Hoe radiotelescopen ongeziene melkwegen zichtbaar kunnen maken

Ons universum is vreemd, geweldig en enorm, zegt astronoom Natasha Hurley-Walker. Met een ruimteschip kan je (nog) niet overal naartoe -- maar met een radio-telescoop kan dat wel. In deze fascinerende, beeldrijke talk laat Hurley-Walker zien hoe ze de mysteries van het heelal met behulp van speciale technologie doorzoekt, in golflengten die onze ogen niet kunnen waarnemen.

‘De ruimte, de laatste grens.’

Deze woorden hoorde ik voor het eerst
toen ik net zes jaar oud was

en ik was er helemaal weg van.

Ik wilde nieuwe werelden verkennen.

Ik wilde zoeken naar nieuw leven.

Ik wilde alles wat
het universum te bieden had.

Die dromen, die woorden
namen me mee op een reis,

een ontdekkingsreis,

via de school, de universiteit,

een doctoraat, om ten slotte
een professionele astronoom te worden.

Ik leerde twee verbazingwekkende dingen,

één een beetje ongelukkig,

toen ik bezig was met mijn doctoraat.

Ik zag in dat ik nog niet dadelijk

een sterrenschip zou gaan besturen.

Maar ook dat het universum vreemd,
prachtig en uitgestrekt is,

eigenlijk te groot om te worden
onderzocht door ruimteschip.

Ik kreeg interesse in de astronomie,
in het gebruik van telescopen.

Ik toon hier een beeld
van de nachtelijke hemel.

Je zou het overal ter wereld kunnen zien.

Al deze sterren maken deel uit van ons
lokale sterrenstelsel, de Melkweg.

In een donkerder deel van de hemel,

op een mooie donkere site,
misschien in de woestijn,

zou je het centrum
van de Melkweg kunnen zien

met zijn honderden miljarden sterren.

Een heel mooi beeld.

Kleurrijk.

Bedenk dat dit maar een lokale
uithoek van ons universum is.

Je kunt zien dat er vreemd,
donker stof overheen zit.

Dat is lokaal stof

dat het licht van de sterren verduistert.

Maar toch zijn we vrij goed in staat --

met onze ogen -- om ons kleine hoekje
van het universum te verkennen.

Het kan echter beter.

Je kunt prachtige telescopen zoals
de Hubble Space Telescope gebruiken.

Astronomen hebben
deze afbeelding geconstrueerd:

de Hubble Deep Field.

Honderden uren lang hebben ze een
miniem stukje van de hemel geobserveerd,

niet groter dan
een vingernagel op armslengte.

In dit beeld zie je
duizenden sterrenstelsels,

en we weten dat er honderden miljoenen,
miljarden sterrenstelsels moeten zijn

in het hele universum,

sommige zoals het onze,
andere zeer verschillend.

Dus je denkt, oké,
deze reis kan ik voortzetten.

Dit is makkelijk. Ik gebruik gewoon
een zeer krachtige telescoop

en kijk maar naar de hemel, geen probleem.

Maar eigenlijk missen we iets
als we enkel dat doen.

Want alles waar ik
tot dusver over heb gesproken

ging over het zichtbare spectrum,
dat wat je met je ogen kunnen zien,

en dat is een klein,

een heel klein stukje van wat
het universum ons te bieden heeft.

Er zijn ook twee belangrijke problemen
bij het gebruik van zichtbaar licht.

Niet alleen missen we
alle andere processen

die andere soorten licht uitzenden,

maar er zijn twee problemen.

Het eerste gaat over dat stof
dat ik eerder noemde.

Het stof houdt het zichtbare licht tegen.

Hoe dieper we in het heelal kijken,
des te minder licht we zien.

Het stof houdt het tegen.

Maar er is een heel vreemd probleem
met het gebruik van zichtbaar licht

om het universum proberen verkennen.

Neem even een pauze.

Stel je staat op een
drukke hoek van de straat.

Er komen auto's voorbij.

Een ambulance nadert.

Ze heeft een sirene met een hoge toon.

(Imiteert een passerende sirene)

De sirene leek in toonhoogte te veranderen

als ze je passeerde.

De chauffeur van de ambulance
veranderde de sirene niet om je te pesten.

Het werd veroorzaakt door je waarneming.

Toen de ambulance naderde
werden de geluidsgolven gecomprimeerd

en werd de toon hoger.

Als de ambulance wegreed,
werden de geluidsgolven uitgerekt

en werd de toon lager.

Hetzelfde gebeurt met licht.

Van objecten die naar ons toe bewegen,

zijn de lichtgolven gecomprimeerd
en worden ze blauwer.

Van objecten die van ons af bewegen,

zijn de lichtgolven uitgerekt,
ze lijken roder.

Dit noemen we blauw- en roodverschuiving.

Ons universum dijt uit

dus alles gaat uit elkaar

en daarom lijkt alles rood.

Vreemd genoeg, hoe dieper je
in het heelal kijkt,

des te sneller bewegen
de objecten van ons weg,

zodat ze roder lijken.

Als we nu met de Hubble Deep Field

dieper in het heelal willen kijken

dan zal voor de Hubble

vanaf een bepaalde afstand

alles rood worden

en dat geeft een probleem.

Uiteindelijk gaan we zo ver weg

dat alles verschoven is naar het infrarood

en we helemaal niets meer kunnen zien.

Er moet een oplossing voor zijn

anders ben ik beperkt in mijn tocht.

Ik wilde het hele universum verkennen,

niet alleen wat ik kan zien voordat
roodverschuiving roet in het eten gooit.

Er bestaat een techniek.

Hij heet radioastronomie.

Astronomen doen dat al decennialang.

Het is een fantastische techniek.

Ik toon jullie de Parkes Radio Telescoop,
ook wel bekend als ‘The Dish’.

Misschien zag je de film.

Radio is echt briljant.

Daarmee kunnen we veel dieper turen.

Het wordt niet tegengehouden door stof,

je kunt dus alles in het universum zien

en roodverschuiving is minder een probleem

omdat we ontvangers kunnen bouwen
met een grotere bandbreedte.

Wat ziet Parkes wanneer we hem
naar het midden van de Melkweg richten?

We moeten iets fantastisch zien, toch?

Nou, het is in ieder geval interessant.

Al dat stof is weg.

Zoals gezegd gaat radio dwars
door dat stof, dus geen probleem.

Maar het uitzicht is heel anders.

We kunnen zien dat het centrum
van de Melkweg opgloeit

en dat is geen sterrenlicht.

Dit licht noemen we synchrotronstraling.

Het komt van elektronen die rond
kosmische magneetvelden draaien.

Het vlak gloeit op met dit licht.

We kunnen er ook
vreemde toefjes uit zien komen,

en objecten die niet lijken te kloppen

met eender wat we kunnen zien
met onze eigen ogen.

Maar het is moeilijk
om dit beeld te interpreteren

want zoals jullie kunnen zien
is de resolutie zeer laag.

Radiogolven hebben een lange golflengte

en dat maakt de beeldscherpte slechter.

Dit beeld is ook in zwart en wit,

zodat we niet echt weten
welke kleur dit alles heeft.

Nu snel vooruit naar vandaag.

We kunnen telescopen bouwen

die deze problemen niet hebben.

Dit is een beeld van het Murchison
Radio Observatorium,

een fantastische plek
om radiotelescopen te bouwen.

Het is er plat, droog

en vooral is het er radiostil:

geen mobiele telefoons, geen wifi, niets,

gewoon heel, heel radiostil,

dus een perfecte plek
om een radiotelescoop te bouwen.

De telescoop waar ik
een paar jaar aan gewerkt heb,

heet de Murchison Widefield Array

en ik ga een time-lapse
tonen van de bouw ervan.

Dit zijn studenten
en afgestudeerden in Perth.

We noemen ze 'het studentenleger',

en ze offeren hun tijd op
om een radiotelescoop te bouwen.

Je krijgt er geen cursuskrediet voor.

Ze zijn bezig met
het maken van radiodipolen.

Die ontvangen alleen bij lage frequenties,
een beetje zoals FM-radio of televisie.

Hier stellen we ze op in de woestijn.

De uiteindelijke telescoop
beslaat 10 vierkante kilometer

van de West-Australische woestijn.

Het interessante is
dat er geen bewegende delen zijn.

We zetten deze kleine antennes

op kippendraad, in feite.

Dat komt vrij goedkoop uit.

Kabels nemen de signalen op

van de antennes

en brengen ze
naar centrale verwerkingseenheden.

Door de grootte van deze telescoop,

doordat we hem over de gehele
woestijn hebben gebouwd,

krijgen we een betere
resolutie dan Parkes.

Uiteindelijk brengen
al die kabels ze naar een eenheid

die ze stuurt
naar een supercomputer hier in Perth,

en dat is waar ik ga meespelen.

(Zucht)

Radiodata.

Ik heb de afgelopen vijf jaar

gewerkt met zeer moeilijke
en interessante gegevens

waar niemand ooit
eerder naar gekeken had.

Ik was lange tijd bezig met kalibreren,

draaide miljoenen CPU-uren
op supercomputers,

om die gegevens
proberen te begrijpen.

Met deze telescoop,

met deze gegevens,

hebben we een overzicht van
de gehele zuidelijke hemel uitgevoerd,

de Galactische en Extragalactische
All-sky MWA Survey,

of GLEAM, zoals ik het noem.

Ik ben er erg blij mee.

Dit onderzoek gaat gepubliceerd worden,
maar het is nog niet getoond,

dus zijn jullie letterlijk de eersten

om dit zuidelijke overzicht
van de hele hemel te bekijken.

Ik ben blij dat ik jullie enkele beelden
van dit onderzoek kan tonen.

Stel dat je in de Murchison

onder de sterren ging kamperen

en naar het zuiden keek.

Je zag de zuidelijke hemelpool

en de opkomende Melkweg.

Als ik hier het radio-licht overheen leg

dan is dit wat we waarnemen
met onze onderzoek.

Je kunt zien dat het Melkwegvlak
niet langer verduisterd is door stof.

Het licht op met synchrotronstraling

en duizenden stippen
verschijnen aan de hemel.

De grote Magelhaense Wolk,
onze naaste galactische buur,

is oranje in plaats van
het bekende blauwwit.

Er is hier dus veel aan de hand.
Laten we eens een kijkje nemen.

Als we terugkijken
naar het galactische centrum,

waarvan ik eerder het Parkes-beeld toonde,

in lage resolutie, zwart en wit,

en we nu naar het GLEAM beeld overvloeien,

kan je zien dat de resolutie
met een factor honderd is gestegen.

We hebben nu
een kleurenbeeld van de hemel,

een technicolor beeld.

Het is geen valse-kleuren beeld.

Dit zijn echte radiokleuren.

Ik heb de laagste frequenties
rood gekleurd,

de hoogste blauw

en de middelste groen.

Dat geeft dit regenboogeffect.

Dit zijn niet zomaar valse kleuren.

De kleuren in deze afbeelding
vertellen ons iets

over de fysische processen in het heelal.

Als je bijvoorbeeld kijkt
langs het vlak van de Melkweg,

dan licht het op in synchrotronstraling,

die meestal oranjerood is,

maar als we heel goed kijken,
zien we kleine blauwe stippen.

Als we inzoomen:

deze blauwe stippen
zijn geïoniseerd plasma

rond zeer heldere sterren.

Dat houdt het rode licht tegen

waardoor ze blauw schijnen.

Zij kunnen ons iets vertellen
over de stervormingsgebieden

in onze melkweg.

We zien ze gewoon meteen.

We kijken naar de Melkweg,
en de kleur vertelt ons dat ze er zijn.

Je kunt kleine zeepbellen zien,

kleine cirkelvormige beelden
rond het galactische vlak.

Dat zijn resten van supernova’s.

Wanneer een ster ontploft,

wordt de buitenste schil afgeworpen

vliegt naar buiten de ruimte in,
neemt onderweg materiaal op,

en dat produceert een kleine schaal.

Het was een oud mysterie voor astronomen

waar alle supernovaresten zaten.

We weten dat er in het vlak een heleboel
hoog-energetische elektronen moeten zijn

om de waargenomen
synchrotronstraling te produceren.

We denken dat ze komen
van de supernovaresten,

maar er lijken er te weinig zijn.

Gelukkig is GLEAM buitengewoon goed
in het detecteren van supernovaresten.

Dat staat hopelijk binnenkort
in onze nieuwe paper.

Dat is allemaal prima.

We hebben ons kleine
lokale universum onderzocht,

maar ik wilde dieper gaan, verder gaan.

Ik wilde verder gaan dan de Melkweg.

Zo kunnen we een zeer interessant
object zien in de rechterbovenhoek.

Dit is een lokaal radiostelsel,

Centaurus A.

Als we erop inzoomen,

kunnen we zien dat er twee grote
pluimen van uitgaan, de ruimte in.

Als je recht in het midden
tussen deze twee pluimen kijkt,

zie je een sterrenstelsel
dat lijkt op het onze.

Het is een spiraal met een stofband.

Het is een normaal sterrenstelsel.

Maar deze pluimen zijn alleen
zichtbaar in radiostraling.

In het zichtbare spectrum
zouden we ze niet eens zien

en ze zijn duizenden malen groter
dan het gastheer-sterrenstelsel.

Wat gebeurt er? Wat maakt deze pluimen?

In het midden van elk
melkwegstelsel dat we kennen

zit een superzwaar zwart gat.

Nu zijn zwarte gaten onzichtbaar.
Daarom heten ze zo.

Alles wat je kunt zien,
is de afbuiging van het licht eromheen

en af en toe, als een ster
of een gaswolk in hun baan komt,

wordt die uit elkaar gescheurd
door getijdekrachten

en vormt zich een 'accretieschijf'.

Deze accretieschijf licht
helder op in x-straling

en enorme magnetische velden
kunnen het materiaal de ruimte in werpen

aan bijna de lichtsnelheid.

Deze pluimen
zijn zichtbaar in radiostraling

en dat is wat wij waarnemen
bij ons onderzoek.

Nu hebben we dus één radiosterrenstelsel
te zien gekregen. Wat leuk is.

Maar bovenin dat beeld

zie je een ander radiomelkwegstelsel.

Een beetje kleiner,
omdat het verder weg is.

Oké. Twee radiosterrenstelsels.

We kunnen dit zien. Dat is goed.

Hoe zit het met die andere punten?

Zijn dat slechts sterren?

Neen.

Het zijn allemaal radiosterrenstelsels.

Alle punten in dit beeld

zijn melkwegstelsels

op miljoenen
tot miljarden lichtjaren afstand

met een superzwaar
zwart gat in het centrum.

Ze duwen materiaal de ruimte in
aan bijna de snelheid van het licht.

Daar staat je verstand bij stil.

En dit onderzoek is zelfs groter
dan wat ik hier liet zien.

Als we uitzoomen naar de volledige
omvang van het onderzoek,

kan je zien dat ik 300.000
van deze radiosterrenstelsels vond.

Echt een epische reis.

We hebben deze sterrenstelsels
allemaal ontdekt

tot en met de allereerste
superzware zwarte gaten.

Ik ben er erg trots op en het
zal volgende week worden gepubliceerd.

Maar dat is niet alles.

Ik heb met dit onderzoek de verste
uithoeken van het heelal onderzocht,

maar er is nog meer
te zien in deze afbeelding.

Ik neem jullie mee
naar het begin van de tijd.

Toen het heelal zich vormde,
was er een grote klap,

die het heelal achterliet
als een zee van waterstof,

neutrale waterstof.

Dan kwamen
de eerste sterren en sterrenstelsels,

die die waterstof ioniseerden.

Dus ging het universum
van neutraal naar geïoniseerd.

Dat veroorzaakte een signaal
overal om ons heen.

Overal doordringt het ons,

zoals de Kracht.

Omdat dat zo lang geleden gebeurde,

is het signaal roodverschoven,

en is nu een signaal
met een zeer lage frequentie.

Het is op dezelfde frequentie
als mijn onderzoek,

maar het is zo zwak.

Het is een miljardste de grootte van een
van de objecten in mijn onderzoek.

Misschien is onze telescoop niet gevoelig
genoeg om dit signaal te detecteren.

Maar er komt een nieuwe radiotelescoop.

Een sterrenschip krijg ik niet,

maar hopelijk wel

een van de grootste
radiotelescopen in de wereld.

We bouwen de Square Kilometre Array,
een nieuwe radiotelescoop.

Hij wordt duizend keer
groter dan de MWA,

duizend keer gevoeliger
en met een nog betere resolutie.

We zouden er tientallen miljoenen
sterrenstelsels mee moeten vinden.

En misschien, diep in dat signaal,

krijg ik de eerste sterren
en sterrenstelsels te zien

van bij het begin van de tijd zelf.

Dank je.

(Applaus)