Na Dwingeloo en Westerbork komt LOFAR

Momenteel is in het Noorden weer een revolutionaire radiotelescoop in aanbouw: LOFAR. Deze bestaat niet uit schotels maar uit 25.000 kleine antennes. Sterrenkundigen kunnen hiermee straks ruim 13,7 miljard jaar terugkijken in de tijd, en het staat wel vast dat zij daardoor meer te weten zullen komen over de oorsprong van het heelal.

TEKST
Durk Gardenier

Astronomen hebben steeds grotere telescopen nodig om nieuwe objecten en natuurkundige verschijnselen in het heelal te kunnen observeren. Hoe groter het instrument, hoe meer elektromagnetische stralen ermee ontvangen kunnen worden. Bovendien kunnen met telescopen ook fijnere details waargenomen worden. Met een grotere telescoop kunnen dus nieuwe objecten worden gevonden en van bestaande objecten kunnen meer bijzonderheden worden bekeken.
Natuurkundige verschijnselen in het heelal zien er in zichtbaar licht heel anders uit dan in bijvoorbeeld radiostraling. Astronomen willen voor hun onderzoek dan ook graag metingen kunnen doen in alle frequentiegebieden van het elektromagnetische spectrum (onder andere licht-, radio-, röntgen-, infrarood-, ultraviolet- en gammastraling). De straling wordt uitgezonden door objecten in het heelal en opgevangen door telescopen. Alle genoemde soorten straling vereisen hun eigen telescoop. Een belangrijke optische telescoop is de bekende Hubble Space Telescope, die zich in een satelliet om de aarde bevindt. De grootste optische telescoop ter wereld is de Large Binocular Telescope in Arizona die een effectieve diameter heeft van 11,8 meter.

Dwingeloo en Westerbork

De radiotelescoop van Dwingeloo, die bijna vijftig jaar geleden in gebruik werd genomen en nu niet meer actief is, bestaat uit een enkele schotel die alle binnenkomende radiostraling uit één richting aan de hemel concentreerde en naar de ontvanger stuurde die boven de schotel hangt (zie pagina 7). Door de beweegbare schotel te verdraaien kon straling uit andere richtingen worden waargenomen. Deze telescoop is enige tijd de grootste ter wereld geweest maar al snel kwamen er andere beschikbaar.
Het is echter te duur en technisch te moeilijk om steeds maar grotere schotels te bouwen. Maar met een slimme truc kan men grotere telescopen simuleren: door meerdere afzonderlijke schotels samen te laten werken lijkt het alsof er sprake is van één enkele schotel die evenveel details kan zien als een telescoop die zo groot is als de afstand tussen de twee buitenste schotels. De radiotelescoop van Westerbork bijvoorbeeld, bestaat uit veertien schotels die verspreid staan over een lengte van drie kilometer. Daarmee wordt dus een telescoop met een diameter van drie kilometer nagebootst. Deze virtuele telescoop vangt natuurlijk minder straling op dan wanneer het daadwerkelijk een schotel was van drie kilometer in diameter. Maar in de beelden die ermee worden gemaakt zijn wel net zoveel details te zien als bij een schotel van drie kilometer.
De radiotelescoop van Westerbork is nog steeds toonaangevend in zijn soort, maar niet alle soorten radiostraling kunnen ermee worden waargenomen; net zoals je met een gewone middengolfradio geen FM kunt ontvangen. Er kunnen in Westerbork wel korte radiogolven worden ontvangen (tussen de 3 en 110 centimeter) maar geen lange. En juist in de lange radiogolven zit de informatie uit de begintijd van het heelal, oftewel de tijd vlak na de big bang, de knal waarmee volgens de meest geaccepteerde theorie het heelal 13,7 miljard jaar geleden ging expanderen vanuit één enkele samenballing van alle materie en energie. De golflengte (21 centimeter) van de straling van het waterstofgas, dat in het begin van het heelal uitgezonden is, is door de uitdijing van het heelal enorm uitgetrokken. Hierdoor is het niet meer waarneembaar met de telescoop van Westerbork. Maar al zou deze telescoop kunnen waarnemen op deze golflengte, dan was hij nog veel te klein om enige details te ontwaren.

Softwaretelescoop

Er zijn nog veel meer verschijnselen waarvan het interessant is om de lange radiogolven van te ontvangen (zonnestormen, pulsars, zwarte gaten) en daarom is besloten om een geheel nieuw soort radiotelescoop te bouwen: LOFAR, de afkorting van Low Frequency Array. Het gaat hier om golven van 1,5 tot 30 meter. LOFAR wordt gebouwd door de stichting Astron, die al ruim vijftig jaar sterrenkundige meetinstrumenten voor binnen- en buitenlandse onderzoeksinstellingen ontwikkelt. Voor LOFAR is bijna 150 miljoen euro nodig. Er is voor een geheel nieuw ontwerp gekozen, dat gezien de huidige mogelijkheden van de informatie- en communicatietechnologie (ict) nu voor het eerst te realiseren is.
Een traditionele schotel zorgt ervoor dat de golven die op de verschillende punten van die schotel terechtkomen, in één punt bij elkaar komen en daar door een ontvanger worden opgevangen. Die ontvanger krijgt dus het gecombineerde signaal van alle afzonderlijke punten van de schotel. Bij LOFAR is dat anders. In totaal 25.000 eenvoudige antennes zullen signalen uit alle richtingen opvangen en naar een speciale computer doorsturen. Deze rekent vervolgens razendsnel uit hoe het gecombineerde beeld van alle 25.000 antennes eruitziet. Ook wordt in de computer pas bepaald vanuit welke richting aan de hemel de signalen daadwerkelijk worden geanalyseerd. Omdat de schotelvorm en waarnemingsrichting als het ware door de software worden gesimuleerd, wordt LOFAR ook wel softwaretelescoop genoemd.
Een LOFAR-antenne bestaat uit een stukje pvc-buis van nog geen twee meter hoog waarop een klein kastje zit met wat betrekkelijk eenvoudige elektronica en vier draden die de eigenlijke antennes zijn. Deze antennes vangen de miljarden jaren oude signalen op, waardoor er een klein stroompje in de draden gaat lopen. Met behulp van de elektronica worden deze heel kleine stroompjes versterkt en doorgestuurd naar de computer.
Als LOFAR in bedrijf is gaat er per seconde het equivalent van zesduizend cd’s over de datalijnen de computer in. Daarom wordt in de provincies Groningen en Drenthe een supersnel glasvezelnetwerk aangelegd. Voor de gegevensverwerking wordt een enorm krachtige computer gebruikt, de IBM Blue Gene/L. Deze komt in het Rekencentrum van de Rijksuniversiteit Groningen te staan. Dat is een locatie met goede voorzieningen voor zo’n computer.

Dunbevolkt

De 25.000 antennes worden geplaatst op een centraal gedeelte van 320 hectare en ongeveer honderd verschillende locaties in Noord Nederland en Duitsland. Op pagina 4 is de meest optimale spreiding van locaties te zien. Computerberekeningen hebben uitgewezen dat op deze wijze virtueel een telescoop met een diameter van 350 kilometer gebouwd kan worden.
Een belangrijk uitgangspunt bij de keuze van de locaties is dat er zo weinig mogelijk storende radiosignalen, door bijvoorbeeld gsm’s en auto’s, in de lucht zitten. In het centrale gebied van LOFAR bij Exloo worden 4500 antennes geplaatst. Deze locatie is gekozen omdat die in een relatief dunbevolkt gebied ligt met overwegend boerenbedrijven. Er is in dit gebied al een veld met een aantal antennes ingericht voor testdoeleinden. De foto op pagina 3 geeft een indruk van dit testveld, waarbij opgemerkt moet worden dat uiteindelijk veel kleinere, en minder opvallende antennes gebruikt zullen worden.
De resterende antennes worden verspreid over honderd andere locaties van elk ongeveer vier hectare. De grond voor alle locaties wordt van boeren gekocht of gepacht. In sommige gevallen krijgt een boer elders betere grond terug via een vorm van kavelruil. Er wordt hiervoor samengewerkt met de landbouworganisatie NLTO. De gemeente Borger-Odoorn is nu akkoord met het bestemmingsplan waarin LOFAR is opgenomen. Natuurorganisaties zoals de Stichting Het Drentse Landschap zijn betrokken bij de inbedding van de gebieden in de Ecologische Hoofdstructuur en denken mee over de verdere natuurontwikkeling op de locaties.
Eind 2006 moeten de eerste 15.000 antennes geplaatst zijn in het centrale gebied en op veertig locaties, die samen een telescoop van 150 kilometer doorsnee vormen. Uitstel is niet mogelijk want in 2006 is de storende straling van de zon minimaal en kunnen de afzonderlijke antennes goed ingesteld worden.

Precisielandbouw

Heel bijzonder van het LOFAR-project is dat de infrastructuur, die in eerste instantie speciaal voor de sterrenkunde wordt aangelegd, algemeen toepasbaar wordt. Ieder bedrijf en elk onderzoeksproject in Noord-Nederland dat van dit internet gebruik wil maken, heeft daartoe onder bepaalde voorwaarden de gelegenheid. Twee onderzoeksprojecten zijn daar ook al concreet mee bezig: precisielandbouw, waarin LOFAR samenwerkt met Agrotechnology & Food Innovations uit Wageningen, en bodemonderzoek, waarin wordt samengewerkt met
de TU Delft, het KNMI en onderzoeksinstituut TNO.
Bij het precisielandbouwproject worden de fysieke omstandigheden op de akkers door middel van een netwerk van draadloze sensoren nauwkeurig bijgehouden. Gegevens over temperatuur, luchtvochtigheid en het wel of niet nat zijn van de bladeren, worden met speciale sensoren verzameld en via het nieuwe netwerk naar de centrale computer verzonden. Als proefproject wordt het systeem eerst uitgeprobeerd met sensoren die de omstandigheden in beeld brengen waaronder de aardappelziekte Phytophtora ontstaat. Met behulp van sensoren en de computer wordt gekeken op welke plaatsen de omstandigheden leiden tot het ontstaan van de ziekte. Op precies deze plaatsen kan de schimmel dan bestreden worden. Deze benadering maakt dat de bestrijding sneller, nauwkeuriger en goedkoper uitgevoerd kan worden doordat niet meteen een heel perceel bewerkt hoeft te worden, maar alleen de plaatsen waar het risico daadwerkelijk aanwezig is.
Een tweede wetenschapsgebied dat van de ict-infrastructuur van LOFAR gebruikmaakt, is de geofysica. Deze wetenschap bestudeert de opbouw en samenstelling van de zeer diepe bodemstructuur, maar ook bijvoorbeeld de bodemdaling in Noord-Nederland.
Geofysici gebruiken microfoons om signalen op te vangen die zich door de diepere bodemstructuren bewegen. Door over een groot gebied verspreid veel van die geofoons in de bodem te stoppen en daarmee de ‘natuurlijke’ signalen in de diepere ondergrond te meten, kan constant een beeld gemaakt worden van de bodem. Zo kan men ook veranderingen waarnemen die optreden bij een bodemdaling. Deze techniek kan van nut worden bij het zoeken naar olie- en gasvoorraden en bij het monitoren van de olie en gaswinning. Op het testveld bij Exloo zijn de eerste 48 geofoons al geplaatst voor de eerste testen.

In een volgend artikel, later dit jaar, zullen we meer in detail kijken naar de experimenten met de precisielandbouw en de meting van de bodemdaling. Ook zullen we dan aandacht besteden aan de voortgang van de bouw van de antennevelden van LOFAR en naar de eerste resultaten van de waarnemingen. X

Met dank aan Frederiek Westra van Holthe,
Peter Bennema en Mark Bentum van Astron.

Durk Gardenier is wetenschapsjournalist en -fotograaf.

Sluit je aan bij Noorderbreedte!
Laat u informeren en inspireren over alles wat mooi, bijzonder en in ontwikkeling is in het Noorden!
vanaf €37,50