De mensheid meet zich steeds grotere oren aan om te luisteren naar radiosignalen uit het heelal. De Square Kilometre Array (SKA) is een radiotelescoop met – zoals de naam al aangeeft – een oppervlak van een vierkante kilometer, verdeeld over duizenden ontvangers. Groot genoeg om te luisteren naar wat er zich afspeelde in de Dark Ages van het universum.
Onwillekeurig vraag je je af wat Henk van de Hulst zou hebben gevonden van de plannen om een radiotelescoop te bouwen, die zo groot is dat je ermee kunt terugkijken tot voorbij de ‘Dark Ages’, een tijdperk dat een paar honderdduizend jaar na de oerknal is begonnen.
Henk van de Hulst (1918-2000) is een van Nederlandse beroemde astronomen. Als promovendus bij Hendrik Jan Oort (ook al zo beroemd) voorspelde hij dat een neutraal waterstofatoom radiogolven uitzendt met een golflengte van 21 centimeter.
Die specifieke golflengte is te herleiden tot de ‘spinflip’ van een waterstofatoom. Waterstof bestaat uit een kern en een elektron die niet alleen om elkaar heen draaien, maar zelf ook nog rondtollen. Een rondtollende lading vormt een magneetje met een bepaalde richting, de spin.
Eens in de dertig miljoen jaar draait het elektron de andere kant op, waardoor de richting van het magneetje verandert, de spinflip. Daarbij komt een pakketje energie vrij in de vorm van een radiogolf van 21 centimeter. Eens in de dertig miljoen jaar is natuurlijk bar weinig, maar omdat het heelal zo ontzettend veel waterstofatomen bevat, is er een voortdurende ruis van deze radiostraling.
Met een door de Duitsers achtergelaten radarantenne slaagde Van de Hulst erin om die 21 centimeter straling ook inderdaad aan te tonen. De golflengte ligt in het UHF-gebied (ultra high frequency) dat onder meer wordt gebruikt voor televisiesignalen. Eind jaren vijftig gebruikte hij diezelfde golflengte om een complete kaart van de onze Melkweg te maken.
SKA
Wat ooit begon met een achtergelaten radarantenne bij Kootwijk (doorsnede 7 meter) krijgt – als het goed is – straks zijn vervolg in een radiotelescoop van bij elkaar opgeteld een vierkante kilometer, de SKA (Square Kilometre Array). Begin april wordt waarschijnlijk de knoop doorgehakt waar die gebouwd wordt, in Zuidelijk Afrika of in Australië/Nieuw Zeeland. De keus is aan de negen financieel betrokken landen, waaronder Nederland. In totaal gaat de radiotelescoop anderhalf miljard kosten. Hij moet volgens planning in 2024 volledig operationeel zijn, maar vanaf 2020 kan er al geluisterd worden.
Die SKA, waarover Van de Hulst alleen nog maar kon dromen, wordt vijftig keer gevoeliger dan de meest gevoelige radiotelescoop die nu bestaat, de EVLA, ofwel de Expanded Very Large Array in New Mexico die bestaat uit 27 schotels. Hij wordt ook nog eens 10.000 keer sneller, waardoor meetprogramma’s die nu maanden duren in enkele dagen uitgevoerd kunnen worden.
Bijzonder is zijn enorme ‘field of view’, zijn blikveld, dat – afhankelijk van de golflengte – loopt van 200 bolgraden (vrijwel het hele uitspansel) tot 1 bolgraad, een gebied ter grootte van vijf volle manen. Dankzij het grote field of view kunnen meerdere onderzoeken tegelijk worden uitgevoerd. Ook kunnen veranderingen in het radiobeeld, zeker bij langere golflengtes ‘live’ worden gevolgd.
Ontvangers
Om te voldoen aan de eisen van gevoeligheid en snelheid wordt de SKA opgebouwd uit vele tienduizenden ontvangers. Meest in het oog springend zijn de 3000 schotels, elk met een diameter van 12 of 13 meter. Zij leggen hun oor te luisteren in het gebied van 500 megaherz tot 10 en later 30 gigaherz. Dat is het SHF-gebied (super high frequency) dat op aarde onder meer wordt gebruikt voor straalverbindingen en voor WiFi.
Het merendeel van de schotels wordt gegroepeerd in een gebied van 5 bij 5 kilometer. De overige schotels waaieren spiraalvormig uit vanaf dat centrale gebied tot op een afstand van 3000 kilometer. Vanuit het kerngebied in Zuid-Afrika komen de verste telescopen te staan in Ghana en Mauritius. Vanuit het kerngebied in West-Australië komt de verste te staan in Nieuw-Zeeland.
Voor het frequentiegebied van 200 tot 500 megaherz worden er enkele duizenden tegelvormige antennes gebouwd in een kerngebied van 5 bij 5 kilometer. Daarnaast worden er ook enkele duizenden dipool antennes geplaatst voor radiogolven in het gebied van 70 tot 200 megaherz, waar de 21 centimeter golflengte van het waterstofatoom te horen is. Ook LOFAR (Low Frequency Array) in Drenthe opereert met zijn 7000 dipool antennes in dit gebied.
Mycelium
De duizenden schotels en antennes zijn slechts het zichtbare deel van de SKA. Net als bij paddenstoelen is het onderliggende netwerk het belangrijkst. In dit geval bestaat het ‘mycelium’ uit duizenden glasvezelverbindingen, waarmee de schotels en antennes met elkaar en met de besturingscomputers zijn verbonden.
Nog eens duizenden glasvezelverbindingen zorgen voor het transport van de miljarden gegevens van de antennes naar de processoren voor verdere verwerking. Naar verwachting gaat het om een hoeveelheid dataverkeer die tien keer groter is dan wat er nu over het internet gaat.
In een nog te ontwikkelen exaflop computer (1018 floating point operations per seconde) worden de gegevens omgezet in beelden. Ter vergelijking: de snelste computer van dit moment, de Japanse ‘K’, haalt 8 petaflops (1015) per seconde. De ontwerpers van SKA gaan er dus van uit dat de Wet van Moore (een verdubbeling van de capaciteit elke 18 maanden) voorlopig nog zijn geldigheid houdt.
Zwitsers zakmes
Voor astronomen wordt de SKA zoiets als een Zwitsers zakmes. Ze hopen hem de komende decennia te kunnen gebruiken voor verschillende doeleinden, zoals onderzoek naar magnetisme, zwaartekracht, donkere materie en buitenaardse intelligentie. Zijn gevoeligheid, snelheid en grote frequentiebereik maken hem echter vooral tot een belangrijk instrument voor onderzoek naar de evolutie van het heelal.
Een belangrijke fase in die evolutie vormden de eerder genoemde Dark Ages en het daarop volgende Tijdperk van de Re-ionisatie (EoR, Epoch of Re-ionization). Die ‘Dark Ages’ beginnen vrij kort na de oerknal. Nou ja, kort: een paar honderdduizend jaar. Door uitdijing koelde het heelal af tot zo’n 4000 kelvin als gevolg waarvan protonen en elektronen zich aan elkaar koppelden tot het neutrale waterstofatoom (H1).
Het grotendeels verdwijnen van de vrije elektronen zorgde ervoor dat straling (fotonen) vrij door het heelal konden reizen. De kosmische achtergrondstraling die we heden ten dage nog waarnemen dateert uit die tijd. De hoeveelheid stralingsbronnen was echter zo gering dat de term ‘dark ages’ vrij letterlijk bedoeld is.
Ongeveer een half miljard jaar na de oerknal beginnen onder invloed van de zwaartekracht supersterren te ontstaan, die wel duizend of tienduizend keer sterker zijn dan onze zon. Ondanks hun korte levensduur produceren ze enorme hoeveelheden ultraviolette straling. Die zorgt ervoor dat het afgekoelde gas weer wordt opgewarmd en wel zover dat de neutrale waterstofatomen weer uit elkaar vallen. De re-ionisatie is een feit en daarmee is een forse stap gezet in de richting van het heelal zoals we dat nu kennen.
Om daadwerkelijk iets te kunnen zeggen over de evolutie van het heelal is het belangrijk om in kaart te brengen waar en met welke snelheden de re-ionisatie heeft plaatsgevonden. Met behulp van SKA hopen astronomen een film te kunnen maken van die vroege periode in de ontwikkeling van het heelal. Daarnaast moet de SKA ook informatie opleveren over de periode na het Tijdperk van de Re-ionisatie.
Relativiteit
Een ander wetenschappelijk sleutelproject, waarvoor de SKA zal worden gebruikt, ligt op het terrein van de fundamentele fysica. Tot nu toe heeft de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein alle testen met glans doorstaan. Daarmee is echter het laatste woord nog niet gezegd over de zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld worstelen nog steeds met de vraag hoe de zwaartekracht ingepast moet worden in de quantummechanica.
Met behulp van SKA zullen waarschijnlijk duizenden ‘pulsars’ worden opgespoord, snel ronddraaiende sterren die op gezette tijden een puls elektromagnetische straling produceren. Een aantal van die nog te ontdekken pulsars beweegt vermoedelijk rond een zwart gat; een object met een zwaartekrachtsveld dat 50.000 keer sterker is dan dat van de zon. Omdat veel pulsars zo regelmatig zijn als een atoomklok, kun je de combinatie van pulsar en zwart gat gebruiken om de Algemene Relativiteitstheorie ook onder zeer extreme omstandigheden te testen.
In het verlengde daarvan hopen onderzoekers de ‘pulsar-klok’ ook te gebruiken voor het opsporen van rimpelingen in het ruimte-tijd continuüm, die zich als zwaartekrachtgolven voortplanten in het heelal. Die golven worden niet veroorzaakt door pulsars, maar je kunt ze wel gebruiken om ze op te sporen. Mogelijk zijn de zwaartekrachtgolven zelfs te herleiden tot gebeurtenissen in het vroege universum zoals een fusie tussen twee zwarte gaten.
SETI
De SKA zal waarschijnlijk ook een forse impuls geven aan SETI, de zoektocht naar buitenaardse intelligente levensvormen (search for extraterrestrial intelligence). Het afgelopen decennium heeft een waarlijke explosie laten zien in het aantal planeten buiten ons zonnestelsel. Met de SKA zullen waarschijnlijk nog meer van deze exoplaneten worden gevonden.
Van geen enkele van die exoplaneten is bekend of er leven voorkomt, laat staan intelligent leven. Mocht dat er zijn en mocht dat – net als wij – gebruik maken van radiogolven voor communicatie, dan wordt de kans op het vinden ervan een stuk groter als de SKA eenmaal functioneert. Vanwege zijn veel hogere gevoeligheid kun je die kunstmatige radiosignalen veel beter onderscheiden in de enorme hoeveelheid natuurlijke radiogolven.
Een bijkomend voordeel is dat de SKA een veel groter volume van het heelal kan afluisteren. Dat vergroot de kans op ontdekking van een intelligente beschaving, ook al zou die maar kort hebben bestaan. Misschien is de kans dat er meerdere beschavingen tegelijkertijd in het heelal bestaan maar heel klein. Zelf zijn we bijvoorbeeld nog maar net honderd jaar in staat om kunstmatige radiogolven te produceren, maar of er over vijfhonderd of vijfduizend jaar nog intelligent leven op deze planeet zal zijn, is de vraag.
Radiostilte
Hoe het ook zij, als er intelligent leven in het heelal is of is geweest dan biedt de SKA waarschijnlijk de beste mogelijkheden om het op te sporen. De gevoeligheid is zo groot dat je er zelfs een signaal van een mobieltje op Mars mee op kan pikken. Zoals elk voordeel ‘heb’ ook dit zijn nadeel: de radiotelescoop pikt ook het signaal van een mobieltje op een paar kilometer afstand op.
Voor het goed functioneren van SKA moet de radiostilte in de wijde omgeving van de ontvangers maximaal zijn. Dat is nog niet zo eenvoudig in een wereld die vergeven is van bedoelde en onbedoelde radiobronnen. Niet alleen mobieltjes en magnetrons, maar alle elektrische apparaten produceren ‘radio frequency interference’ ofwel storing. Of het nu gaat om voorbijrijdende auto, een klikkende camera, een hoogspanningsleiding of een elektrisch hek.
Om die RFI te minimaliseren liggen de beoogde locaties voor de SKA ver van de bewoonde wereld. In Afrika gaat het om een dunbevolkt gebied (0 tot 4 inwoners per km2) in de Karoo, een halfwoestijn. Australië heeft gekozen voor een gebied in het Midden-Westen van het continent ter grootte van Nederland, waar in totaal 110 mensen wonen.
Beide landen hebben bovendien wetgeving, waarmee ze activiteiten die de ‘radiostilte’ verstoren, kunnen verbieden of in ieder geval limiteren. Daarbij moet je denken aan mijnbouwactiviteiten, maar ook aan een – zeker in die gebieden – essentiële levensvoorwaarde als mobiele telefonie. Gelukkig blijkt het mogelijk om de antennes voor mobiele telefoons – die normaliter een rondom signaal geven – zodanig te richten dat de SKA in hun blinde hoek valt.
Zoals gezegd wordt dezer dagen de beslissing genomen waar de SKA gebouwd zal worden. Zowel Zuid-Afrika als Australië zijn al enkele jaren bezig met het ontwerpen en bouwen van een ‘voorloper’ van SKA. Australië hoopt in 2013 de ASKAP in gebruik te nemen, de Australian SKA Pathfinder, die bestaat uit 36 schotelontvangers.
Zuid-Afrika heeft gekozen voor een tweetrapsbenadering. Eerst is er een ‘engineering testbed’ gebouwd, de KAT-7, de Karoo Array Telescope bestaande uit zeven schotelantennes. Die wordt dit jaar opgeleverd. De komende jaren wordt op dezelfde locatie de MeerKAT gebouwd, die bestaat uit 64 schotels.
Belangrijker dan de keuze van de locatie is echter dat de SKA daadwerkelijk gebouwd gaat worden. Ook dat is nog niet zeker want de benodigde anderhalf miljard euro moet nog bij elkaar gelobbyd worden. Maar als het allemaal lukt dan beschikken astronomen over een instrument waarmee ze verder kunnen kijken en meer kunnen zien dan ooit. Henk van de Hulst zou er waarschijnlijk groots mee zijn geweest.
Dit artikel is gebaseerd op gesprekken met Mike Garrett, algemeen directeur van ASTRON en Willem Esterhuyse en zijn medewerkers van MeerKAT Engineering Office van SKA South Africa. Verder is gebruik gemaakt van een interview met Brian Boyle, directeur SKA Australië, CIO, 12 januari 2012
Meer informatie is te vinden op:
Gepubliceerd in NWT Magazine nr. 4, april 2012
