Astronomen hebben een baan waarin ze de kans krijgen om zich bezig te houden met enkele van de meest fundamentele vragen die er zijn, van de vraag of wij alleen zijn in de kosmos tot die over de aard van de mysterieuze donkere energie en de donkere materie waaruit het grootste deel van het heelal is opgebouwd.

Extremely Large Telescope

Om in de toekomst een beter begrip van het heelal te krijgen, bouwt een grote groep astronomen van over de hele wereld in Chili de grootste optische telescoop ooit – de Extremely Large Telescope (ELT). De bouw moet rond zijn in 2028 en het doel is om tegen die tijd meer antwoorden op dit soort vragen te kunnen bieden.

De hoofdspiegel van de ELT krijgt een diameter van 39 meter, wat het tot de grootste en meest perfect reflecterende spiegeltelescoop maakt die ooit is gebouwd. Het vermogen om licht te verzamelen overtreft dat van alle andere grote telescopen samen. De ELT zal dus objecten kunnen waarnemen die miljoenen keren zwakker zijn dan het menselijk oog kan zien.

Waarom we zo’n telescoop nodig hebben? Daar zijn verschillende redenen voor. Door de ongelooflijke gevoeligheid kan de ELT enkele van de eerste sterrenstelsels die ooit zijn gevormd in beeld brengen aan de hand van licht dat 13 miljard jaar heeft gereisd om de telescoop te bereiken. Waarnemingen van dit soort verre objecten verfijnen ons begrip over het ontstaan van de kosmos en de aard van donkere materie en donkere energie.

Buitenaards leven

Verder zal de ELT ons helpen om een van de meest fundamentele vragen te beantwoorden: zijn wij alleen in het universum? Wel, deze telescoop zal de eerste zijn om exoplaneten op te sporen. Dat zijn planeten die sterke overeenkomsten hebben met de aarde vanwege een vergelijkbare massa, baan en nabijheid tot hun gastheer. Ze draaien wel rond een andere ster dan de zon.

Deze aardachtige planeten bevinden zich in de zogenaamde Goldilocks Zone (de Goudlokje-zone) en draaien op exact de juiste afstand rond hun ster zodat water niet kookt en ook niet bevriest – de voorwaarden om leven mogelijk te maken.

De camera van de ELT zal beelden maken met een resolutie die zes keer beter is dan die van de James Webb Space Telescope, en zal ons dus de helderste beelden ooit van exoplaneten kunnen bezorgen. Maar hoe fascinerend dergelijke foto’s ook zullen zijn, het hele verhaal zal daarmee nog niet verteld zijn.

The Dark Side of the Moon

Om te achterhalen of er leven aanwezig is op een exoplaneet, moeten astronomen de beelden aanvullen met spectroscopie. Waar beelden ons een inkijk geven in de vorm, grootte en structuur van astronomische objecten, vertellen spectra ons meer over de snelheid, temperatuur en zelfs de chemie ervan.

De ELT zal dan ook niet één, maar vier spectrografen bevatten – instrumenten die licht in verschillende kleuren opsplitsen, net zoals het iconische prisma op de platenhoes van Pink Floyds The Dark Side of the Moon.

Die spectrografen, elk ongeveer ter grootte van een minibus, zullen zorgvuldig gecontroleerd worden op stabiliteit maar vormen nadien een van de belangrijkste wetenschappelijke sluitstukken van de ELT. In het geval van gigantische exoplaneten zal het Harmoni-instrument (een onderdeel van ELT, nvdr) het licht analyseren dat door hun atmosfeer is gereisd en zo op zoek gaan naar tekenen van water, zuurstof, methaan, kooldioxide en andere gassen die erop wijzen dat leven er mogelijk is.

Om veel kleinere aardachtige exoplaneten te detecteren, zal een beroep worden gedaan op het meer gespecialiseerde Andes-instrument. Andes heeft een kostprijs van ongeveer 35 miljoen euro en is in staat om minuscule veranderingen in de golflengte van licht te detecteren.

Aardachtige exoplaneten

De ontdekkingen in eerdere satellietmissies geven astronomen al een goed idee van waar ze moeten zoeken aan de hemel om exoplaneten waar te nemen. Eerder zijn er immers al duizenden bevestigde of ‘kandidaat-exoplaneten’ ontdekt met behulp van de zogeheten ‘transitmethode’. Hierbij kijkt een ruimtetelescoop (een telescoop die zich buiten de dampkring van de aarde bevindt, zoals bijvoorbeeld de Hubble-telescoop, nvdr) naar een stuk van de hemel met duizenden sterren en speurt naar kleine, periodieke dipjes in hun intensiteit. Die worden veroorzaakt door een planeet die in zijn baan voor de ster passeert.

Maar Andes zal dus een andere methode gebruiken om op zoek te gaan naar ‘nieuwe aardes’. Als een exoplaneet rond zijn ster draait, zal de zwaartekracht van die planeet inwerken op de ster zodat er sprake is van een wiebeling. Deze beweging is ongelooflijk klein; de baan van onze aarde zorgt er bijvoorbeeld voor dat de zon slechts 10 centimeter per seconde schommelt.

Maar net zoals de toonhoogte van een ambulancesirene toeneemt en afneemt als hij naar ons toe rijdt en weer van ons weg gaat, neemt de golflengte van het licht van een wiebelende ster toe en af als de planeet zijn baan verder aflegt.

Opmerkelijk genoeg zal Andes in staat zijn om deze minuscule verandering in de kleur van het licht te detecteren. Het sterlicht, in wezen continu (‘wit’) van ultraviolet tot infrarood, bestaat uit banden waar atomen in het buitenste gebied van de ster specifieke golflengten absorberen als het licht ontsnapt, waardoor het donker lijkt in de spectra.

Kleine verschuivingen – ongeveer 1/10.000ste van een pixel op de Andes-sensor – kunnen in de loop van maanden en jaren de periodieke wiebelingen onthullen. Dit kan ons uiteindelijk helpen om een Aarde 2.0 te ontdekken.

Extreme precisie

Aan de Heriot-Watt University zijn we bezig met de ontwikkeling van een lasersysteem waarmee Andes die extreme precisie kan bereiken. Net als de millimetertjes op een liniaal zal de laser de Andes-spectrograaf kalibreren door te voorzien in een spectrum van licht dat is opgebouwd uit duizenden golflengten met een regelmatige tussenafstand.

Deze schaal zal tientallen jaren constant blijven en rekening houden met meetfouten die ontstaan door omgevingsveranderingen in temperatuur en druk.

De bouwkosten van de ELT zullen neerkomen op een slordige 1,45 miljard euro, waardoor sommigen vragen kunnen stellen bij de waarde van het project. Maar astronomie heeft een betekenis die  duizenden jaren overspant en die culturen en landsgrenzen overstijgt. Alleen door ver buiten ons zonnestelsel te kijken, kunnen we een perspectief krijgen dat verder reikt dan het hier en nu.

Derryck Telford Reid is professor Fysica aan de Heriot-Watt University.