Grote vragen beantwoorden met een eenvoudige telescoop

Er is veel dat we nog niet weten over ons universum. Waarom is het er eigenlijk? En waaruit bestaan exotische componenten als donkere materie en donkere energie? Een aantal antwoorden zou verstopt kunnen zitten in de gloed die is uitgezonden door neutraal waterstof tijdens de kosmische dageraad. RUG-natuurkundige Daan Meerburg werkt aan de analytische pijplijn voor de data van een telescoop die deze extreem zwakke gloed moet gaan opvangen. Een algemene beschrijving hiervan is op 21 juli gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Astronomy.

We hebben veel geleerd over sterren en sterrenstelsels door het bestuderen van de elektromagnetische straling die ze uitzenden, van radiogolven tot zichtbaar licht. Elk element heeft een eigen golflengtepatroon waarin het straling absorbeert of uitzendt. Dit maakt het mogelijk de samenstelling van sterren en sterrenstelsels te onderzoeken. Maar deze straling vertelt niet het hele verhaal van het universum. Daarom kijken sterrenkundigen ook naar straling die bijna egaal verdeeld is over de hele hemel, zoals de kosmische achtergrondstraling. Via dit soort kosmische signalen is het mogelijk meer te weten te komen over de fundamentele structuur achter onze werkelijkheid.

Achtergrondstraling

‘Wij willen nu naar het kosmische signaal van neutraal waterstof kijken’, zegt Daan Meerburg, assistent-hoogleraar aan de RUG. Hij is deel van een internationaal samenwerkingsverband met de naam REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen – radio-experiment voor de analyse van kosmisch waterstof), dat geleid wordt door de universiteit van Cambridge (VK). Dit team bouwt momenteel een telescoop in Zuid Afrika om signalen van dit kosmisch waterstof op te vangen. Waterstofatomen bestaan uit een proton en een elektron en zijn al sinds ongeveer 370.000 jaar na de oerknal aanwezig. Dat was een tijd waarin het ondoorzichtige universum voor het eerst licht van losse fotonen begon door te laten. Dit eerste licht zien we nu terug als de kosmische achtergrondstraling. Kleine variaties in deze achtergrondstraling wijzen erop dat materie niet uniform was verdeeld, wat ons helpt te begrijpen hoe grote structuren in het heelal zijn ontstaan.

‘Maar de achtergrondstraling geeft ons een tweedimensionale kaart van de kosmos’, legt Meerburg uit. ‘En je ziet daarin alleen materie die licht uitstraalt.’ Omdat neutraal waterstof overal in het universum aanwezig is, is het daarmee mogelijk een 3D kaart te maken van de grootschalige structuur. Dit waterstof zendt straling uit met een golflengte van 21 centimeter. Bovendien is dit het eerste licht dat verschijnt na de kosmische ‘donkere periode’, die eindigde toen het universum ongeveer een miljard jaar oud was. Vanaf die kosmische dageraad ging het licht van sterren en sterrenstelsels domineren. ‘We weten heel goed hoe neutraal waterstof zich gedraagt en hoe de straling uit het vroege universum er nu zou moeten uitzien’, aldus Meerburg. De straling die het waterstof uitzendt is afhankelijk van de temperatuur. Meerburg: ‘Waterstof kan worden verwarmd door de interactie met de achtergrondstraling, of gekoeld door gaswolken.’

Antenne

Een probleem bij het onderzoeken van dit oerlicht van waterstof is dat het heel zwak is vergeleken met het licht van onze eigen Melkweg op de voorgrond. Alleen door dit jonge, felle licht van de waarneming af te trekken wordt het oude waterstoflicht zichtbaar. ‘Maar het is in theorie mogelijk om dit licht met een relatief eenvoudige antenne op te vangen. Verder zijn we vooral geïnteresseerd in variaties in de waterstofstraling op verschillende lengteschalen, en dat maakt het iets eenvoudiger om het te onderscheiden van de heldere voorgrond.’

Fout

In 2018 claimde een andere onderzoeksgroep dat ze de straling van neutraal waterstof uit de kosmische dageraad hadden waargenomen. Meerburg: ‘Maar de vorm van de lichtcurve was niet zoals we die verwacht hadden en kon alleen verklaard worden door nieuwe natuurkunde in te voeren. Maar onze analyse van de publiek beschikbare gegevens van de waarneming laat zien dat een kleine verandering in enkele parameters die de eigenschappen van de straling op de voorgrond bepalen een totaal andere lichtcurve oplevert.’ Dit kan betekenen dat er een fout is gemaakt in de dataverwerking.

‘Het is nodig om heel veel correcties te maken voor factoren die de metingen kunnen beïnvloeden’, legt Meerburg uit. ‘Dat geldt voor de manier waarop je de felle voorgrondstraling aftrekt, maar elk deel van het antennesysteem heeft ook een interactie met de directe omgeving.’ De meeste groepen hanteren een stap-voor-stap techniek, waarin ze de correcties een voor een doorvoeren. De REACH groep heeft een eigen, unieke aanpak: ‘Omdat alles met elkaar verbonden is, combineren wij de elementen en verwerken ze gelijktijdig.’ Meerburg, die werkt aan een data-analyse pijplijn voor REACH, denkt dat deze aanpak beter is. ‘We hebben in simulaties laten zie dat het werkt.’

Beoordelen

Het nieuwe artikel in Nature Astronomy beschrijf de telescoop en de data-analyse die de REACH groep zal gebruiken. ‘Het is een overzicht van het hele project, dat ook nog in ruim twintig meer gedetailleerde publicaties wordt beschreven.’ Al deze informatie over het project is van belang voor collega-wetenschappers die straks de resultaten die REACH willen beoordelen.

Wanneer het signaal van neutraal waterstof uit de kosmische dageraad is ontdekt zullen we veel nieuws leren. ‘Je kunt het vergelijken met de detectie van zwaartekrachtgolven. Dat veld explodeerde na die eerste observatie.’ Het waterstofsignaal kan ons meer vertellen over de aard van donkere energie en donkere materie. Die twee vormen samen het grootste deel van de energie-inhoud van het universum, maar wetenschappers weten nog steeds niet wat ze precies zijn. ‘En het kan ons wellicht vertellen hoe de eerste sterrenstelsels zijn ontstaan en misschien zelfs waarom het universum ooit tot stand is gekomen.’

Maan

Ondertussen werkt Meerburg samen met zijn promovendus Anchal Saxena aan de analyse pijplijn. Hun project is momenteel de alternatieve pijplijn, naast het primaire analyse-systeem. ‘Je hebt meer dan één aanpak nodig om zeker te zijn dat je resultaten overeind blijven.’ Voor beide onderzoekers is REACH overigens niet hun enige onderzoeksproject. Meerburg raakte er bij betrokken tijdens een verblijf aan de universiteit van Cambridge. Hij is momenteel assistent-hoogleraar in de Cosmic Frontier onderzoeksgroep, onderdeel van het Van Swinderen instituut voor deeltjesfysica en zwaartekrachtgoven aan de RUG.

‘Mijn primaire onderzoekslijn is de kosmische achtergrondstraling, maar ik werk ook mee in een project dat een radio observatorium op de maan wil plaatsen. Een Chinese lander heeft al een antenne geplaatst op de achterkant van de maan. Dat is ook de beste locatie om waterstofsignalen te bestuderen, aangezien er geen storing is van door de mens geproduceerde radiostraling of van de atmosfeer van de aarde.’ Maar eerst moet de telescoop in Zuid Afrika resultaten opleveren, en zo een nieuw venster openen dat ons de geschiedenis van het universum toont.

Referentie: E. de Lera Acedo et al: The REACH radiometer for detecting the 21-cm hydrogen signal from redshift z ≈ 7.5–28. Nature Astronomy, 21 juli 2022