LOFAR-telescoop ‘open for business’

Radiotelescoop LOFAR is na een testfase beschikbaar gesteld voor de hele astronomische gemeenschap. Dankzij de radiotelescoop in Noord-Nederland, de grootste in de wereld, zijn tien miljard jaar oude radiogolven eindelijk waar te nemen.

Volgende week stromen ongeveer honderd astronomen uit de hele wereld naar het plaatsje Dalfsen in Overijssel voor een tweedaagse workshop over de LOFAR-telescoop, ontworpen en gebouwd door ASTRON. Achttien maanden geleden, tijdens de opstart- en testfase van de telescoop, werd in Dalfsen de eerste workshop. Sindsdien zijn er nieuwe antennestations bijgebouwd, is de telescoop nog gevoeliger gemaakt voor radiogolven uit het heelal en is de software die alle radiosignalen verwerkt, verbeterd. Ook zijn een aantal wetenschappelijke resultaten al in wetenschappelijke tijdschriften verschenen.

LOFAR, Low Frequence Array ofte lage frequentietelescoop, is een ambitieus project van het Nederlandse Instituut voor Radio Astronomie ASTRON. Om de geboorte van de eerste hemelobjecten te zien, had ASTRON een erg grote radiotelescoop nodig. Geen klassieke telescoop met schotel, want die is te duur, maar wel duizenden radio-antennes. Door die met elkaar te verbinden ontstaat een telescoop die groot genoeg is om radiogolven van bij de geboorte van het heelal te zien. Die golven komen van zo ver dat ze er meer dan tien miljard jaar over hebben gedaan om tot bij de aarde te komen. Tegen dan zijn de golven niet alleen erg verzwakt maar, omdat het heelal uitdijt, ook nog eens uitgerekt tot twee meter. LOFAR is door zijn grootte de eerste telescoop die in staat is om die zwakke, lange golven te detecteren.

Antennes en schrikdraad
Gewone radio-antennes van nog geen twee meter hoog vormen de basis. LOFAR bedient zich van twee soorten: de lagebandantennes (10-90 MHz) en hogeband-antennes (120-240 MHz). De opgevangen elektrische radiosignalen worden versterkt, gedigitaliseerd en vervolgens via glasvezelkabels naar de universiteit van Groningen gestuurd. Daar worden de data opgewacht door supercomputer Blue Gene/P en een batterij andere computers. Zij maken miljarden berekingen per seconde om de gegevensstroom van vele terabits per seconde te verwerken. De gegevens worden daar omgevormd tot beelden die wetenschappers over de hele wereld zullen gebruiken.

Verspreid over heel Noord-Nederland, maar met een centraal gebied in Exloo, komen 36 stations met elk 96 lagebandantennes en 48 dozen met daarin telkens 16 hogebandantennes. In Duitsland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Zweden komen nog eens acht, misschien negen, stations. Zo ontstaat een telescoop met een diameter van honderd of, als het buitenland meedoet, duizend kilometer.

Met het buitenland erbij heeft de telescoop een diameter van duizend kilometer

Maar antennes die duizend kilometer van elkaar staan, ontvangen sowieso op een ander tijdstip het radiosignaal. Om de data gelijk te laten lopen is speciale software ontwikkeld. Een ander probleem was de brij van storingen op de golflengte, veroorzaakt door de ionosfeer en radio- en televisiestations. Om de gezochte radiosignalen te filteren ontwikkelde ASTRON eveneens speciale software. Die bepaalt naar welke richting de telescoop kijkt en welke (die van de storing) niet. Met die technologie kan de telescoop ook worden opgesplitst zodat verschillende onderzoekers tegelijkertijd naar een ander object kunnen kijken.

De telescoop is niet alleen groot, maar ook gevoelig. ‘We waren verbaasd wat we bij testmetingen allemaal konden zien,’ vertelt Michiel Brentjens, astronoom bij ASTRON. ‘We vingen zelfs schrikdraad op. In de buurt van een van onze antennestations staan paarden, en de schrikdraad rond hun wei geeft zoveel storing dat we het station niet kunnen gebruiken. Heel gevoelig materiaal dus, maar dat is ook nodig om het begin van het heelal te bekijken.’

Heldere sterren
En daar dient hij ook voor, verklaart Brentjens: ‘LOFAR moet de eerste hemellichamen bestuderen. Dankzij microgolfachtergrondstraling weten we al heel wat over de eerste momenten van ons heelal en we kunnen uiteraard nu al de bestaande structuren in het heelal bestuderen. Maar wat daartussen is gebeurd, wanneer die eerste sterren en zwarte gaten zijn ontstaan, daar hebben we geen waarnemingen van.’ Daar moet LOFAR verandering in brengen. Maar hij kan nog meer. ‘LOFAR ziet alle lange radiogolven, dus ook golven uitgezonden door bijvoorbeeld nabijgelegen sterrenstelsels, pulsars en zonnevlammen. Daar kunnen we nu ook mooie beelden van krijgen.’

De mogelijkheden zijn enorm. Dankzij LOFAR kan een kaart van de hele hemel gemaakt worden, omdat LOFAR in tegenstelling tot klassieke telescopen ook effectief de hele hemel kan zien. En dat in 100.000 keer meer pixels dan toen de laatste kaart is gemaakt, in de jaren 1960. LOFAR kan ook nieuwe radiobronnen vinden, of het bestaan van radiogolven bevestigen. Onderzoekers hopen dat dat laatste gebeurt bij een botsing van twee neutronensterren of van kosmische stralingsdeeltjes op atomen in onze atmosfeer.

In totaal zullen enkele honderden wetenschappers, verspreid over zes grote projecten, met LOFAR bezig zijn. Andere onderzoekers mogen ook gebruik maken van het project. Eén à twee keer per jaar kan iedereen een goede reden indienen om LOFAR te gebruiken. De interessantste projecten krijgen ook echt LOFAR-tijd. Om ervoor te zorgen dat al die onderzoekers elkaar niet voor de voeten lopen verloopt alles via internet. Ze kunnen hun eigen ‘softwaretelescoop’ bedienen en krijgen via dezelfde weg de resultaten opgestuurd. Sinds 2009 zijn al verschillende waarnemingen gedaan. Brentjens is tevreden: ‘Ze zijn de scherpste in hun golflengte, mede dankzij de grote diameter van LOFAR, want lange golven geven sowieso een minder scherp beeld. We hebben vooral testwaarnemingen gedaan. We kijken naar bronnen die bekend zijn en altijd hetzelfde blijven, om te testen of LOFAR wel werkt.’

Toch waren er ook al enkele primeurtjes. ‘We hebben bijvoorbeeld radiopulsars bekeken, kleine sterren. Daarin hebben we ontdekt dat de vorm van de puls sterk verandert op de lange golf. Het zal jaren onderzoek vergen voor we iets zinnigs kunnen zeggen over de sterren, maar over pulsars en kosmische straling hopen we sneller gegevens te hebben.’

De opvolger van LOFAR is nu al bekend. Die zal SKA (Square Kilometre Array) heten. Het is een gigantisch schotel- en antennepark dat in Zuid-Afrika of Australië komt en dat ook op korte golven kan zoeken. Over tien tot vijftien jaar is LOFAR dus wellicht de grootste af, maar de ontdekkingen die hij dan heeft gedaan (en mogelijk nog zal doen) zullen hopelijk tijdloos zijn.