21-centimeterlijn: hoe waterstof het heelal verklapt
Overal in het heelal zweeft waterstofgas: onzichtbaar, koud en verspreid over enorme afstanden. Toch kunnen astronomen dat gas opsporen, zelfs op miljarden lichtjaren afstand, dankzij één specifieke radiogolf: de 21-centimeterlijn. Het is de "herkenningsmelodie" die waterstofatomen uitzenden, op een golflengte van ongeveer 21 centimeter, in het radiodeel van het elektromagnetisch spectrum.
Vergelijk het met een radiozender die altijd op precies dezelfde frequentie uitzendt. Wie zijn ontvanger op die frequentie afstemt, hoort het signaal ongeacht waar de zender staat. Zo werkt het ook met de 21-centimeterlijn: door radiotelescopen op deze frequentie te richten, vinden onderzoekers waterstofgas terug op plekken waar met gewone optische telescopen niets te zien is, van stofwolken in onze eigen Melkweg tot de allervroegste fase van het heelal, lang voordat de eerste sterren gingen schijnen.
Wat is het precies?
Een waterstofatoom is het eenvoudigste atoom dat bestaat: één proton in de kern, met daaromheen één elektron. Beide deeltjes hebben een eigenschap die natuurkundigen "spin" noemen, een soort ingebouwde draairichting, vergelijkbaar met een piepklein magneetje met een noord- en zuidpool.
Wanneer de spin van het elektron en die van het proton in dezelfde richting wijzen, zit het atoom in een toestand met net iets meer energie dan wanneer de spins tegengesteld staan. Heel af en toe "klapt" de spin van het elektron om, van gelijkgericht naar tegengesteld. Bij die overgang komt het kleine energieverschil vrij als een foton, een lichtdeeltje, met een exact vastliggende frequentie van 1420,405751 MHz. Dat komt overeen met een golflengte van 21,106 centimeter, vandaar de naam.
Deze overgang is op het niveau van één atoom extreem zeldzaam: gemiddeld doet een individueel waterstofatoom dit maar eens in de elf miljoen jaar. Maar waterstof is verreweg het meest voorkomende element in het heelal, en er is zoveel gas dat op elk moment toch een meetbaar aantal atomen dit signaal uitzendt. Met gevoelige radiotelescopen is dat zwakke, maar continue signaal op te vangen.
Belangrijk is ook dat de uitgezonden golf door kosmische uitdijing wordt "uitgerekt" naarmate het signaal langer onderweg is. Hoe verder (en dus ouder) de bron, hoe meer de golflengte is opgerekt naar lagere frequenties, een effect dat roodverschuiving heet. Door die verschuiving te meten, weten astronomen niet alleen dát er waterstof is, maar ook hoe ver weg en hoe oud het signaal is.
Wat wil men ermee bereiken?
De eerste, praktische reden om de 21-centimeterlijn te gebruiken is dat radiogolven van deze golflengte vrijwel ongehinderd door kosmisch stof reizen, terwijl zichtbaar licht daardoor juist wordt geblokkeerd. Daardoor kon deze techniek in de twintigste eeuw voor het eerst de spiraalstructuur van onze eigen Melkweg in kaart brengen, iets wat met gewone telescopen onmogelijk was omdat we vanuit de Melkweg zelf geen goed overzicht hebben en het zicht op grote afstand door stofwolken wordt weggenomen.
Een tweede doel is het meten van de rotatiesnelheid van gas in sterrenstelsels. Uit die metingen bleek dat de buitenranden van stelsels veel sneller draaien dan alleen op basis van de zichtbare massa te verwachten viel, een van de belangrijkste aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie: onzichtbare massa die wel zwaartekracht uitoefent maar geen licht uitzendt.
Het meest ambitieuze doel ligt in de kosmologie. Vlak na de oerknal was het heelal gevuld met een dichte mist van neutraal waterstofgas, en er waren nog geen sterren om licht te geven. Deze periode heet "cosmic dawn", de kosmische dageraad: de fase waarin de eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden en hun straling het omringende waterstof begon te verhitten en te ioniseren (de elektronen van de atomen losschieten). De daaropvolgende fase, waarin vrijwel al het waterstof in het heelal geleidelijk geïoniseerd raakte, heet de "epoch of reionization" of reionisatieperiode. Omdat er in die tijd nog geen sterlicht was om mee te kijken, is de roodverschoven 21-centimeterlijn een van de weinige mogelijke manieren om deze periode rechtstreeks te onderzoeken.
Voorbeelden uit de praktijk
De Dwingeloo-radiotelescoop in Nederland, gebouwd in 1956, was een van de eerste instrumenten die gericht werd ingezet om met de 21-centimeterlijn de spiraalarmen van de Melkweg te karteren, werk waar Nederlandse astronomen als Jan Oort een leidende rol in speelden.
Het EDGES-experiment (Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature), opgesteld in de afgelegen Australische outback, maakte in 2018 wereldnieuws met de claim een absorptiesignaal van de kosmische dageraad te hebben gemeten, van gas uit een tijd ongeveer 180 miljoen jaar na de oerknal. Het signaal was sterker dan modellen voorspelden, wat leidde tot speculatie over onbekende interacties tussen gewone materie en donkere materie. Latere, onafhankelijke metingen met het Indiase SARAS-experiment (rond 2022) konden dit resultaat echter niet reproduceren, waardoor de oorspronkelijke EDGES-claim tot op heden omstreden en niet onafhankelijk bevestigd is.
HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array), een netwerk van schotelantennes in de afgelegen Karoo-woestijn in Zuid-Afrika, probeert niet één scherp beeld te maken, maar het reionisatiesignaal statistisch op te sporen in de ruis. Het project publiceert sinds enkele jaren steeds strengere bovengrenzen aan de sterkte van dat signaal.
LOFAR (Low Frequency Array), met zijn kern in Drenthe en uitlopers door heel Europa, beheerd door het Nederlandse instituut ASTRON, heeft de zoektocht naar het reionisatiesignaal als een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen. Ook hier zijn tot nu toe alleen bovengrenzen gepubliceerd, geen bevestigde detectie.
Hoe ver is de techniek?
Voor het in kaart brengen van waterstofgas in de Melkweg en nabije sterrenstelsels is de 21-centimetertechniek allang volwassen en routinematig, met decennia aan betrouwbare data. Het kosmologische signaal uit de kosmische dageraad en de reionisatieperiode is echter nog altijd niet met zekerheid en onafhankelijk bevestigd vastgesteld.
Het grootste obstakel is de zwakte van het signaal: het is duizenden keren zwakker dan de radiostraling die als "achtergrondruis" van onze eigen Melkweg en andere sterrenstelsels op dezelfde frequenties binnenkomt. Die veel sterkere voorgrondstraling moet met extreme precisie worden weggefilterd zonder het gezochte signaal zelf te beschadigen, een van de lastigste data-analyseproblemen in de huidige radioastronomie. Daarnaast is menselijke radiostoring (van fm-radio, televisie, satellieten en mobiele netwerken) een groot probleem, wat verklaart waarom deze telescopen juist in extreem afgelegen, radiostille gebieden staan, zoals de Australische outback en de Zuid-Afrikaanse Karoo.
De voortgang verloopt in kleine stapjes: elke nieuwe observatiecampagne van HERA, LOFAR en de Murchison Widefield Array (MWA) in Australië levert iets strengere bovengrenzen op, maar nog geen doorbraak. De verwachting in het veld is dat de volgende generatie telescopen, met name de Square Kilometre Array, de gevoeligheid gaat halen die nodig is voor een overtuigende detectie, al is niet met zekerheid te zeggen wanneer dat precies lukt.
Wie werken eraan?
In Nederland is ASTRON, het Nederlands Instituut voor Radioastronomie, historisch en nog altijd nauw betrokken, van de pioniersjaren met de Dwingeloo- en Westerbork-telescopen tot de huidige coördinatie van LOFAR. In Zuid-Afrika host SARAO (South African Radio Astronomy Observatory) zowel HERA als een deel van de toekomstige Square Kilometre Array. In Australië werken CSIRO en instellingen als Curtin University aan de MWA en het Australische deel van de SKA. In de Verenigde Staten zijn onder meer Arizona State University (bij EDGES) en het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) actief, en in India draagt het Raman Research Institute bij met het SARAS-experiment.
Het grootste toekomstige project, de Square Kilometre Array Observatory (SKAO), is een internationaal samenwerkingsverband met deelnemende landen waaronder Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Australië, Zuid-Afrika, Italië en China, dat telescopen bouwt in zowel Zuid-Afrika als Australië. Reionisatie en kosmische dageraad staan bij dit project te boek als een van de belangrijkste wetenschappelijke speerpunten voor de komende jaren.