Radiotelescoop: het heelal beluisteren in plaats van bekijken
Een radiotelescoop is geen telescoop in de gebruikelijke zin: je kijkt er niet doorheen en ziet geen sterren fonkelen. In plaats daarvan vangt het instrument radiogolven op die door objecten in de ruimte worden uitgezonden, zoals sterrenstelsels, exploderende sterren en de gaswolken tussen sterren. Radiogolven zijn, net als zichtbaar licht, een vorm van elektromagnetische straling, maar met een veel grotere golflengte. Ons oog kan ze niet zien, maar een gevoelige antenne wel.
Vergelijk het met het verschil tussen kijken en luisteren naar een orkest. Met je ogen zie je de vorm en kleur van de instrumenten; met je oren hoor je iets heel anders: tonen, ritme en samenklank die je met zien nooit zou ontdekken. Zo ontdekken astronomen met radiotelescopen verschijnselen die met gewone optische telescopen onzichtbaar blijven, zoals de gloeiend hete resten van een supernova of de flitsen van een snel ronddraaiende neutronenster.
Wat is het precies?
De basis van een radiotelescoop is een antenne die radiogolven uit de ruimte opvangt. Vaak is dat een grote schotel, vergelijkbaar met een schotelantenne voor televisie maar dan enorm veel groter, soms tientallen tot honderden meters breed. De kromme vorm van de schotel bundelt de binnenkomende golven naar één punt, waar een ontvanger het signaal opvangt en versterkt.
Eén schotel alleen levert meestal geen scherp beeld op. Hoe groter de golflengte van de straling, hoe groter de antenne moet zijn om details te kunnen onderscheiden. Om dit probleem op te lossen, gebruiken astronomen vaak niet één schotel maar tientallen of duizenden kleinere antennes, verspreid over een groot gebied. Door de signalen van al die antennes met elkaar te combineren, ontstaat het effect van één enorme telescoop, zo groot als de afstand tussen de verst uit elkaar staande antennes. Deze techniek heet interferometrie: de signalen van meerdere ontvangers worden met extreme precisie in tijd op elkaar afgestemd en samengevoegd, alsof je de golfpatronen van verschillende luisterposten legt om samen een scherper geluidsbeeld te krijgen.
Het samenvoegen van al die signalen gebeurt in een speciale computer, de correlator, die de kleine tijdsverschillen tussen de antennes tot op nanoseconden nauwkeurig moet corrigeren. Bij de grootste projecten produceren de antennes samen zoveel data dat supercomputers nodig zijn om alles binnen enkele seconden te verwerken; onbewerkt opslaan is vaak onmogelijk vanwege de hoeveelheid data.
Wat wil men ermee bereiken?
Radiotelescopen geven astronomen toegang tot een deel van het elektromagnetisch spectrum dat vanaf de aarde nauwelijks met andere instrumenten te bestuderen is. Daarmee kunnen ze bijvoorbeeld de vroegste sterrenstelsels in kaart brengen, ontstaan kort na de oerknal, en de kosmische achtergrondstraling bestuderen: de zwakke, overal aanwezige gloed die is overgebleven uit de begintijd van het heelal.
Ook pulsars, razendsnel ronddraaiende neutronensterren die als kosmische bakens regelmatige radioflitsen uitzenden, en zwarte gaten, waarvan de omgeving intense radiostraling kan produceren, zijn belangrijke onderzoeksobjecten. Sommige radiotelescopen worden daarnaast gebruikt om planeten rond andere sterren (exoplaneten) te bestuderen of, in het kader van SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), te zoeken naar mogelijke kunstmatige signalen uit de ruimte. Tot nu toe is daarbij niets overtuigends gevonden.
Voorbeelden uit de praktijk
LOFAR (LOw Frequency ARray) is een netwerk van duizenden eenvoudige antennes, verspreid over Nederland en andere Europese landen, gebouwd door het Nederlandse instituut ASTRON en operationeel sinds 2010. In plaats van schotels gebruikt LOFAR eenvoudige, staande antennes die met software tot een telescoop worden gecombineerd.
FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) in China is met een doorsnede van 500 meter de grootste enkelvoudige schotelradiotelescoop ter wereld. De bouw werd in 2016 voltooid; sinds 2020 is de telescoop volledig operationeel voor wetenschappelijk onderzoek, onder meer naar pulsars.
De Event Horizon Telescope (EHT) is geen los instrument maar een wereldwijd netwerk van radiotelescopen die via interferometrie worden samengevoegd tot een virtuele telescoop zo groot als de aarde. In april 2019 publiceerde het EHT-team de eerste directe foto ooit van een zwart gat, in het sterrenstelsel M87. In 2022 volgde een tweede foto, van het zwarte gat in het centrum van onze eigen Melkweg, Sagittarius A*.
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), gelegen op grote hoogte in de Chileense Atacamawoestijn, bestaat uit 66 verplaatsbare schotels en is sinds 2011 in gebruik genomen, met een officiële opening in 2013. ALMA observeert millimeter- en submillimetergolven en wordt onder meer gebruikt om sterren en planeten in wording te bestuderen.
De Square Kilometre Array (SKA) is een internationaal project dat, verspreid over Zuid-Afrika en Australië, moet uitgroeien tot een van de grootste radiotelescopen ooit. De bouw van de eerste fase is in 2021 begonnen; volledige oplevering van deze fase wordt rond 2028-2030 verwacht.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek van radioastronomie bestaat al sinds de jaren dertig van de vorige eeuw en is inmiddels volwassen, maar de schaal en gevoeligheid van de instrumenten blijven groeien. Elke nieuwe generatie telescopen levert meer antennes, grotere afstanden tussen die antennes en dus scherpere waarnemingen op, mits de rekenkracht om de signalen te verwerken meegroeit.
Een groeiend obstakel is radiofrequentie-interferentie (RFI): storende radiosignalen van bijvoorbeeld satellieten, mobiele netwerken en wifi, die de zwakke signalen uit de ruimte kunnen overstemmen. Grote radiotelescopen worden daarom vaak in afgelegen, dunbevolkte gebieden gebouwd, zoals de Australische outback of de Chileense woestijn, maar met de snelle toename van satellietconstellaties voor internetverbindingen wordt het steeds lastiger om radiostille zones te vinden.
Ook de hoeveelheid data is een uitdaging: grote interferometers zoals SKA zullen naar verwachting meer data per dag produceren dan het gehele huidige wereldwijde internetverkeer, wat enorme investeringen in dataverwerking en opslag vereist. Daarnaast kampen internationale megaprojecten zoals SKA regelmatig met vertragingen en budgetdiscussies tussen de deelnemende landen, wat de opleverdatum onzeker maakt.
Wie werken eraan?
Radioastronomie is bij uitstek een internationaal samenwerkingsveld. In Nederland speelt ASTRON, onderdeel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), een centrale rol, onder meer als bouwer en beheerder van LOFAR. In de Verenigde Staten is het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) verantwoordelijk voor instrumenten zoals de Very Large Array in New Mexico.
In Europa coördineert de European Southern Observatory (ESO) de Europese deelname aan grote observatoria, waaronder ALMA in Chili. De SKA Observatory, met hoofdkantoor in het Verenigd Koninkrijk, is de internationale organisatie achter de Square Kilometre Array, met deelnemende landen als Zuid-Afrika, Australië, Nederland, Duitsland en verscheidene Aziatische landen.
China investeert via de Chinese Academie van Wetenschappen zwaar in eigen faciliteiten zoals FAST, en Duitsland speelt met het Max Planck Institut für Radioastronomie een belangrijke rol in Europese en internationale samenwerkingsverbanden, waaronder het Event Horizon Telescope-consortium.