Wetenschap
Astronomen stellen een submillimetertelescoop van 50 meter voor
Sommige delen van het heelal onthullen alleen belangrijke details wanneer ze via radiogolven worden waargenomen. Dat verklaart waarom we ALMA hebben, de Atacama Large Millimeter-submillimeter Array, een verzameling radiotelescopen van 7 en 12 meter die samenwerken als een interferometer. Maar arrays van het ALMA-type hebben hun beperkingen, en astronomen weten wat ze nodig hebben om die beperkingen te overwinnen.
Ze hebben een radiotelescoop nodig die uit één enkele massieve schotel bestaat.
Veel astronomische objecten zenden radiogolven uit. Van massieve sterrenstelsels tot individuele moleculen:radiogolven en de observatoria die ze waarnemen, bieden inzichten in deze objecten op manieren die andere observatoria niet kunnen. Maar er is een probleem. Om aan radioastronomie te kunnen doen met een bruikbare signaal-ruisverhouding hebben astronomen enorme antennes of schotels nodig. Daarom bestaat ALMA. Het is een verzameling schotels die via interferometrie samenwerken om een veel grotere schotel te creëren.
Maar hoe krachtig ALMA ook is, en ook al blijft het een enorme bijdrage leveren aan de astronomie, het heeft zijn beperkingen.
Dat is de reden waarom sommigen in de astronomische gemeenschap oproepen tot een nieuwe radiotelescoop met één enkele grote schotel. Het heet AtLAST, naar de Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope, en het idee sluimerde al een paar jaar. Nu is een nieuw artikel het idee aan het verfijnen.
Het artikel heeft de titel 'Ontwerp van de 50-meter Atacama Large Aperture Submm Telescope' en is momenteel beschikbaar op de preprint-server arXiv . De hoofdauteur is Tony Mroczkowski, astronoom en specialist in submillimeterinstrumenten bij de European Southern Observatory (ESO), een van de organisaties achter ALMA.
"Submillimeter- en millimetergolflengten kunnen een breed scala aan objecten en verschijnselen onthullen die ofwel te koud, te ver weg of te heet en energetisch zijn om te worden gemeten bij zichtbare golflengten", stelt het artikel. Ze wijzen erop dat de astronomische gemeenschap "de behoefte heeft benadrukt aan een groot radioobservatorium met een hoge doorvoersnelheid van minder dan mm" dat de radioastronomie vooruit kan helpen.
"De Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (AtLAST), met zijn diafragma van 50 meter en een maximaal gezichtsveld van 2o, wil zo'n faciliteit zijn", leggen ze uit.
Hun paper presenteert het volledige ontwerpconcept voor AtLAST.
Het grote diafragma van 50 meter van AtLAST is het cruciale kenmerk ervan. Kleinere openingen kunnen, zelfs wanneer ze worden gecombineerd in een interferometer als ALMA, alleen extremere kenmerken waarnemen als gevolg van ruis. Daarom kunnen twee of meer kleinere gerechten één groot gerecht niet vervangen.
Er zijn enkele radioantennes met een groot diafragma, zoals de Japanse Nobeyama 45 m-telescoop en de IRAM 30 m-telescoop. Maar vanwege hun ontwerpen kunnen ze niet zo goed observeren als AtLAST. AtLAST zal dichter bij de piek van de spectrale energieverdeling (SED) van sterrenstelsels kunnen kijken en zal ver-infrarode (FIR) emissielijnen kunnen waarnemen in het interstellaire medium en in sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving. ALMA kan deze SED's en FIR's waarnemen, maar niet zo goed als AtLAST.
Bestaande grote schotels hebben ook kleinere gezichtsvelden (FOV). Maar het ontwerp van AtLAST werd gedreven door de behoefte aan een groter gezichtsveld van 2 graden. Dit geeft AtLAST een veel hogere kaartsnelheid voor wetenschappelijke cases waarvoor grote velden van enkele honderden vierkante graden nodig zijn.
Het overkoepelende wetenschappelijke doel van AtLAST is veelzijdig. De telescoop zal het meest complete, diepste en hoogste resolutieonderzoek van de Melkweg uitvoeren. Dit omvat gaswolken, protoplanetaire schijven, protosterren en stof. AtLAST zal zelfs enkele delen van de Lokale Groep van Melkwegstelsels in kaart brengen. De radiotelescoop zal zelfs complexe organische moleculen kunnen detecteren, de voorlopers van het leven.
Het gas en het stof in het universum zijn van bijzonder belang voor AtLAST. Een groot deel van het gas en stof in het heelal is koud en compact. Het interstellaire medium (ISM) bestaat uit wolken van gas en stof met unieke spectrale kenmerken in het submillimeterbereik. ALMA heeft ons een aantal van onze beste inzichten gegeven over deze structuren met hogeresolutiebeelden van enkele fijne details van de ISM. Maar antennes met één schotel hebben astronomen een glimp gegeven van andere ontdekkingen die nog gedaan moeten worden. Dat is een van de redenen waarom de internationale astronomiegemeenschap zo enthousiast is over AtLAST.
AtLAST zal ook in staat zijn een telling te houden van stervormende sterrenstelsels met hoge roodverschuivingen. Het zal ook de reionisatie van het universum in kaart brengen en de stof-, gas- en metaalachtigheid van het universum in de kosmische tijd volgen.
AtLAST zal ingaan op de diepere, fundamentele aspecten van sterrenstelsels door het circumgalactische medium (CGM) te onderzoeken. De CGM is koud gas en stof dat voorkomt in galactische halo's en de evolutie van sterrenstelsels bepaalt. Dit materiaal is onzichtbaar op andere golflengten.
Het ontwerp met één schotel van de radiotelescoop heeft een aantal voordelen ten opzichte van ALMA, die los staan van de schotelgrootte en het gezichtsveld. Als antenne met één schotel kan AtLAST snel van doel wisselen en zelfs bewegende doelen volgen. Het maakt gebruik van verschillende scanmodi, evenals volgmodi waarmee de telescoop kometen, asteroïden en objecten in de buurt van de aarde kan volgen. Het innovatieve ontwerp van de schommelstoel ligt ten grondslag aan een deel van de prestaties van AtLAST, een ontwerp dat het deelt met extreem grote optische telescopen zoals de ELT.
AtLAST zal worden ontworpen om vele decennia mee te gaan. Het heeft zes instrumentenruimtes en maakt snel schakelen tussen instrumenten mogelijk. Met een knipoog naar ons veranderende klimaat zal AtLAST worden aangedreven door hernieuwbare energie.
Maar waar het eigenlijk allemaal om draait is wetenschap.
"Het hier gepresenteerde ontwerp zal naar verwachting voldoen aan alle specificaties die AtLAST heeft gesteld om zijn brede wetenschappelijke doelen te bereiken", aldus het artikel. Dankzij de details van het ontwerp voldoet het aan de strenge eisen die nodig zijn om zijn doelen te bereiken. "Dit zijn namelijk het grote gezichtsveld, het hoge oppervlak
nauwkeurigheid, snelle scanning en acceleratie, en de noodzaak om een duurzame, uitbreidbare faciliteit te leveren die een nieuwe generatie astronomen zal dienen en de komende decennia relevant zal blijven."
Het is een complex project, net als alle astronomische observatoria. Maar naarmate de technologie vordert, neemt ook de complexiteit toe. Er moet nog veel werk worden verzet en het zal nog een hele tijd duren voordat de bouw zelfs maar kan beginnen.
"Ondanks de hoeveelheid werk die nog gedaan moet worden, ligt AtLAST op koers om mogelijk later dit decennium met de bouw te beginnen, indien volledig gefinancierd,", concluderen de auteurs.