Radiotelescopen, waaronder ook ALMA, zijn vaak vele malen groter dan normale telescopen. Dat is niet zomaar.
De resolutie of scherpte waarmee je sterrenkundige objecten kunt bekijken, is van groot belang. Soms staan sterren bijvoorbeeld heel erg dicht bij elkaar. Hoe goed je resolutie kan zijn, wordt bepaald door het Rayleigh-criterium, ooit gedefinieerd door John Strutt, 3e Baron van Rayleigh (vaak ook Lord Rayleigh genoemd). Deze laat-19e eeuwse professor in Cambridge is ook degene die beschreef waarom de lucht blauw is (volgens een andere wet: Rayleigh-scattering), en hij ontdekte het edelgas argon. Voor het laatste kreeg hij in 1904 de Nobelprijs.
Maar terug naar het Rayleigh-criterium.
Dit criterium postuleert het volgende:
Sin θ = 1.22 λ / D
Kort gezegd: de sinus van de kleinste hoek ooit mogelijk (de scherpte) is gelijk aan 1,22 maal de golflengte van het licht gedeeld door de diameter van de ontvanger. Menselijke ogen van ongeveer 3 mm kijken naar licht rond de 550 nanometer. Daarmee kunnen we dus een hoek zien van 0,0128 graden of 50 boogseconden (1 boogseconde is 1/3600ste van een graad). Echt heel goed is dat niet. Een goede verrekijker, met een lens van 10 cm in diameter, kan al een resolutie bereiken van 2-3 boogseconden. Een moderne optische telescoop zoals de VLT, met een spiegel van ongeveer 10 meter, zit op een resolutie van 0,2 boogseconden.
Het Rayleigh-criterium geldt voor alle ontvangers van licht, van telescopen tot verrekijkers. En dus ook voor radio-ontvangers en -telescopen. Maar dat is op langere golflengtes een groot probleem. ALMA kijkt niet naar zichtbaar licht op 550 nanometer, maar naar radiostraling op 870 micron, meer dan 1.000 maal zo lang. Voor eenzelfde diameter, is je scherpte 1.000 keer slechter. Om dezelfde resolutie te krijgen als een menselijk oog van 3 mm op de ALMA-golflengten, heb je al een schotel van bijna 5 meter nodig. Een equivalente verrekijker op ALMA-golflengtes moet 150 meter zijn. En om dezelfde resolutie te bereiken als de VLT, heb je 15 kilometer-schotels nodig. Op nog langere radio-golflengten wordt dit nog veel extremer. LOFAR, net gebouwd in Noord-Nederland, zou een schotel moeten bouwen van honderden kilometers. Logischerwijze zijn zulke grote schotels onmogelijk te bouwen.
De grootste radio-schotel ooit gebouwd staat, of eigenlijk ligt, in Arecibo, Puerto Rico en is 300 meter groot (het is ook de locatie van de eind-scene in de Bond-film GoldenEye met Pierce Brosnan).
Maar astronomen willen wel graag de scherptes bereiken die we in het zichtbare licht kunnen halen. Daarom gebruiken we op radio-golflengten een truc. Deze truc is ongeveer tegelijk ontdekt door zowel de groep van Martin Ryle in Cambridge als de Australische groep van Joseph Pawsey. De basis van deze truc is dat je de signalen van twee of meer schotels combineert (door middel van interferentie, vandaar de naam interferometer) en uit deze interferentie een correlatie afleidt. Dit correlatie-signaal heeft niet de scherpte die wordt bepaald door de grootte van de schotels, maar een scherpte die bepaalt wordt door de afstand tussen de schotels. Als je de afstand tussen de schotels dus groter maakt, wordt het beeld scherper. Met interferometrie kunnen we met behulp van een groot aantal kleinere schotels of telescopen een veel grotere telescoop nabootsen. Zeer practisch en ook een heel stuk goedkoper.
Nu is er een aantal technische beperkingen. Zo is het voor de beste gevoeligheid in de sterrenkunde ook nodig om de schotels niet alleen zo ver mogelijk uit elkaar te hebben staan, maar ook om verschillende afstanden tussen de schotels mogelijk te maken (zowel oost-west als noord-zuid als tussenliggende richtingen). Over het algemeen geldt: dichter bij elkaar is gevoeliger, ten koste van de scherpte; verder uit elkaar is het omgekeerde: scherper, maar ten koste van de gevoeligheid.
Zie bijvoorbeeld de figuur hierboven (klik erop voor de volledige afbeelding). In het bovenste plaatje staan de antennes ver uit elkaar en kunnen we een hoge resolutie bereiken. Het onderste plaatje, waarop de schotels veel dichter bij elkaar staan, zorgt voor de omgekeerde conditie. Veel gevoeliger, maar niet zo scherp.
Het is daarom van belang om te weten waar we naar willen kijken en hoe klein en helder dat is. Voor heldere maar kleine objecten (zoals quasars) zetten we de schotels ver uit elkaar. Maar voor het kijken naar zwakke dingen, zoals suikers in een stervormingswolk, hebben we liever dat de schotels dicht bij elkaar staan.
Daarom heeft ALMA een methode ontwikkeld om de schotels te verschuiven. Dit gaat met gigantische gele trucks, specifiek ontwikkeld en gebouwd voor ALMA.
En daar ga ik het de volgende keer over hebben.
Tim van Kempen
Tim van Kempen is onderzoeker aan de Sterrewacht Leiden en werkt sinds juli 2010 voor en met ALMA. Na twee jaar in Chili te hebben meegwerkt aan het testen van ALMA, is hij sinds kort terug in Nederland. In dit blog bespreekt hij de techniek van ALMA en licht hij de eerste wetenschappelijke resultaten toe.