De echo van de oerknal galmt nog altijd door het uitdijende universum. Niet in de vorm van geluid – daar wringt de metafoor enigszins - , maar als eindeloos opgerekte elektromagnetische golven, die na miljarden jaren in het radiospectrum zijn beland. Daarmee komen ze binnen het gezichtsveld van Mark Bentum, sinds afgelopen september als hoogleraar Radio Science verbonden aan TU/e-faculteit Electrical Engineering.

“Over de beginperiode van het heelal, tot grofweg vierhonderd miljoen jaar na de oerknal, weten we eigenlijk nog maar weinig”, vertelt Bentum. “Wat we wel weten is dat het heelal toen immens heet geweest moet zijn, en bij botsingen tussen deeltjes veel warmtestraling is vrijgekomen. Die straling nemen we nu waar in de vorm van radiogolven, doordat de golven door de expansie van het heelal sterk zijn uitgerekt.”

Dergelijke radiogolven, overblijfselen uit de babytijd van het heelal, worden aangeduid met de term kosmische achtergrondstraling. Het grootste deel van deze straling heeft nu een golflengte van millimeters. Uit een iets latere periode, toen het universum zo ver was afgekoeld dat de eerste waterstof- en heliumatomen konden vormen, is echter ook elektromagnetische straling overgebleven, met een veel grotere golflengte.

De voornaamste bron van deze radiostraling is een proces binnen het waterstofatoom waarbij straling met een golflengte van 21 centimeter wordt uitgezonden. Het is deze waterstofstraling die Bentum wil aangrijpen om meer te leren over het tijdvak tussen het ontstaan van de eerste atomen en het moment dat de eerste sterren werden gevormd, ongeveer vierhonderd miljoen jaar na de oerknal. “Die periode, toen er in het heelal niets anders was dan waterstof en helium, wordt wel aangeduid als de Dark Ages van de kosmologie”, zegt Bentum.

“Aan de hand van die straling van waterstof, bij 1,4 gigahertz, kun je met radiotelescopen zoals in Dwingeloo en Westerbork bijvoorbeeld verre sterrenstelsels in kaart brengen”, vervolgt hij. “Hoe verder die sterrenstelsels bij ons vandaan zijn, en hoe langer de expansie van het heelal heeft geduurd, hoe lager de waargenomen frequentie wordt. Dat noemen we roodverschuiving.”

Straling afkomstig van de verste  – en daarmee oudste –  sterrenstelsels bereikt de telescopen op aarde daardoor echter niet of nauwelijks, legt de hoogleraar uit. “De waterstofstraling uit de Dark Ages is door de roodverschuiving zelfs zo ver opgerekt, tot enkele tientallen meters, dat ze wordt tegengehouden door de ionosfeer - het bovenste deel van de atmosfeer.”

Keerzijde

De reflectie van de kosmische waterstofstraling door de ionosfeer is een keerzijde van een fenomeen waarvan op aarde dankbaar gebruik wordt gemaakt: dit effect maakt het namelijk mogelijk om radio-uitzendingen over een groot deel van de aarde te versturen. De voor radiokosmologen interessante frequentieband ligt dan ook grofweg tussen AM- en FM-radiofrequenties, zo rond de tien megahertz.

“Onderzoek aan kosmische radiogolven onder pakweg 30 megahertz is op aarde praktisch ondoenlijk; dat komt dus niet alleen door de afschermende werking van de ionosfeer, maar ook door de verstorende invloed van menselijke radiosignalen”, aldus Bentum.

OLFAR

De Drent Mark Bentum is altijd al gefascineerd geweest door de combinatie van radiotechniek en astronomie. Sinds zijn promotie in de elektrotechniek aan de Universiteit Twente werkt hij bij het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON, in het Drentse Dwingeloo. Toen hij daarnaast in dienst kwam bij zijn alma mater Twente, startte hij daar diverse sterrenkundige onderzoeksprojecten op. Zo was hij betrokken bij het project OLFAR (Orbiting Low Frequency Array), dat tot doel had de verstorende werking van de ionosfeer te omzeilen door antennes op satellieten in de ruimte te brengen.

Als uitvloeisel van dit project komt er een enkele antenne op de Chinese Chang’e 4-satelliet, die nog dit jaar in een baan om de maan zal worden gebracht. “Daarmee kunnen we vrijwel voor het eerst vanuit de ruimte meten aan het laagfrequente deel van het elektromagnetisch spectrum.” Voor het hoogfrequente deel, de gamma- en röntgenstraling, die ook niet door de dampkring komt, bestaan al langer instrumenten in de ruimte. Zelfs voor zichtbaar licht bestaan satelliettelescopen; de bekendste is ongetwijfeld de Hubbletelescoop, die prachtige plaatjes maakt van onder meer sterrenstelsels met zichtbaar en infrarood licht.

De enige eerdere metingen in de ruimte aan de lage radiofrequenties kwamen echter van een enkele antenne op een NASA-satelliet om de maan, legt Bentum uit. “Dat was al in de jaren zeventig, en die metingen waren weinig gedetailleerd. Het enige wat daaruit de concluderen viel, is dat ook bij deze frequenties het heelal een zekere structuur heeft. En dat betere metingen dus interessant kunnen zijn.”

Nu hij voor drie dagen per week hoogleraar is in Eindhoven – hij werkt daarnaast nog twee dagen voor ASTRON – is Bentum vast van plan om die missie voort te zetten. In december presenteerde hij bij de European Space Agency (ESA) in Noordwijk een plan voor de Deep Space Gateway, de mogelijke opvolger van het International Space Station.

“We zouden graag vier antennes op de Deep Space Gateway willen plaatsen, omdat je daarmee in tegenstelling tot bij een enkele antenne ook echt een kaart kunt maken van de stralingsbronnen.” Bij dit voorstel werkte hij onder meer samen met de gerenommeerde astronoom Heino Falcke van de Radboud Universiteit Nijmegen, in 2011 ontvanger van de Spinozapremie, en ruimtevaartexperts van de TU Delft.

Vijf meter lang

Dergelijke nano-satellietjes moeten worden voorzien van drie loodrecht op elkaar georiënteerde antennes. “Als een soort assenstelsel”, verduidelijkt de hoogleraar. Uit de nanosatelliet in zijn handen steken stukjes metalen rolmaat. Die zijn voor het gemak al enigszins gekortwiekt, legt Bentum uit. “Maar ze waren niet zo lang, want slechts bedoeld om te communiceren met de aarde. Om het signaal uit de Dark Ages op te vangen, heb je echter antennes nodig van vijf meter lang.”

Het spreekt voor zich dat die gevaartes niet in uitgestrekte toestand gelanceerd kunnen worden; dat kan pas in de ruimte. Een belangrijke uitdaging is dan ook het vinden van de beste manier om de antennes zo klein mogelijk op te rollen. “Een rolmaat is dan helemaal geen slecht uitgangspunt. Wel willen we waarschijnlijk een lichtgewicht plastic gebruiken met hierin een koper- of gouddraad, of eventueel voorzien van een geleidende spray. Het is handig dat we de prototypes hier in de antennemeetkamer van de TU/e kunnen testen.”

En dan zweeft die superzwerm daar, in een baan om de maan. Hoe zorg je er vervolgens voor dat je de relevante meetgegevens op aarde krijgt? “Je moet bedenken dat het signaal dat we zoeken feitelijk een soort ruis is. Dat betekent dat je het nauwelijks kunt comprimeren voor je het naar de aarde zendt. Je wilt dus een deel van de data-analyse al in de ruimte doen, zodat je alleen de gecorreleerde data, waarbij je gebruikmaakt van al die verschillende antennes, uiteindelijk hoeft te versturen. Maar dan moeten wel alle satellieten met elkaar kunnen communiceren. We willen kijken of dat misschien optisch kan; met licht dus, in plaats van via radiosignalen. Daarmee kun je namelijk veel meer data versturen.”

Nobelprijs

Mocht het lukken om met de zwerm satellietantennes inderdaad de structuur van het vroegste heelal in kaart te brengen, dan is dat volgens Bentum ‘Nobel prize level science’. En anders is er minimaal nóg een ‘claim to fame’: met een dergelijk buitenaards antennesysteem moet het ook mogelijk zijn om zogeheten exoplaneten te detecteren – planeten die om een andere ster draaien dan onze eigen zon.

“Als een planeet een magneetveld heeft, zoals de aarde, dan wordt daar vaak radiostraling opgewekt door de interactie met geladen deeltjes die door hun ster worden uitgestoten, zoals onze zonnewind”, legt de ambitieuze hoogleraar uit. “Jupiter straalt veel van dat soort radiogolven uit; die kun je door hun relatief hoge frequentie zelfs vanaf aarde waarnemen. Vergelijkbare signalen van Neptunus en Uranus zijn door de ruimtesonde Voyager gedetecteerd. Radioastronomie in de ruimte zou dus ook een goede methode zijn om direct bewijs te vinden voor nieuwe exoplaneten!”