewerkt."

Radio-astronomie met antennes is veel data-intensiever dan optische sterrenkunde of radio-astronomie met schotels. Die schotels zijn spiegels die de signalen van een klein stukje hemel naar een detector sturen. Als je met antennes werkt, heb je geen spiegel meer. Elke antenne vangt alle golven van de hele hemel op. Bij elkaar zijn dat enorm veel data. De software in de computer vormt dan eigenlijk de spiegel die uit al die data weer een beeldpunt aan de hemel reconstrueert. "Het komt er op neer dat je per beeldpunt aan de hemel signaal veel meer data hebt."

Het is aan de sterrenkundigen om daarmee overweg te kunnen, maar de maatschappij kan er de vruchten van plukken. "Als we straks via een smart grid apparaten en energiesystemen willen koppelen, in een waterstofeconomie bijvoorbeeld, krijgen we met dezelfde complexiteit te maken."

Dat dat geen grootspraak is, was bij een eerder gesprek op Astron al gebleken. "Weet u wat de grootste maatschappelijke verworvenheid van de radio-astronomie is?", vroeg directeur Carole Jackson. "Wifi. Dat is in de jaren zeventig hier op dit instituut uitgevonden. Een medewerker, John O'Sullivan, zocht een manier om kleine, exploderende zwarte gaten te ontdekken. Het algoritme dat hij ontwierp, om een patroon uit een brij aan signalen te vissen, heeft hij later gepatenteerd als basis voor wifi. Helaas voor Nederland was John toen al teruggekeerd naar Australië."

Lees ook:

Onder de Limburgse heuvels moet een telescoop komen te liggen die een nieuwe kijk biedt op het heelal.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden