In de Chileense Atacama-woestijn verrijzen op dit moment twee gigantische telescopen voor het optische-infrarode golflengtegebied. Het zijn de eerste exemplaren van een nieuwe generatie ‘supertelescopen’. Astronomen zijn enthousiast. Maar waarom eigenlijk?

In de Atacamawoestijn wordt op dit moment gewerkt aan de Extremely Large Telescope (ELT); een Europees project om een telescoop met een spiegelmiddellijn van 39 meter(!) te bouwen. En 700 kilometer zuidelijker verrijst ondertussen de Giant Magellan Telescope (GMT), een project van een organisatie van instituten in de VS, Australië, Korea, Brazilië en Israël. Een eventuele derde supertelescoop met de heldere naam Thirty Meter Telescope (TMT) is gepland op Mauna Kea in Hawaii door weer een ander internationaal consortium. Dit laatste project verkeert echter in moeilijk politiek, cultureel en juridisch vaarwater en het bouwproject ligt al enkele jaren stil. Elk van deze drie projecten heeft een prijskaartje van ruim over de 1 miljard euro. De James Webb Space Telescope (JWST), tot slot, is een unieke ruimtetelescoop met een spiegel van 6,5 meter. Dit is weliswaar vele malen kleiner dan de aardse supertelescopen, maar als je bedenkt dat dit de eerste keer is dat er zo een grote spiegel in de ruimte ontvouwd werd, is dit een hele prestatie. De telescoop wordt bovendien afgeschermd van de zon door een eveneens in de ruimte ontvouwd hittescherm ter grootte van een tennisbaan. Veel van de benodigde technologieën moesten tijdens de bouw van de JWST nog uitgevonden worden. Deze complexiteit leidde tot jarenlange vertraging en torenhoge kosten van de telescoop (hoger dan die van de ELT, GMT en TMT samen!).

Monsterprojecten
Het moge duidelijk zijn: we hebben hier te maken met monsterprojecten, waar monsterlijke bedragen mee gemoeid zijn. Maar waar is dat nu eigenlijk goed voor? Waarom moeten ze zo groot en zo duur zijn? Een kort en krachtig antwoord op die vraag is, dat we gigantische telescopen nodig hebben om de grote vragen over het heelal te kunnen beantwoorden. Denk aan vragen omtrent het ontstaan van leven en het ontstaan van alles (de oerknal). Tegelijkertijd doen we de projecten met dit korte antwoord eigenlijk tekort, want er is nog zoveel meer over te vertellen! Genoeg reden om in dit artikel eens in te zoomen op deze megaprojecten, de overeenkomsten, verschillen en hun toegevoegde waarde!

De Extremely Large Telescope wordt de grootste optische telescoop op aarde. Afbeelding: ESO.

Waarom één supertelescoop niet genoeg is
Hoe groot en geavanceerd deze telescopen ook zijn, ze kunnen helaas maar naar één plek aan de hemel tegelijkertijd kijken. Sterker nog, hoe groter de telescoop, hoe kleiner het beeldveld doorgaans is. Momenteel heeft de sterrenkundige gemeenschap de beschikking over meer dan 10 optische telescopen met spiegels van 8 tot 10 meter. Deze observatoria kunnen de vraag al nauwelijks aan, dus 1 à 2 supertelescopen zal geen overdreven luxe zijn. De telescopen zijn ook belangrijk voor interdisciplinair onderzoek. Denk bijvoorbeeld aan samenwerking met de zwaartekrachtsgolven-laboratoria die de ruimte-trillingen van botsende neutronensterren en zwarte gaten waarnemen. Met de nieuwe supertelescopen kan je deze gebeurtenissen heel precies lokaliseren en eventuele elektromagnetische straling ervan bestuderen. Het is jammer dat de ELT en GMT allebei op het zuidelijk halfrond staan, waar een groot deel van de noordelijke sterrenhemel niet te zien is. Dit is een belangrijke reden om de TMT op Hawaii misschien toch nog te bouwen.

Maar ook als het bij de ELT en GMT in Chili blijft, is er genoeg draagvlak voor beide telescopen. Het ontwerp van de twee telescopen en de bijbehorende instrumenten is heel verschillend. Vergeleken met de ELT heeft de GMT een vrij eenvoudig ontwerp. Het is een Gregoriaanse telescoop met 7 spiegelelementen voor zowel de primaire als voor de secondaire spiegel. Met een diameter van ongeveer 8 meter zijn de spiegelelementen van de GMT niet groter dan de grootste spiegels die nu met routine gemaakt worden. Een ander voordeel is dat het licht maar drie keer gereflecteerd wordt in de telescoop wat het lichtverlies beperkt. Ten derde is ook het systeem van adaptieve optiek dat de waarnemingen real-time moet corrigeren voor atmosferische turbulentie iets eenvoudiger. Ook is de GMT met zijn kleinere spiegel veel compacter dan de ELT. Met een spiegeldiameter van 25 meter en een maximale hoogte van 55 meter, past het hele gevaarte in een koepel van ‘maar’ 21 verdiepingen. Dat is ongeveer half zo hoog als de Domtoren of NASA’s nieuwe SLS maanraket.

Zo moet de Giant Magellan Telescope eruit gaan zien. Afbeelding: GMTO Corporation.

Beest van een andere orde
De ELT is een beest van nog een hele andere orde. De primaire spiegel met een middellijn van 39 meter bestaat uit 800 kleinere elementen die allemaal heel precies aangestuurd moeten worden. De telescoop zal beschermd worden door een koepel van 74 meter of 28 verdiepingen hoog. Het bewegende deel van de telescoop weegt 2800 ton en moet met grote precisie binnen een paar minuten naar een willekeurig object aan de hemel kunnen worden gericht. Er zijn in de ELT wel 5 reflecties nodig voordat het licht de instrumenten bereikt. Dat betekent dat de ELT meer licht ‘verliest’ dan de GMT, maar dit wordt ruim gecompenseerd door het veel grotere spiegeloppervlak.

Aardbevingen en luchtstromen
Niet alleen aan de telescoop en instrumenten, maar ook aan de fundering en de koepel zijn hoge technische eisen gesteld. Chili is een actief seismisch gebied en de telescopen moeten voor een periode van minstens 50 jaar zware aardbevingen kunnen doorstaan. De telescopen staan op een systeem van schokdempers zodat ze bij een aardbeving vrijelijk in alle richtingen kunnen bewegen zonder te breken. De enorme koepels brengen ook unieke problemen met zich mee. De koepels zijn zo groot dat ze invloed hebben op de luchtstromen rond de telescoop. Omdat dit de kwaliteit van de waarnemingen beïnvloedt, zijn ze zo ontworpen dat ze een minimaal effect op hun omgeving hebben.

De Extremely Large Telescope is momenteel in aanbouw. De enorme telescoop moet in 2027 af zijn. Afbeelding: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com) / ESO.

Organisatie
Behalve de technische verschillen zijn de organisatie en uitvoering van de twee projecten ook heel verschillend. De ELT is onderdeel van de European Southern Observatory (ESO). ESO regelt alles wat met het observatorium te maken heeft. Denk hierbij aan het ontwikkelen van de instrumenten, het doen van de waarnemingen, het schrijven van alle software en het data-archief. De GMT is veel minder gecentraliseerd en er liggen veel verantwoordelijkheden bij de individuele partners die elk een deel van de beschikbare waarneemtijd hebben ingekocht. Dit heeft zowel voor- als nadelen vergeleken met de ELT. Een GMT-partner zal misschien makkelijker en sneller een gewenste waarneming kunnen uitvoeren omdat er minder concurrentie is. Aan de andere kant zal het misschien moeilijker zijn om grote waarneemprojecten op te zetten of dure nieuwe instrumenten en software te ontwikkelen. Bij ESO worden de beste waarneemvoorstellen gekozen in een internationale competitie. Dit is een beproefde methode die al enkele decennia zeer hoogwaardig onderzoek oplevert.

Buitenaards leven en de eerste sterrenstelsels
De consortia hebben nauwkeurig vastgelegd welke wetenschappelijke vragen de supertelescopen moeten gaan beantwoorden. De twee ‘paradepaardjes’ zijn het onderzoek aan exoplaneten en het hele vroege heelal. Beide gebieden staan nu nog in de kinderschoenen en hebben de supertelescopen hard nodig om voortgang te boeken. In het geval van exoplaneten is het doel om planeten zoals de aarde te vinden en de samenstelling van hun atmosfeer te bepalen. De atmosferen van (exo)planeten hebben absorptie-banden in hun spectra die gerelateerd kunnen worden aan de aanwezigheid van bepaalde moleculen. Sommige combinaties van moleculen die niet van nature voorkomen (althans niet op aarde) zouden een vingerafdruk kunnen zijn van buitenaards leven. In het geval van de kosmologie is het hoofddoel om de eerste sterrenstelsels en zwarte gaten van het heelal waar te nemen. Deze objecten zijn gezien hun enorme afstanden erg zwak en hun licht is door de uitdijing van het heelal verschoven naar infrarode golflengten.

Een beetje koffiedik kijken
Wat we op dit moment zouden willen doen met de supertelescopen is niet per se wat er de komende decennia echt belangrijk zal zijn. Het bouwen van een nieuwe telescoop is een echte ontdekkingstocht, simpelweg omdat we nu nog niet kunnen weten wat we allemaal gaan zien. De Hubble-ruimtetelescoop, die al zo’n 50 jaar geleden werd ontwikkeld, moest voornamelijk de expansie van het heelal gaan bepalen. Daarnaast volgden er echter vele andere ontdekkingen die niet altijd voorspeld waren. Denk bijvoorbeeld aan de ontdekking van donkere energie, sterrenstelsels en quasaren in het vroege heelal en exoplaneten. Het is ook belangrijk om te kijken wat de James Webb Space Telescope (JWST) allemaal gaat ontdekken in de komende jaren en vooral welke nieuwe vragen dit zal oproepen. Voorspellen wat de supertelescopen gaan zien, is dus nog een beetje koffiedik kijken.

De gigantische ruimtetelescoop James Webb werd eind vorig jaar gelanceerd en leverde in juli de eerste opnames af. Afbeelding: NASA.

Leve de adaptieve optiek
Tot slot is een goede vraag wat deze supertelescopen eigenlijk te bieden hebben over de JWST die sinds dit jaar al haarscherpe en ultra-diepe waarnemingen vanuit de ruimte maakt. Zowel de beeldscherpte als de gevoeligheid van een telescoop hangen af van het spiegeloppervlak. Voor een ruimtetelescoop heeft de JWST een grote spiegel, maar het oppervlak van deze spiegel is nog steeds zo’n 15 tot 37 keer kleiner dan die van de GMT of ELT. De JWST heeft weliswaar geen last van uitdoving van licht door de atmosfeer, maar toch ‘winnen’ de supertelescopen met hun veel grotere spiegels het ruimschoots van de JWST.

Vergelijking van de beeldkwaliteit tussen de Hubble, JWST en de GMT met adaptieve optiek.
Verantwoording: GMT Science Book (2018)/GMTO Corporation, aangepast door R. Overzier.

Het grote voordeel van de JWST is dat het oplossend vermogen, de mogelijkheid om kleine details van elkaar te onderscheiden, veel groter is. De turbulente aardatmosfeer is een groot probleem voor telescopen. De atmosfeer bestaat uit lagen en cellen die puntbronnen zoals sterren uitsmeren tot kleine lichtschijfjes. Dit lichtschijfje is veel groter dan wat de telescopen zouden zien zonder de atmosfeer. De beelden die de JWST maakt zijn dus in principe veel scherper dan welke uit de GMT of ELT komen. Nou, niet helemaal. De techniek van de adaptieve optiek zorgt ervoor dat het effect van uitsmering van licht door atmosferische turbulentie grotendeels wordt gecorrigeerd. Zowel de GMT als de ELT krijgen zo’n adaptieve optiek systeem ingebouwd waardoor ze zelfs scherpere foto’s kunnen maken dan de JWST.

Uniek golflengtegebied
De aardse supertelescopen vangen dus meer licht op dan de JWST en met behulp van de adaptieve optische techniek maken ze ook nog eens scherpere beelden. De JWST heeft echter een uniek voordeel. Met zijn gouden spiegels en thermisch koele omgeving in de ruimte is de telescoop geoptimaliseerd voor straling op relatief lange infrarode golflengten. Dit golflengtegebied is nauwelijks tot niet waarneembaar voor telescopen op aarde. De verste sterrenstelsels uit de hele vroege beginfase van het heelal zijn alleen op deze golflengten te zien. Verder wordt verwacht dat de JWST unieke bijdragen gaat leveren aan de studie van exoplaneten, sterrenstof, zwarte gaten en tal van andere onderwerpen. Dit is ook belangrijk voor de voorbereiding van de supertelescopen, die de meest interessante objecten die JWST de komende jaren gaat ontdekken, nader zullen gaan bestuderen.

De planning
De ELT zou rond 2027 met de eerste waarnemingen kunnen beginnen. Dit is een aantal jaren eerder dan de geplande start van de GMT, al verlopen projecten in de astronomie zelden volgens schema. Achteraf gezien komt het goed uit dat de JWST zoveel jaren vertraging had. De JWST is niet ontworpen om decennialang in de ruimte te overleven. Hij is ook, in principe, niet te repareren of te vernieuwen zoals dat diverse malen met de Hubble gebeurde. De levensduur wordt voornamelijk bepaald door de hoeveelheid brandstof die nodig is om de telescoop op koers te houden. NASA heeft bekend gemaakt dat er voldoende brandstof is om de telescoop minimaal 10 jaar draaiende te houden, als er ten minste niets kapot gaat. Vlak na de lancering werd de spiegel geraakt door een micro-meteoriet, wat meteen leidde tot een kleine maar meetbare reductie van de gevoeligheid van de telescoop.

De aardse supertelescopen zijn ontworpen voor een nominale levensduur van zo’n 50 jaar en zullen dus waarschijnlijk alleen de eerste jaren samen kunnen werken met de JWST. We weten door de ervaringen met de Hubble en de JWST dat het plannen van een ruimtetelescoop vele decennia duurt. Er wordt dus ook al druk nagedacht over de mogelijke opvolgers van de JWST in de ruimte. Op hele andere golflengten, zoals in het radiogebied, wordt ook druk gewerkt aan een nieuwe supertelescoop, de Square Kilometer Array (SKA), die rond dezelfde tijd als de ELT en GMT operationeel moet zijn. We staan dus aan de vooravond van een hele interessante periode vol nieuwe ontdekkingen in de sterrenkunde!

Over de auteur
Roderik Overzier (1978) is gepromoveerd in de sterrenkunde aan de Universiteit van Leiden en is als observationeel kosmoloog verbonden aan de Nationale Sterrenwacht in Rio de Janeiro. Hij was lid van de wetenschappelijke adviesraad van de GMT voor Brazilië en heeft bijgedragen aan instrumentatie voor de GMT en ELT. Hij onderzoekt verre zwarte gaten met onder andere de Hubble en James Webb ruimtetelescopen. Binnenkort treedt hij in dienst bij TNO.