Waar komen hoogenergetische kosmische deeltjes in het heelal vandaan? Op die vraag kan een netwerk van 1.660 radiotelescopen mogelijk antwoord geven. Een Nijmeegs team van wetenschappers bouwde dit netwerk van telescopen in Argentinië, dat sinds een paar weken driftig data verzamelt.

De Argentijnse provincie Mendoza staat vooral bekend als wijngebied, maar de uitgestrekte vlaktes aan de voet van het Andesgebergte lenen zich niet alleen goed voor wijngaarden. Op zo’n 3,5 uur rijden ten zuiden van de gelijknamige stad Mendoza ligt het Pierre Auger Observatory, een groot internationaal observatorium voor hoogenergetische kosmische deeltjes. Wetenschappers vermoeden dat zulke deeltjes, die op topsnelheid door het universum reizen, van sterren of andere objecten uit andere sterrenstelsels komen.

Maar waarvandaan precies? Dat is moeilijk te bewijzen. In de hoop betere data te verzamelen, arriveerde op de Argentijnse vlakte recent versterking vanuit Nijmegen: 1.660 radioantennes, die straling afkomstig van kosmische deeltjes in de atmosfeer gaan meten. De apparatuur is ontworpen en getest in het Radboud Radio Lab. Een bijzondere prestatie, volgens sterrenkundige Marc Klein Wolt, die leiding geeft aan het Radio Lab: ‘Dit is een van de grootste radiosystemen ter wereld, en de grootste die dit soort straling meet.’

Sneeuwbaleffect

Het Pierre Auger Observatorium is een consortium van honderden wetenschappers van over de hele wereld, waaronder Radboud-hoogleraar astrodeeltjesfysica Jörg Hörandel. Zes jaar geleden kreeg hij een subsidie om radioantennes aan de meetapparatuur in Argentinië toe te voegen. Die apparatuur is vervolgens samen met het Radio Lab ontwikkeld.

Het lastige aan hoogenergetische deeltjes is dat je ze niet direct kunt ‘zien’, maar moet meten via interactie met andere deeltjes. Eén van de manieren waarop wetenschappers dat op de Argentijnse vlakte al jaren doen, is met watertanks. Als die hoogenergetische deeltjes botsen met waterdeeltjes, levert dat een flitsje op dat in die tank te meten valt, vertelt Klein Wolt. Dan moet zo’n deeltje natuurlijk wel precies in zo’n watertank belanden.

‘Het lastige aan hoogenergetische deeltjes is dat je ze niet direct kunt ‘zien’’

‘Daarom staan er 1660 watertanks verspreid over 3000 vierkante kilometer, een oppervlakte ter grootte van de provincie Zuid-Holland.’ Maar als je een hoogenergetisch kosmisch deeltje op aarde meet, zegt dat nog steeds niets over de reis die het heeft afgelegd. ‘Je hebt met die watertanks maar één meting, het kan nog steeds van alle kanten komen.’

De radioantennes van het Radboudteam kunnen vanaf de grond de deeltjes in de lucht meten, tot op zo’n 10 kilometer hoogte. Ook dat gebeurt indirect. In de atmosfeer botsen de hoogenergetische deeltjes met andere deeltjes, wat nog meer botsingen veroorzaakt. Bij dit sneeuwbaleffect, ‘shower’ genoemd, komt radiostraling vrij waaraan wetenschappers kunnen zien: hier is een kosmisch deeltje langs geraasd.

‘Met radioantennes erbij heb je twee metingen: één op de grond in die watertanks, en één in de lucht’, vertelt Klein Wolt verder. ‘Daar kun je een lijn tussen trekken en dan heb je een richting waar het deeltje vandaan komt. Vervolgens kun je met telescopen kijken of ver weg in die richting een ster of ander object staat dat dat deeltje kan hebben uitgezonden.’

Sinds een aantal weken liggen de radioantennes op de Argentijnse vlakte en verzamelen ze driftig data. Ze zijn vastgekoppeld aan de watertanks, die zonnepanelen hebben en elektronica om binnenkomende data te verwerken. Klein Wolt: ‘Op die manier maken we gebruik van de stroom en rekenkracht die al bij die tanks zit.’

Testopstelling

Voor het Radio Lab was deze klus een kolfje naar hun hand. Het team, bestaande uit zo’n twintig mensen met diverse achtergronden, werkte eerder al aan een radioantenne die met een Chinese ruimtesatelliet mee naar de achterkant van de maan ging. Ook waren ze betrokken bij de eerste foto van het zwarte gat en willen ze een grote radiotelescoop op een berg in Namibië zetten.

Toen Klein Wolt en zijn collega’s startten met dit project voor het Pierre Auger Observatorium hadden ze dus al een basisidee voor de aanpak. ‘Dat design hebben we zelf tot in detail uitgewerkt, en op het dak van het Huygensgebouw hebben we met een aantal antennes tests gedaan.’ Vervolgens bouwden verschillende leveranciers de apparatuur in veelvoud, waarna alles nog een keer terug kwam naar Nijmegen. ‘Van al die antennes is de elektronica door ons lab gegaan. Daar hadden we een testopstelling, waarmee we samen met studenten controleerden of alles deed wat het moest doen.’

‘We willen een radiotelescoop op de achterkant van de maan bouwen’

Nu zit het werk er voor het Radio Lab op, tenzij er iets mis gaat met de apparatuur. Het is nu aan Jörg Hörandel en zijn team om de data te analyseren, en zo hopelijk nieuwe ontdekkingen te doen over hoe het heelal werkt. Klein Wolt droomt intussen alweer groots over nieuwe missies, waarvoor dit project een goede oefening was. ‘We willen een radiotelescoop op de achterkant van de maan bouwen, ongeveer op dezelfde schaal als in Argentinië.’