Hoe Radiotelescopen Signalen uit de Diepe Ruimte Detecteren

Radiotelescopen zien er niet uit als optische telescopen, maar ze werken volgens hetzelfde basisprincipe: licht verzamelen, focussen en analyseren. Het verschil is in golflengte. Volgens het US National Radio Astronomy Observatory (NRAO) observeren radiotelescopen golflengten van ongeveer 1 millimeter tot 10 meter, veel langer dan de paar honderd nanometer van zichtbaar licht, daarom zijn hun 'lenzen' metalen schotels in plaats van glas.

Een zwak gefluister omzetten in bruikbare gegevens

Het NRAO beschrijft kosmische radiosignalen als opmerkelijk zwak en merkt op dat een enkel mobiele telefoon signaal ongeveer een miljard miljard keer meer vermogen draagt dan de zwakke kosmische radiogolven die deze telescopen zijn gebouwd om op te vangen. Om iets nuttigs op te vangen, heeft een radiotelescoop een groot verzamelgebied en gevoelige elektronika nodig.

• Een parabolische schotel, waarvan de gekromde vorm inkomende radiogolven reflecteert naar een enkel focuspunt erboven
• Een speishoorn op dat focuspunt, een metalen trechter gemeten op de onderzochte golflengte, die de golven naar de ontvanger leidt
• Een ontvanger, vaak ondergekoeld, die het signaal detecteert en doorgeeft
• Een versterker die het signaal versterkt voordat het wordt opgenomen voor analyse

Telescopen aan elkaar koppelen: interferometrie

Een enkele schotel, hoe groot ook, kan niet het fijne detail evenaren dat een optische telescoop kan bereiken. Het NRAO legt uit dat radioastronomen dit oplossen met interferometrie: meerdere antennes op hetzelfde object richten en een supercomputer genaamd correlator gebruiken om hun signalen te combineren alsof ze van één gigantische telescoop afkomstig zijn. Omdat hetzelfde kosmische signaal elk moment op elk antenne op een iets ander moment aankomt, kunnen astronomen door de resulterende tijdsverschillen veel meer detail reconstrueren dan een enkele schotel alleen zou kunnen opvangen. Het NRAO merkt op dat correlatoren met femtosecondes snelheid kunnen werken en tot 16 kwadriljoem bewerkingen per seconde kunnen uitvoeren, en dat zijn Very Long Baseline Array antennes over continenten verdeeld, gesynchroniseerd door waterstof-maser atoomklokken die nauwkeurig zijn tot een paar miljardste van een seconde.

Een zwart gat afbeelden met een aardegrootte telescoop

De duidelijkste demonstratie van deze techniek is de Event Horizon Telescope (EHT). Volgens het NRAO verbindt het acht grondgestelde radiotelescopen die over de wereld verspreid zijn, die in 2017 samen observeerden met zeer lange basisinterferometrie, zodat ze als één instrument ongeveer ter grootte van de Aarde fungeerden. Elke telescoop nam ongeveer 350 terabyte gegevens per dag op; de opnamen werden later naar gespecialiseerde correlatoren op het Max-Planck-Instituut voor Radioastronomie en het MIT Haystack Observatory gevlogen om te worden gecombineerd.

Het doel was het superzware zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87. De gebeurtenishorizon ervan beslaat ongeveer 40 miljard kilometer, maar van de Aarde gezien was de resulterende heldere ring rond zijn schaduw slechts ongeveer 40 microarcsecondes – een schaal die het NRAO vergelijkt met 'het meten van de lengte van een creditcard op het maanoppervlak'. De gecombineerde gegevens leverden het eerste beeld van de schaduw van een zwart gat op.

Flitsen van een fractie van seconden uit het universum opvangen

Niet elke radiotelescoop is afhankelijk van een schotel. CHIME, het Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment op het Dominion Radio Astrophysical Observatory in Brits-Columbia, gebruikt volgens MIT Physics vier vaste, halfronde cilindrische reflectoren zonder bewegende delen. In plaats van sturing hardware verwerkt de correlator ongeveer 7 terabits gegevens per seconde om signalen digitaal te reconstrueren die simultaan uit duizenden richtingen aan de hemel aankomen.

Dit ontwerp maakte CHIME buitengewoon effectief in het opvangen van snelle radiobluitstoters (FRB's), milliseconde-lange flitsen van radio-energie uit de diepe ruimte. In zijn eerste operationele jaar 2018–2019 detecteerde CHIME 535 nieuwe FRB's, wat de ongeveer 140 blustoters die tot dat moment wereldwijd bekend waren bijna vervierenvoudigde, aldus MIT Physics. De verzameling omvatte 18 bronnen die herhaaldelijk uitstotenden, een patroon dat suggereerde dat herhalende en eenmalige FRB's uit verschillende astrofysische mechanismen kunnen voortkomen.

S werelds grootste schotel, en wat volgt

Chinas Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST), gebouwd in een natuurlijke vallei in de provincie Guizhou, heeft een 500-meter schotel gemaakt van ongeveer 4.400 verstelbare aluminiumpanelen, wat het op elk moment een effectieve opening van ongeveer 300 meter geeft, volgens EarthSky. Het observeert golflengten van 10 centimeter tot 4,3 meter en heeft ongeveer twee keer het verzamelgebied van de 305-meter Arecibo-schotel die het in grootte heeft overtroffen. FAST werd volledig operationeel in januari 2020 en begon in augustus 2021 ongeveer 10% van zijn observatietijd toe te wijzen aan internationale onderzoekers.

Deze gevoeligheid heeft geresulteerd in een recordoogst van pulsars – snel draaiende neutronensterren die radiogolfbundels voorbij de Aarde zwaaien als een vuurtoren. Vanaf oktober 2025 had FAST 1.152 pulsars geïdentificeerd, meer dan het gecombineerde totaal dat andere telescopen wereldwijd in dezelfde periode hebben gevonden, aldus Chinese staatsuitzending CGTN.

De volgende sprong in schaal is al in aanbouw. Het SKA Observatory bouwt twee complementaire arrays, volgens zijn eigen projectbeschrijving: SKA-Low in West-Australië, met 131.072 antennes verspreid over een maximale basislijn van 74 kilometer, en SKA-Mid in Zuid-Afrika, met 197 schotelantennes met een maximale basislijn van 150 kilometer. Samen zijn de twee locaties bedoeld om astronomen in staat te stellen sterrenstelsels structuur, omgevingen rond zwarte gaten en zwaartekrachtsgolven in groter detail te bestuderen dan bestaande instrumenten toestaan.