Ineens stond er een gele stip op het telescoopbeeld, midden in de blauwe zee van ruizige radiostraling. De foto van tien seconden ervoor had alleen maar blauwe ruis, maar nu was er onmiskenbaar een piek in radiostraling opgedoken; een piek die meer dan een minuut aanhield.
Snel bekeek Iris de Ruiter de verse beelden die die avond waren binnengekomen. Op zes andere telescoopfoto’s stonden soortgelijke gele stippen op exact dezelfde locatie. De Ruiter wist dat ze beet had; haar zoektocht naar kortstondige radiobronnen had een oogst opgeleverd die haar proefschrift ruimschoots zou vullen.
Over de bron die ze als eerste zag, verschijnt deze lente een artikel in een toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift. Een dergelijke minutenlange, repeterende radiobron is zeer zeldzaam en komt in dit geval waarschijnlijk van een exotisch dubbelstersysteem – een primeur.
De zoekcampagne van De Ruiter en haar collega’s werd verricht met Lofar, een radiotelescoop bestaande uit kleine antennes verspreid over Europa, met Exloo in Drenthe als epicentrum. In de afgelopen paar jaar zijn de capaciteiten in dataverwerking en -opslag zo toegenomen, dat het nu mogelijk is om ‘filmpjes’ te maken van beelden met korte belichtingstijden. De Ruiter: „Daardoor vangen we een nieuw soort signalen op. Als we langer zouden belichten, zouden deze kortstondige radiobronnen verloren gaan in de ruis. Bovendien beslaan we een veel groter gebied aan de hemel, waardoor we meer dingen zien.”
De Ruiter promoveerde vorig jaar cum laude aan de Universiteit van Amsterdam en zet nu haar onderzoek voort aan de Universiteit van Sydney. Haar onderzoek naar ‘laagfrequente radio-transients’ is een nieuwe mijlpaal in een zich snel ontwikkelende nieuwe horizon in de sterrenkunde: de sterrenkunde van de tijdsdimensie.
Bijna alles wat wij over het heelal weten is gevat in de straling die we ontvangen: niet alleen zichtbaar licht, maar ook infrarood en ultraviolet, gamma-, röntgen- en radiostraling. Voor elke stralingssoort is een apart soort telescoop nodig; elke telescoop die een voordien onontgonnen deel van het spectrum bekeek, vond weer nieuwe fenomenen die verklaard konden worden. Zo jagen sterrenkundigen altijd naar nieuwe horizons. En nu is het de ongekende toename in dataverzameling en -verwerking die de sterrenkunde vleugels geeft en een nieuwe dimensie ontsluit: de tijd.
Op het eerste gezicht lijkt de sterrenhemel onveranderlijk. Sterren stralen miljarden jaren met bijna constante helderheid en bewegen ogenschijnlijk zo langzaam dat sterrenbeelden pas na tienduizenden jaren merkbaar veranderen. Toch zijn de grootste ontdekkingen in de sterrenkunde gedaan door veranderingen aan de sterrenhemel te meten.
Pionier van de tijdsdimensie
Toen Galileo Galilei in 1610 als eerste een telescoop op de hemel richtte, werd hij ook een van de eerste pioniers van de tijdsdimensie. Hij ontdekte vier manen rond Jupiter en volgde hun beweging nacht na nacht. Zijn conclusie was baanbrekend: als manen om een planeet draaien, kan de aarde niet het middelpunt van het universum zijn. Het observeren van veranderingen bleef een sleutelrol spelen in de sterrenkunde. Bijna vier eeuwen later ontdekten astronomen duizenden exoplaneten – planeten rond andere sterren dan de zon – door subtiele helderheidsvariaties in sterren te meten die ontstonden wanneer planeten er voorlangs bewogen. En aan het eind van de twintigste eeuw bewezen strak geplande waarnemingen van uitdovende supernova’s (explosies van zware sterren) dat het heelal versneld uitdijt – een mysterie dat nog altijd onopgelost is. Beide ontdekkingen leverden Nobelprijzen op; twee eerdere Nobelprijzen gingen al naar een andere ontdekking in de tijdsdimensie: pulsars, snel roterende, compacte neutronensterren die regelmatige radiopulsen uitzenden. Ook andere vakgebieden bestaan dankzij het bestuderen van fenomenen over langere tijd: getijdenverstoringen (sterren die door zwarte gaten worden verscheurd) en asteroseismologie (de studie van stertrillingen en -bevingen) hebben ongekende inzichten opgeleverd over het binnenste van sterren.
De volgende horizon in de tijdsdimensie wordt bereikt dankzij moderne technologie: we kunnen nu verder gaan dan telescoopfoto’s en daadwerkelijk films maken van de sterrenhemel.
Als er iets zeldzaams plaatsvindt, wil je er als de kippen bij zijn
„In de wetenschap bestuderen we de natuur op verschillende ruimtelijke schalen, van subatomaire niveaus tot de totale omvang van het waarneembare heelal. Maar ook de tijdsdimensie heeft veel verschillende schalen, waarop we kunnen inzoomen. En wij zoeken naar nieuwe verschijnselen in een tijdsdimensie die nog nooit eerder betreden is”, zegt Jason Hessels, hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en McGill University in Montreal, Canada en onderzoeker bij Astron, het Nederlands instituut voor radioastronomie. Zijn onderzoeksgroep, Astroflash, richt zich onder andere op radioflitsen: korte maar heftige pulsen radiostraling waarvan er dagelijks duizenden de aarde bereiken. „In onze zoekcampagne ontdekten we zowel flitsen van een paar seconden als flitsen van een miljardste seconde. Traditioneel onderzoeken we in de sterrenkunde variaties over dagen of weken, maar onze groep werkt met microseconden en nanoseconden. Dit onontgonnen tijdsgebied biedt een nieuw venster op het heelal.”
Wat deze ultrakorte flitsen veroorzaakt is een belangrijke onbeantwoorde vraag. „Wat we wel zeker weten: de flitsen ontstaan in een zeer klein volume met een ongekende energiedichtheid”, vertelt Hessels. „In een microseconde legt licht enkele honderden meters af; in een nanoseconde zelfs minder dan een meter. En de flits heeft genoeg energie om in een ander sterrenstelsel waarneembaar te zijn. Zoveel energie gepropt in een zo klein volume komt alleen maar voor in de buurt van een compact object als een neutronenster of zwart gat.”
Hessels waarneemcampagnes bestrijken een groot gedeelte van de hemel. Zoals Chime, een radiotelescoop die dagelijks ‘tienminutenfilmpjes’ maakt van tweederde van de sterrenhemel. Zo zijn al meer dan 5.000 radioflitsen ontdekt en nog talloze andere transiënten, die om een verklaring verlegen zitten. Ook Lofar 2.0, de door Astron ontwikkelde aanstaande upgrade van de radiotelescoop met nieuwe software en meetstations, zal veel nieuwe ‘sterrenfilms’ opleveren met een nóg hogere resolutie in ruimte en tijd. „Er is nog veel in het universum dat we niet kennen, simpelweg omdat we een groot deel van de hemel langdurig moeten observeren om zeldzame gebeurtenissen te detecteren. We zien nu dat veel astronomische objecten veranderlijke eigenschappen hebben die ons veel inzicht geven in hoe ze eigenlijk werken.”
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/wp-content/uploads/2025/02/19111830/data128049519-98e4b6.jpg)
Zwart gat als eindresultaat
Hiervoor is niet alleen een hoge tijdsresolutie nodig: een goede timing is minstens zo belangrijk. „Als er iets zeldzaams plaatsvindt, wil je er als de kippen bij zijn om het met zoveel mogelijk verschillende telescopen te bestuderen”, zegt Paul Groot, hoogleraar aan de Radboud Universiteit en de Universiteit van Kaapstad. Hij ondervond dit al tijdens zijn promotieonderzoek eind jaren negentig, dat zich richtte op gammaflitsen. Dit zijn energieuitbarstingen van enkele seconden die – zoals we inmiddels weten – veroorzaakt worden door sterexplosies of -bostingen, waarvan het eindresultaat een zwart gat is. Groot en zijn collega’s bestudeerden de ‘nagloeier’ van zo’n gammaflits: op de plek waar de intense gammastraling was vrijgekomen was tot weken erna nog licht-, röntgen- en radiostraling waarneembaar, wat duidelijk maakte dat het om een supernova ging.
De onthulling van gammaflitsen als supernova’s leidde tot een nieuwe praktijk in de sterrenkunde: het ‘triggeren’ van telescoopnetwerken door incidentele ontdekkingen. Groot: „Behalve de grote computerkracht die ons in staat stelt om de gehele hemel te monitoren hebben we nu ook de technische mogelijkheden om telescopen rechtstreeks aan elkaar te koppelen.” Grote telescopen als de VLT in Chili werden naar aanleiding van de gammaflitsen uitgerust met rapid response mode, een ‘spoedwaarnemingsmodus’ die lopende programma’s onderbreekt als ergens een ontploffing is geweest en het arsenaal aan telescoopkracht laat inzoomen op de plek des onheils. En toen in 2015 zwaartekrachtsgolven werden ontdekt – trillingen van de ruimtetijd, gemeten met laserstralen in kilometerslange tunnels – werd wederom het ‘spoedprotocol’ ingesteld, waarmee hun nagloed in vele kleuren kon worden bestudeerd. Zo kon geduid worden dat deze golven werden veroorzaakt door botsende neutronensterren en zwarte gaten.
Het systeem van spoedwaarnemingen vormde voor Groot de inspiratie voor BlackGEM, een Nederlands-Belgische sterrenwacht in Chili, die vorig jaar werd geopend en waarvan hij de projectleider is. BlackGEM bestaat uit drie ‘optische’ telescopen die direct na de detectie van een zwaartekrachtsgolf worden geactiveerd om de exacte locatie van de explosie te vinden – zwaartekrachtsgolfdetectors zelf kunnen die locatie niet goed vaststellen. In zijn ‘vrije tijd’ speurt BlackGEM de gehele zuidelijke sterrenhemel af om flitsen, explosies en andere tijdelijke stergebeurtenissen te betrappen.
Het nieuwste geesteskind van Groot is de Time Domain Telescope, een verzameling van honderd middelgrote telescopen gespecialiseerd in tijdsgevoelige waarnemingen. De telescopen zullen gezamenlijk of onafhankelijk van elkaar opereren, in zowel een ‘scanning’ als ‘inzoom’-modus. Groot: „Uiteindelijk willen we binnen een fractie van een seconde kunnen inzoomen op bijvoorbeeld een supernova. Alleen dan kunnen we te weten komen wat er precies gebeurt direct tijdens de ontploffing en wat hier precies aanleiding toe gaf. Voor zo’n snelle respons moeten we de mens uit de keten halen en het waarneemprogramma volledig automatiseren. De telescoop wordt een astronomische robot-octopus.”
Is mijn sterontploffing echt belangrijker dan jouw urenlange belichting waarmee je nieuwe sterrenstelsels zult ontdekken?
Het voordeel van een specialistisch observatorium als de Time Domain Telescope is dat de waarneemprogramma’s van grote telescopen er niet onder lijden. Groot: „Er hoeven minder pijnlijke beslissingen genomen te worden over welke waarnemingen prioriteit hebben: is mijn sterontploffing echt belangrijker dan jouw urenlange belichting waarmee je nieuwe sterrenstelsels zult ontdekken?”
Het overkoepelende probleem waar de Time Domain Telescope een oplossing voor biedt is het „tekort aan telescoopglas”, aldus Groot. „Het stuk tijdsdimensie dat we nu aan het ontginnen zijn is zo vruchtbaar, dat er niet genoeg telescopen zijn om de rijkheid aan nieuw ontdekte fenomenen nader te bestuderen op de manier die ze verdienen. Bovendien is een grote telescoop niet altijd nodig, veel kortstondige fenomenen zijn zo helder dat je er ook met een kleine telescoop al veel over kunt leren.”
De Time Domain Telescope zal er op zijn vroegst na 2040 komen; momenteel wordt gebouwd aan twee voorlopers, de Israëlische MAST in de Negevwoestijn en de Belgische Marvel op de Canarische Eilanden. Maar deze zomer begint in Chili al het Vera C. Rubin Observatory met een tienjarige hemelverkenning, die naar verwachting behalve talloze vluchtige fenomenen ook een schat aan bewegende planetoïden in ons zonnestelsel zal ontdekken.
Ook in het onderzoek naar exoplaneten speelt tijd een cruciale rol. Natalie Allen, promovendus aan de Johns Hopkins University, bestudeert het Trappist-1-stelsel, waar zeven planeten om een rode dwerg draaien. Drie daarvan bevinden zich in de bewoonbare zone, waar vloeibaar water kan bestaan en daarmee ook – mogelijk – leven. Tijdens een transit (overgang), wanneer een planeet voor de ster langs beweegt, kan uit het sterlicht dat langs de randen van de planeet schijnt de samenstelling van de planeetatmosfeer worden afgeleid.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/wp-content/uploads/2025/02/19111828/data127871128-525de7.jpg)
Deze waarnemingen zijn behoorlijk uitdagend: Trappist-1 is een zeer actieve ster, met regelmatige stervlammen die de detectie van planeetovergangen verstoren. „Tijdens een overgang, die tientallen minuten duurt, kan een stervlam plotseling oplichten”, zegt Allen. „En behalve stervlammen zijn er nog meer kortstondige verstoringen op het steroppervlak. Om planeten dus goed te bestuderen, moeten we sterren en hun uitbarstingen eerst beter begrijpen. Ons waarneemprogramma is een voorbeeld van hoe ook in dit vakgebied de tijdsdimensie steeds belangrijker wordt.”
Planeet Trappist-1e, die zich in de bewoonbare zone bevindt, is het meestbelovend voor de queeste voor leven. Trappist-1b, die geen atmosfeer lijkt te hebben, dient als referentie: de ‘kale’ planeet biedt een duidelijk gemarkeerde bedekking van de actieve ster. In 2025 vinden meerdere bijna gelijktijdige planeetovergangen van planeet b en e plaats, waarbij telescopen zoals James Webb Trappist-1 intensief zullen volgen. Tijdsresolutie, timing en samenwerkende telescopen zullen essentieel zijn.
