Om te helpen bij de vertering van een nieuw tijdperk in de radioastronomie, ontvouwt zich een nieuwe techniek ter verbetering bij de Westerbork Synthese Radiotelescoop (WSRT) in Nederland. Door een plaat met detectoren toe te voegen aan het brandpuntsvlak van slechts één van de 14 radioantennes van de WSRT, hebben astronomen van het Nederlands Instituut voor Radioastronomie (ASTRON) twee pulsars in beeld kunnen brengen die gescheiden zijn door meer dan 3,5 graden boog, wat ongeveer 7 keer zo groot als de volle maan gezien vanaf de aarde.
Het nieuwe project - Apertif genaamd - gebruikt een reeks detectoren in het brandpuntsvlak van de radiotelescoop. Deze ‘phased array feed’ - gemaakt van 121 afzonderlijke detectoren - vergroot het gezichtsveld van de radiotelescoop met meer dan 30 keer. Daarbij kunnen astronomen een groter deel van de hemel in het radiospectrum zien. Waarom is dit belangrijk? Stel je voor, in overeenstemming met onze analogie van de voedselcursus, dat je probeert een kom soep met een vingerhoed te eten - je kunt maar een klein deel van de soep tegelijk in je mond krijgen. Stel je dan voor dat je het probeert te eten met een lepel.
Deze zelfde analogie van het onderzoeken en observeren van de lucht voor radiobronnen is waar. Dr. Tom Oosterloo, de Principle Investigator van het Apertif-project, legt het vlees van de nieuwe techniek uit:
“De phased array-feed bestaat uit 121 kleine antennes, dicht op elkaar gepakt. Deze matrix beslaat ongeveer 1 vierkante meter. Elke WSRT heeft zo'n antennematrix in het middelpunt. Deze matrix bemonstert volledig het stralingsveld in het brandpuntsvlak. Door de signalen van alle 121 elementen te combineren, ontstaat een 'samengestelde bundel' [sic] kan worden gevormd die kan worden gestuurd om op een willekeurige locatie binnen een gebied van 3 × 3 graden aan de hemel te wijzen. Door de signalen van alle 121 elementen te combineren, kan de respons van de telescoop worden geoptimaliseerd, d.w.z. alle optische vervormingen kunnen worden verwijderd (omdat het stralingsveld volledig wordt gemeten). Dit proces wordt 37 keer parallel uitgevoerd, d.w.z. er worden 37 samengestelde balken gevormd. Elke samengestelde straal functioneert in feite als een afzonderlijke telescoop. Als we dit in alle WSRT-gerechten doen, hebben we 37 WSRT's parallel. Door alle balken naar verschillende locaties binnen het 3 × 3 graden gebied te sturen, kunnen we dit gebied volledig waarnemen. ”
Met andere woorden, traditionele radiotelescopen gebruiken slechts één enkele detector in het brandpuntsvlak van de telescoop (waar alle straling door de telescoop wordt gefocust). De nieuwe detectoren lijken een beetje op de CCD-chip in je camera, of die in moderne optische telescopen zoals Hubble. Elke afzonderlijke detector in de array ontvangt gegevens en door de gegevens te combineren tot een samengesteld beeld kan een beeld van hoge kwaliteit worden vastgelegd.
De nieuwe array zal ook het gezichtsveld van de radiotelescoop verbreden, waardoor deze meest recente waarneming van ver uit elkaar staande pulsars in de lucht mogelijk werd, een mijlpaaltest voor het project. Als extra bonus verhoogt de nieuwe detector de efficiëntie van het "diafragma" tot ongeveer 75%, vergeleken met 55% met de traditionele antennes.
Dr. Oosterloo legt uit: “Het diafragma-rendement is hoger omdat we veel meer controle hebben over het stralingsveld in het brandpuntsvlak. Met de klassieke enkelvoudige antennesystemen (zoals in de oude WSRT of zoals in de eVLA) meet men het stralingsveld slechts in één enkel punt. Door het stralingsveld over het gehele brandpuntsvlak te meten en door de signalen van alle elementen slim te combineren, kunnen optische vervormingseffecten worden geminimaliseerd en kan een groter deel van de binnenkomende straling worden gebruikt om de lucht in beeld te brengen. ”
Voorlopig is er slechts één van de 14 radioantennes uitgerust met Apertif. Joeri Van Leeuwen, onderzoeker bij ASTRON, zei in een e-mailinterview dat in 2011 12 van de antennes zullen worden uitgerust met de nieuwe detectorarray.
Luchtonderzoeken zijn de afgelopen jaren een zegen geweest voor astronomen. Door enorme hoeveelheden gegevens te verzamelen en beschikbaar te stellen aan de wetenschappelijke gemeenschap, hebben astronomen veel meer ontdekkingen kunnen doen dan ze hadden kunnen doen door tijd te besteden aan ongelijksoortige instrumenten.
Hoewel er tot nu toe enkele hemelonderzoeken in het radiospectrum zijn voltooid - de VLA FIRST Survey is de meest prominente - heeft het veld nog een lange weg te gaan. Apertif is de eerste stap in de richting van een gedetailleerde inspectie van de hele hemel in het radiospectrum, en er wordt verwacht dat veel ontdekkingen zullen worden gedaan met behulp van de nieuwe techniek.
Apertif zal naar verwachting meer dan 1.000 pulsars ontdekken, gebaseerd op de huidige modellering van de Galactische pulsar-populatie. Het zal ook een nuttig hulpmiddel zijn bij het bestuderen van neutrale waterstof in het heelal op grote schaal.
Dr. Oosterloo et. al. schreef in een artikel dat in juli 2010 over Arxiv werd gepubliceerd: “Een van de belangrijkste wetenschappelijke toepassingen van breedbandige radiotelescopen die op GHz-frequenties werken, is het waarnemen van grote hoeveelheden ruimte om een inventaris te maken van de neutrale waterstof in het heelal. Met dergelijke informatie kunnen de eigenschappen van het neutrale waterstof in sterrenstelsels als functie van massa, type en omgeving tot in detail worden bestudeerd en, belangrijker nog, voor het eerst kan de evolutie van deze eigenschappen met roodverschuiving worden aangepakt. ”
Het radiospectrum toevoegen aan de zichtbare en infrarood hemelonderzoeken zou helpen om de huidige theorieën over het heelal te verfijnen en om nieuwe ontdekkingen te doen. Hoe meer ogen we op de lucht hebben in verschillende spectra, hoe beter.
Hoewel Apertif de eerste dergelijke detector is die in gebruik is, zijn er plannen om andere radiotelescopen met de technologie bij te werken. Oosterloo zei over andere van dergelijke projecten: “Phased array feeds worden ook gebouwd door ASKAP, de Australische SKA Pathfinder. Dit is een instrument met vergelijkbare kenmerken als Apertif. Het is onze belangrijkste concurrent, hoewel we ook aan veel dingen samenwerken. Ik ben ook op de hoogte van een prototype dat momenteel wordt getest in Arecibo. In Canada werkt DRAO [Dominion Radio Astrophysical Observatory] aan de ontwikkeling van gefaseerde arrayfeeds. Echter, alleen Apertif en ASKAP zullen op korte termijn een echte radiotelescoop bouwen met werkende phased array feeds. ”
Op 22 en 23 november was er een wetenschapscoördinatiebijeenkomst over het Apertif-project in Dwingeloo, Drenthe, Nederland. Oosterloo zei dat de bijeenkomst werd bijgewoond door 40 astronomen uit Europa, de VS, Australië en Zuid-Afrika om de toekomst van het project te bespreken, en dat er veel belangstelling was voor het potentieel van de techniek.
Bronnen: ASTRON-persbericht, Arxiv, e-mailinterview met Dr. Tom Oosterloo en Dr. Joeri Van Leeuwen
