Speuren met supertelescoop E-ELT

Op dit moment is de Very Large Telescope (VLT) de beste waarover de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) beschikt. De VLT bestaat uit vier afzonderlijke spiegeltelescopen, die kunnen samenwerken. Ze bevinden zich op de Cerro Paranal, een bergtop in de Chileense Atacamawoestijn.

Op 25 kilometer afstand ligt de Cerro Armazones. Op deze bergtop worden op 3046 meter hoogte voorbereidingen getroffen voor de bouw van een nieuwe optische telescoop, de European Extremely Large Telescope, afgekort de E-ELT. Met deze supertelescoop willen astronomen nog dieper in het heelal kunnen blikken.

Niet voor niets kiest de ESO opnieuw voor een plek in het Andesgebergte in Chili. Deze locatie heeft 360 heldere nachten, een schone lucht en een stabiele en droge atmosfeer.

Ledlampje

Met de E-ELT krijgen astronomen een vijf keer scherper beeld dan met de VLT. „Hij zou een brandend ledlampje dat een paar decimeter verwijderd is van een krachtige schijnwerper op 200 kilometer afstand nog apart moeten kunnen waarnemen”, aldus de Italiaan Roberto Tamai, programmadirecteur van de E-ELT, vorige week tijdens een symposium van de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW). De astronomen zouden daarmee succesvol naar planeten kunnen gaan speuren die om zeer ver verwijderde sterren draaien.

De bouw van de E-ELT is momenteel het grootste project van de ESO. De eerste plannen ontstonden in 1997, vertelt Tamai. „In 2005 presenteerden we plannen voor een telescoop met een spiegeldiameter van 100 meter. De ESO zag hiervan af omdat de bouw hiervan te risicovol zou zijn. In 2011 lanceerden we het definitieve voorstel voor een spiegel van 39 meter doorsnede. Hiervoor werd in 2012 groen licht gegeven.”

De E-ELT wordt de grootste optische telescoop ter wereld (Zie ”Spiegel op een spijkerbed”). Vergelijkbare telescopen in aanbouw zijn de Giant Magellan Telescope (GMT) met een spiegeldiameter van 24 meter en de Thirty Meter Telescope (TMT) met een spiegel van 30 meter in doorsnede, twee projecten waarin vooral Amerikaanse instituten participeren.

Het E-ELT-project moet in 2024 afgerond zijn. De 1143 miljoen euro die de telescoop moet kosten, wordt opgebracht door de vijftien ESO-lidstaten, waaronder Nederland, laat Tamai weten. Als de telescoop in 2025 eenmaal draait, kost deze 50 miljoen euro per jaar aan onderhoud en exploitatie.

Zwart gat

Eline Tolstoy, hoogleraar astronomie van de Rijksuniversiteit Groningen, heeft grootse plannen met de nieuwe telescoop, liet ze op het symposium weten. Zo wil ze er zwarte gaten mee bestuderen. „In sterrenstelsels bewegen sterren in banen om een zwart gat. Door deze bewegingen jarenlang nauwkeurig te volgen, kunnen we ten slotte de massa van zo’n zwart gat bepalen.”

Verder hoopt Tolstoy exoplaneten op te sporen. Dat zijn planeten buiten het zonnestelsel die lijken op de aarde en die zich bevinden in de zogeheten leefbare zone om de ster. Ze moeten daarvoor ver genoeg van de ster vandaan staan, en niet te koud en niet te warm zijn. Niet alleen door zogeheten indirecte detectie via verstoringen in de lichtsterkte van de ster; maar ook door directe waarneming van de planeten (Zie ”Kijken met de E-ELT”). „En wie weet kunnen we er zelfs tekenen van leven vinden”, meent de hoogleraar optimistisch.

----

Kijken met de E-ELT

Om met spiegeltelescopen, zoals de E-ELT, sterren scherp te kunnen waarnemen, moeten de ontwerpers alles uit de kast halen. Want het beeld dat de astronomen waarnemen, raakt door verschillende oorzaken vervormd, legt Joseph Braat, hoogleraar optica aan de TU Delft, uit.

Eén daarvan is het holle oppervlak van de hoofdspiegel. Braat onderscheidt twee typen vervormingen: coma –waargenomen voorwerpen worden weergegeven als een soort komeet– en astigmatisme – vervaging van het beeld. Door met verschillende spiegels te werken, kunnen ontwerpers deze vervormingen corrigeren.

Het spiegeloppervlak moet aan de allerhoogste kwaliteitsnormen voldoen en hebben een wiskundig zeer nauwkeurig vastgelegde vorm. Slechts een paar zeer gespecialiseerde bedrijven in de wereld kunnen die maken.

Dan is er nog een heel lastige vervorming van het licht door de atmosfeer. Lichtstralen komen evenwijdig de atmosfeer binnen. De laatste 100 kilometer voordat ze het aardoppervlak raken, worden ze vervormd door turbulenties in de atmosfeer.

„De afwijkingen zijn ongeveer 2 micrometer groot. Dat lijkt klein, maar voor astronomen is het dramatisch”, aldus Braat. „Met het blote oog –een pupil van 4 millimeter– zien wij daardoor sterren twinkelen, maar de E-ELT –met een spiegel van 39.000 millimeter– neemt daardoor een enorm versmeerd en verschuivend beeld waar: sterren worden grote dansende lichtoppervlakken. Afzonderlijke sterren zijn daardoor absoluut niet meer afzonderlijk waar te nemen.”

Voor de E-ELT met zijn spiegeldoorsnede van 39 meter betekent het dat de effecten van de atmosfeer over een oppervlak van 1100 vierkante meter moeten worden uitgeschakeld, aldus Braat. Een immense opgave.

In de E-ELT is daarom heel veel onmisbare techniek verborgen, verklaart Michel Verhaegen, hoogleraar meet- en regeltechniek van de TU Delft. „Als voorbeeld neem ik de M4-spiegel. Deze bevat zogeheten adaptieve optica om deze atmosferische afwijkingen eruit te filteren. En daarbij komt uiterst geavanceerde regeltechniek om de hoek kijken.”

Zonder correcties zouden astronomen met de E-ELT alleen maar dansende vlekken kunnen waarnemen. De M4-spiegel corrigeert daarvoor. Deze spiegel bestaat uit een verzameling sensoren en lensjes. Wanneer de atmosfeer het beeld niet zou versmeren, laat het controlesysteem van de spiegel een regelmatig patroon zien van puntjes op een scherm.

„Doordat de atmosfeer de inkomende lichtstralen wel afbuigt, gaan deze puntjes bewegen. Dit wordt waargenomen door de 160.000 sensoren. De E-ELT kan dit meten met een snelheid van 2000 keer per seconde. Computers gebruiken deze gegevens om een vervormbare spiegel met 40.000 lensjes aan te sturen. De turbulenties uit de atmosfeer worden daardoor grotendeels gecompenseerd”, legt Verhaegen uit. Het resultaat is een stabiel, scherp beeld van de sterrenhemel. Deze vervormbare spiegel is een van de allergrootste uitdagingen van de E-ELT.

Verhaegen: „De E-ELT heeft hiervoor een 100 keer complexere rekenprocessor nodig dan de VLT. Concreet, de VLT beschikt over in totaal 140 processoren; om alleen de M4-spiegel aan te sturen heeft de E-ELT er al 14.000 nodig.”

----

Spiegel op een spijkerbed

De E-ELT met zijn hoofdspiegel (M1) van 39 meter in doorsnede doet volop mee met de trend van steeds grotere spiegels. En daar ligt een enorme technische uitdaging, aldus Jan Nijenhuis, mechanisch architect van TNO, tijdens het KNAW-symposium.

„Een afzonderlijke spiegel kan maximaal 6 à 7 meter in doorsnede zijn. Daar ligt de technische grens. Maar hoe maak je dan een betaalbare spiegel van 50 millimeter dik en 39 meter in doorsnede?”

De oplossing is om de spiegel uit zeshoekige segmenten op te bouwen. „Elk van de segmenten van de primaire spiegel is van hoek tot hoek 1,4 meter en weegt 175 kilogram”, vervolgt Nijenhuis, die nauw bij het ontwerp is betrokken.

Om de kosten verder te reduceren, wordt elk van de 798 spiegelsegmenten voorzien van een identieke roestvaststalen spiegelondersteuning van 153 kilogram. „Dat maakt serieproductie mogelijk. Tellen we alle massa’s van de afzonderlijke segmenten op, dan volgt daaruit dat de hele spiegel in totaal 262.000 kilogram weegt, vergelijkbaar met een volgeladen Boeing 747.”

Alle spiegelsegmenten zijn verschillend en zullen door de zwaartekracht verschillend vervormen tot maximaal 17 millimeter. Dat maakt serieproductie weer lastig. Nijenhuis: „We zijn echter gaan nadenken: we hebben namelijk niet 798 verschillende segmenten. Elk hoofdsegment van 133 spiegels bestaat uit 75 unieke spiegels en 58 spiegelbeelden van deze spiegels. Die constatering scheelt ons enorm veel rekenwerk.”

De kwaliteit van de spiegel moet boven elke twijfel verheven zijn: de E-ELT moet dertig, liefst vijftig jaar meegaan en een minimale hoeveelheid onderhoud vergen. Ook mag de spiegel niet vervormen bij het draaien van de telescoop. En moeten de makers rekening houden met de mogelijkheid van zware aardbevingen in het gebied: de E-ELT moet een beving tot een magnitude van 8,5 op de schaal van Richter probleemloos kunnen doorstaan.

Het team van Nijenhuis en de Nederlandse fabrikant VDL uit Eindhoven hebben daarom gekozen voor een constructie waarbij drie driepoten elk drie kleinere driepoten ondersteunen. Op hun beurt dragen deze elk het spiegelsegment met negen ”spijkers”, zodat elk segment op 27 punten wordt ondersteund. Elke driepoot staat op een zogeheten actuator die de spiegel desgewenst 10 millimeter in hoogte kan verstellen. „Elk segment rust op een spijkerbed met waterbedeffect”, vat Nijenhuis het ontwerp samen.

De passieve correctie van elk segment gebeurt door op strategische plekken in de driepoten balansgewichten te plaatsen waardoor het spiegelvlak een heel klein beetje doorbuigt. „Daarmee corrigeren we astigmatische fouten, oftewel de vervaging van het beeld.”

Verder bevat elk spiegelsegment aan de randen een aantal sensoren die naar hun buren „kijken” en daarmee actieve correctie mogelijk maken, legt Nijenhuis uit. „Ook zorgen we ervoor dat de spiegels onderling niet langzaam ten opzichte van elkaar verschuiven. Met het licht van een heldere ster of van een kunstmatige ster die we er met lasers op projecteren kunnen we de hele telescoopspiegel scherp stellen.”

Ook het onderhoud krijgt bij het ontwerp al de nodige aandacht. De spiegelcoating gaat anderhalf jaar mee. Deze vervuilt en degradeert langzamerhand, zodat deze moet worden vervangen.

En dat moet zo simpel en snel mogelijk gebeuren. Nijenhuis: „Hoe dat in zijn werk gaat? Een zogeheten extractor duwt het segment dat moet worden vervangen, omhoog. Een kraan verwijdert dat en takelt er vervolgens een vervangend exemplaar in. Dat moet overdag gebeuren zodat de wetenschappers ’s nachts weer kunnen kijken.”

Speuren met supertelescoop E-ELT

Wetenschap & techniek

RD.nl in uw mailbox?