Waterstof-intensiteitskartering: het heelal in kaart brengen zonder sterrenstelsels te tellen
Stel je voor dat je wilt weten hoe dicht een bos is, maar geen tijd hebt om elke boom apart te tellen. In plaats daarvan vlieg je erover en meet je, per stuk van honderd vierkante meter, hoeveel licht er door het bladerdak schijnt. Je krijgt geen namen van individuele bomen, maar wel een betrouwbaar beeld van waar het bos dicht is en waar het opener is. Waterstof-intensiteitskartering (in het Engels: hydrogen intensity mapping) werkt volgens hetzelfde principe, maar dan voor het heelal: in plaats van miljarden sterrenstelsels stuk voor stuk te fotograferen, meten radiotelescopen de totale hoeveelheid radiostraling die waterstofgas in grote hemelgebieden uitzendt.
Die radiostraling komt van neutrale waterstofatomen, het meest voorkomende element in het heelal, die op een zeer specifieke golflengte van 21 centimeter stralen. Door die straling op te vangen op verschillende radiofrequenties kunnen onderzoekers een driedimensionale kaart maken van hoe materie in het heelal verdeeld is, tot op afstanden van miljarden lichtjaren. Zo'n kaart helpt bij het beantwoorden van een van de grootste open vragen in de natuurkunde: waarom dijt het heelal steeds sneller uit, en wat is die mysterieuze 'donkere energie' die daarvoor verantwoordelijk lijkt te zijn?
Wat is het precies?
De techniek draait om de zogeheten 21-centimeterlijn, ook wel de waterstoflijn genoemd. Een neutraal waterstofatoom bestaat uit één proton en één elektron, die allebei als een piepklein magneetje ronddraaien (spin). Heel af en toe klapt de spin van het elektron om, en daarbij komt een foton vrij met een golflengte van precies 21 centimeter, in het radiospectrum. Eén los waterstofatoom doet dat maar uiterst zelden, maar omdat er in het heelal ontelbaar veel waterstofatomen zijn, vooral in en rond sterrenstelsels, is het totale signaal wel degelijk meetbaar met gevoelige radiotelescopen.
Bij klassiek onderzoek naar sterrenstelsels probeert een telescoop elk stelsel afzonderlijk te detecteren: hoe helder is het, op welke afstand staat het, hoe snel beweegt het. Dat is nauwkeurig, maar traag, want je moet miljoenen losse bronnen één voor één identificeren. Intensiteitskartering slaat die stap over. De telescoop verdeelt de hemel in grote cellen, vaak 'voxels' genoemd (een soort driedimensionale pixel: een stukje hemel gecombineerd met een frequentieband), en meet simpelweg hoeveel totale 21-centimeterstraling er uit elke cel komt. Binnen zo'n cel zitten duizenden sterrenstelsels door elkaar, maar dat is geen probleem: het gaat niet om de individuele stelsels, maar om het patroon van drukkere en ijlere gebieden.
Omdat de golflengte van straling oprekt naarmate het heelal uitdijt (roodverschuiving), correspondeert elke gemeten radiofrequentie met een bepaalde kosmische afstand en dus met een bepaald moment in de geschiedenis van het heelal. Door op veel verschillende frequenties te meten, bouwen onderzoekers laag voor laag een driedimensionale kaart op: twee richtingen aan de hemel, plus diepte in de tijd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het in kaart brengen van de grootschalige structuur van het heelal: het kosmische web van filamenten, clusters en lege gebieden (voids) waarin sterrenstelsels zich ophopen. Die structuur bevat een soort ingebakken liniaal, de Baryonische Akoestische Oscillaties (BAO): een zwak, regelmatig patroon dat is ontstaan uit geluidsgolven in het allereerste heelal, ruim 13 miljard jaar geleden. Door te meten hoe groot dat patroon lijkt op verschillende afstanden, kunnen astronomen de uitdijingssnelheid van het heelal op verschillende momenten in de kosmische geschiedenis reconstrueren.
Die metingen zijn belangrijk voor onderzoek naar donkere energie, de onbekende oorzaak van de versnellende uitdijing van het heelal, ontdekt in de jaren negentig maar nog altijd niet verklaard. Grote optische sterrenstelselsurveys hebben hier al veel over geleerd, maar het in kaart brengen van steeds grotere en verdere volumes van het heelal kost met optische telescopen enorm veel tijd, omdat elk sterrenstelsel apart moet worden waargenomen. Intensiteitskartering belooft vergelijkbare informatie sneller en goedkoper te leveren, omdat de telescoop niet hoeft te 'wachten' op individuele bronnen maar continu het totale signaal registreert.
Daarnaast hoopt men met deze aanpak relatief snel enorme kosmische volumes te bestrijken, wat nodig is om zeldzame, grootschalige patronen statistisch betrouwbaar te kunnen meten. Sommige toepassingen richten zich zelfs op perioden ver terug in de tijd, tot aan de zogeheten reionisatie-periode, toen de eerste sterren en sterrenstelsels het jonge heelal begonnen te verlichten.
Voorbeelden uit de praktijk
De eerste overtuigende aanwijzing voor een kosmologisch HI-intensiteitssignaal kwam rond 2010, toen een onderzoeksteam met de Green Bank Telescope (GBT) in de Amerikaanse staat West Virginia radiodata combineerde met een optische catalogus van sterrenstelsels. Door de twee datasets met elkaar te kruiscorreleren, wisten de onderzoekers een zwak waterstofsignaal uit de ruis te halen, ook al konden ze het niet direct zelfstandig detecteren. Enkele jaren later, rond 2013, herhaalde en verbeterde een vervolgstudie deze proef met een andere sterrenstelsel-survey, wat gold als belangrijke bevestiging dat de methode werkt.
Een van de bekendste instrumenten die specifiek voor deze techniek is gebouwd, is CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) in British Columbia, Canada, operationeel sinds 2017. CHIME heeft geen bewegende schotels maar bestaat uit vaste, cilindervormige reflectoren die de hemel laten 'voorbijdraaien' door de rotatie van de aarde (een zogeheten drift-scan-ontwerp). Interessant genoeg is CHIME inmiddels minstens zo bekend geworden door een heel ander onderzoeksgebied: met dezelfde apparatuur detecteert de telescoop ook grote aantallen fast radio bursts (FRB's), kortstondige en extreem krachtige radioflitsen uit de diepe ruimte.
In Zuid-Afrika heeft de MeerKAT-radiotelescoop pilotmetingen voor intensiteitskartering uitgevoerd, met resultaten die begin jaren 2020 door onderzoeksteams zijn gepubliceerd. Op dezelfde locatie wordt ook HIRAX (Hydrogen Intensity and Real-time Analysis eXperiment) gebouwd: een array van honderden kleine schotelantennes die specifiek voor deze kosmologische toepassing is ontworpen. In China test het Tianlai-project, in de provincie Xinjiang, zowel cilindervormige als schotelantennes als voorloper voor toekomstige grootschalige metingen. En in Brazilië staat de BINGO-telescoop, gebouwd door een internationale samenwerking, eveneens gericht op het meten van BAO via HI-intensiteitskartering.
Hoe ver is de techniek?
Waterstof-intensiteitskartering bevindt zich nog grotendeels in de bewijs- en pathfinderfase. De basisprincipes zijn experimenteel aangetoond via kruiscorrelatie met optische surveys, maar een volledig zelfstandige, hoogkwalitatieve 3D-kaart van het heelal op basis van intensiteitskartering alléén, zonder steun van andere datasets, is tot dusver nog niet gepubliceerd op het niveau dat de grote optische surveys al wel hebben bereikt.
De grootste technische hindernis is niet het zwakke kosmologische signaal zelf, maar de storende voorgrondstraling: radiogolven van onze eigen Melkweg en van andere radiobronnen zijn duizenden tot tienduizenden keren sterker dan het HI-signaal dat men probeert te meten. Onderzoekers moeten die voorgrond met wiskundige technieken vrijwel perfect wegfilteren, zonder daarbij per ongeluk ook het echte signaal te verwijderen. Daarnaast is instrumentele kalibratie lastig: kleine, systematische fouten in de telescoop kunnen zich vermommen als kosmologisch signaal. Ook radiostoring van menselijke bronnen, zoals mobiele communicatie en satellieten, vormt een groeiend probleem op deze golflengtes.
Ondanks die obstakels neemt de instrumentcapaciteit gestaag toe: HIRAX en de opeenvolgende bouwfasen van de SKA zijn ontworpen om aanzienlijk gevoeliger te zijn dan de pathfinderexperimenten van het afgelopen decennium. Toch is voorzichtigheid op zijn plaats: eerdere verwachtingen over wanneer definitieve kosmologische resultaten zouden verschijnen, zijn in de praktijk herhaaldelijk naar achteren geschoven, mede doordat de voorgrondproblematiek hardnekkiger bleek dan aanvankelijk gedacht.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld is sterk internationaal en steunt op samenwerking tussen universiteiten, nationale observatoria en grote infrastructuurprojecten. In Canada zijn onder meer de University of British Columbia, McGill University en het Perimeter Institute nauw betrokken bij CHIME. In Zuid-Afrika coördineert SARAO (South African Radio Astronomy Observatory) zowel MeerKAT als HIRAX, met internationale partners uit onder meer de Verenigde Staten en Canada. In de Verenigde Staten hebben onderzoeksgroepen, onder andere verbonden aan het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat de Green Bank Telescope beheert, een pioniersrol gespeeld met de vroege pathfinderexperimenten.
China draagt bij via het Tianlai-project, met betrokkenheid van de Chinese Academie van Wetenschappen. Brazilië, het Verenigd Koninkrijk en enkele andere landen werken samen aan het BINGO-project. Overkoepelend wordt het veld sterk beïnvloed door de Square Kilometre Array Observatory (SKAO), een intergouvernementele organisatie met deelnemende landen als het Verenigd Koninkrijk, Australië, Zuid-Afrika, Nederland, Italië en China, die de SKA-telescopen in Zuid-Afrika en Australië bouwt en beheert. Nederlandse betrokkenheid loopt vooral via ASTRON, het Nederlands Instituut voor Radioastronomie, dat als SKA-partnerinstituut meewerkt aan instrumentontwikkeling en dataverwerking voor dit soort grootschalige radiowaarnemingen.