LOFAR brengt 13,7 miljoen kosmische bronnen in kaart - en wordt nu vier keer krachtiger

Vanuit een uitgestrekt veld in het Drentse Exloo verspreidt de LOFAR-radiotelescoop al ruim een decennium zijn antennes over heel Europa. Die netwerk van tienduizenden ontvangstantennes heeft een nieuwe mijlpaal bereikt: de publicatie van LoTSS-DR3, de meest gedetailleerde radiokaart van de hemel die ooit is gemaakt. In het overzicht zijn 13,7 miljoen kosmische radiobronnen vastgelegd, een hoeveelheid data die onze kennis van het heelal op meerdere gebieden tegelijk verschuift.

13,7 miljoen bronnen in een enkelvoudige survey

De LOFAR Two-metre Sky Survey, uitgevoerd door een Europees consortium onder leiding van de Leidse Sterrewacht en het Nederlandse ASTRON, heeft een gebied van de hemel in kaart gebracht dat overeenkomt met ruim een derde van de volledige zichtbare hemel voor de noordelijke halfronde. Het resultaat is ongekend: nooit eerder zijn zoveel afzonderlijke radiobronnen in een enkel overzicht gecatalogiseerd.

Onder de 13,7 miljoen bronnen bevinden zich miljoenen actieve kernen van verre sterrenstelsels - zogenoemde actieve galactische kernen - waarin superzware zwarte gaten materie verslinden en daarbij enorme hoeveelheden radiostraling uitstoten. Door deze bronnen systematisch in kaart te brengen, kunnen astronomen de groei van zwarte gaten over miljarden jaren kosmische geschiedenis reconstrueren. De survey bevat volgens de onderzoekers de meest complete telling tot nu toe van dit soort actief groeiende zwarte gaten over een groot deel van de hemel.

Wat radiostraling onthult

In tegenstelling tot zichtbaar licht, infrarrood of rontgenstraling, vangt radiostraling andere processen op. Exploderende sterren, botsende sterrenstelsels, magnetische velden en de resterende nagloed van actieve zwarte gaten die al lang zijn "uitgedoofd" zijn zichtbaar in het radiodomein, maar onzichtbaar voor optische telescopen zoals de Hubble of de James Webb Space Telescope. LOFAR werkt bij bijzonder lange golflengten, rond twee meter, waardoor het verschijnselen opvangt die zelfs andere radioinstrumenten missen.

Een ander doel van de survey is het in kaart brengen van de structuur van het kosmische web - het netwerk van draden en knooppunten van donkere materie en gas waarlangs sterrenstelsels zijn gerangschikt. Radiostraling van schokken in dit web, veroorzaakt door botsende klusters van sterrenstelsels, is met LOFAR al eerder waargenomen. Met de nieuwe dataset is de statistische steekproef groot genoeg om dit soort structuren systematisch te bestuderen.

LOFAR 2.0: de metamorfose is begonnen

Tegelijkertijd met de publicatie van de survey is de grootschalige upgrade naar LOFAR 2.0 in volle gang. Het project, dat in totaal zo'n 20 miljoen euro kost en minstens vijf jaar in beslag neemt, vervangt vrijwel alle digitale hardware van de telescoop: de 16.000 ontvangstantennes, de digitale bundelvormer per station, het klokverdeelingssysteem en de centrale verwerkingscluster.

De technische verbeteringen zijn ingrijpend. De nieuwe stations kunnen gelijktijdig waarnemen in twee frequentiebanden - de lage band van 10 tot 80 MHz en de hoge band van 110 tot 240 MHz - terwijl de oude configuratie moest kiezen. Dat verdubbelt de wetenschappelijke output per observatietijd. Bovendien worden krachtigere FPGA-processoren geinstalleerd die drie keer meer rekenvermogen per station leveren, waardoor alle antennes van een station tegelijk volledig benut kunnen worden.

Precisie op nanoseconde-niveau

Een van de meest veelbelovende verbeteringen zit in het kloksysteem. Radioastronomie vereist extreem nauwkeurige tijdsynchronisatie tussen alle stations van het netwerk, verspreid over een gebied van honderden kilometers. Met de oude klokken bedroeg de afwijking enkele tientallen nanoseconden; met het nieuwe White Rabbit-kloksysteem, dat al bij de eerste vijf stations is getest, daalt die afwijking naar ongeveer 0,1 nanoseconde over acht uur. Dat klinkt abstract, maar het maakt een fundamenteel verschil voor de precisie waarmee de telescoop kleine kosmische structuren kan onderscheiden.

Twee nieuwe internationale stations, in Italie en Bulgarije, worden toegevoegd aan het bestaande netwerk van stations in onder meer Duitsland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk, Polen, Zweden en Ierland. Meer stations op grotere onderlinge afstanden vergroten de zogenoemde baseline van de interferometer, wat resulteert in een scherpere resolutie: fijnere details van verre objecten worden onderscheidbaar.

Een Europese trots met Drentse wortels

LOFAR is een initiatief van ASTRON, het Nederlandse Instituut voor Radioastronomie, dat zijn hoofdkwartier heeft in Dwingeloo. De telescoop is in 2010 officieel in gebruik genomen en heeft sindsdien een sleutelrol gespeeld in de Europese radioastronomie. De upgrade naar LOFAR 2.0 wordt gecoordineerd binnen het LOFAR ERIC-consortium, waarbij tien landen samenwerken.

Voor Nederland is het project een symbool van wetenschappelijke infrastructuur die met relatief beperkte middelen wereldtop presteert. De totale kosten van LOFAR 2.0, verdeeld over meerdere jaren en meerdere landen, steken gunstig af bij de miljarden die ruimtetelescopen als Hubble of James Webb kosten. Tegelijk produceert het netwerk data van vergelijkbare wetenschappelijke waarde - alleen dan voor het radiodomein van het elektromagnetisch spectrum.