Achter de maan zoeken naar de eerste sterren

De Chinese ruimtevaartorganisatie maakte afgelopen jaar indruk door als eerste een robotisch karretje op de ‘achterkant’ van de maan – altijd weggedraaid van de aarde – te landen en te besturen. Communicatie met de aarde verliep via de eerder gelanceerde Queqiao-satelliet die zo’n 65.000 kilometer áchter de maan rondjes draait.

Aan boord van die satelliet liftten Nederlandse wetenschappers mee met een radio-ontvanger. Vanaf de satelliet steken drie meterslange antennes de ruimte in die luisteren naar radiofrequenties van 0,1 tot tachtig megahertz, een gebied dat door wetenschappers tot op heden weinig is onderzocht. De aardatmosfeer blokkeert kosmische radiosignalen tot ongeveer dertig megahertz volledig en tot vijftig megahertz ondervinden aardse radio-ontvangers storingen. En dat terwijl er genoeg te meten is. De betrokken wetenschappers van de Radboud Universiteit in Nijmegen hopen signalen op te vangen van de zon, de Melkweg en misschien wel uit het jonge universum, toen de allereerste sterren ontbrandden.

Geen tijd om te testen

Nederlandse wetenschappers onder leiding van Marc Klein Wolt hadden niet veel tijd toen ze in 2015 een oproep zagen van Chinese ruimtevaartingenieurs. De Chinezen hadden nog plek voor een onderzoeksinstrument op een communicatiesatelliet die diep in de ruimte áchter de maan rond zou gaan cirkelen. De internationale wetenschappelijke gemeenschap werd gevraagd om ideeën.

Klein Wolt en collega’s hadden zo’n idee. Ze schreven een voorstel voor een radio-ontvanger met drie uitschuifbare antennes van maximaal vijf meter die naar nog onontgonnen radiofrequenties luistert. China keurde het plan goed. Er was toen iets meer dan twee jaar tijd om een satellietinstrument te ontwikkelen, te bouwen en te testen. Extreem kort voor ruimtevaartbegrippen. Bij lancering was de lijm amper droog en voor het testen was geen tijd meer, maar de Netherlands–China Low-Frequency Explorer (NCLE) doet sinds afgelopen december metingen achter de maan.

Brinkerink hoopt ook dat de antennes signalen oppikken van dichter bij huis. Van bijvoorbeeld uitbarstingen op het oppervlak van de zon. Onder invloed van sterke magnetische velden op het oppervlak slingert ‘onze ster’ grote hoeveelheden geladen deeltjes de ruimte in. Deze continue deeltjesstroom wordt ook wel de zonnewind genoemd. Eens in de zoveel tijd zijn er grote uitbarstingen op de zon, die via de zonnewind invloed hebben op elektronica in satellieten en zelfs op aarde. Door deze uitbarstingen te volgen in het radiospectrum hopen wetenschappers de magneetvelden van de zon en de uitbarstingen beter te begrijpen. De lage golflengtes die NCLE meet stelt de wetenschappers in staat om een beeld te vormen van de magneetvelden relatief ver van de zon.

De geladen deeltjes die van de zon afkomstig zijn, gaan verderop in het zonnestelsel een interactie aan met het magneetveld van reuzenplaneten zoals Jupiter. Dat is te meten als kortstondige radiosignalen van dertig tot veertig megahertz die de vorm van het magneetveld ter plekke verraden. Daar zijn overigens al gedetailleerd metingen van door ruimtesondes ter plekke, maar Brinkerink wijst erop dat de NCLE daar over lange tijd data aan kan toevoegen. Handig wanneer je iets wil zeggen over hoe vaak deze interacties voorkomen. Ver buiten het zonnestelsel kan NCLE misschien ook signalen oppikken van zogenoemde pulsars, zeer compacte overblijfselen van uitgebrande sterren die regelmatige radiosignalen de ruimte insturen.

Uiteindelijk is het de droom van de Nijmeegse wetenschappers om signalen uit het vroege heelal te meten, van pakweg de eerste miljard jaar toen er nog nauwelijks sterren waren. Het in dit jonge en donkere heelal aanwezige waterstof zond wél straling uit bij een frequentie van 1420 megahertz, dat door de gestage uitdijing van het heelal inmiddels is ‘opgerekt’ tot ergens tussen de twintig en honderd megahertz. Het meten van deze zwakke signalen is moeilijk. “Er is een team van wetenschappers van het EDGES-experiment dat claimt deze signalen te hebben gemeten, maar andere wetenschappers twijfelen of die signalen echt uit het vroege heelal komen”, zegt Brinkerink. “Als wij dit willen proberen moeten we ons instrument tot het uiterste drijven. Ik denk dat we die gevoeligheid net niet halen.”

Rolmaten

Niet alles verliep vlekkeloos. Zo zijn niet alle antennes (die de onderzoekers vergelijken met enorme rolmaten) volledig uitgerold. Ze bleven steken op respectievelijk 2,5; 3,5 en 4,5 meter. Ingenieurs van het Delftse bedrijf Innovative Solutions in Space – verantwoordelijk voor de bouw van het apparaat – zoeken nu de oorzaak. Brinkerink laat weten dat het doen van metingen bij hogere frequenties wat makkelijker is geworden door de kortere antennes.

Het wetenschappelijke programma komt hierdoor niet per se in gevaar. Na het (gedeeltelijk) uitrollen van de antennes begin december heeft de NCLE het hele spectrum op hoge resolutie doorgemeten. Dat gebeurt voornamelijk om het instrument zelf te testen. Een zogenoemde kalibratiebron aan boord wekt signalen op die de antennes oppikken. “We vergelijken de directe pulsjes met de pulsjes die de antennes oppikken. Zo weten we de invloed van de elektronica zelf op de metingen”, zegt Brinkerink. “Je wil jouw eigen invloed niet aanzien voor een signaal uit de ruimte. Dit soort kalibratiemetingen zullen we continu doen.” In die eerste metingen hopen de wetenschappers al radiosignalen uit de Melkweg te ontwaren.