Op zoek naar het begin: radiogolven uit het verre verleden

Op zo’n 800 kilometer rijden van Perth, de West-Australische universiteitsstad die de afgelopen vier jaar als thuisbasis fungeerde voor TU/e-promovendus Mike Kriele, ligt in the middle of nowhere een groot telescooppark.

De nachtelijke hemel is daar magnifiek, vertelt Kriele met glimmende ogen. “Vergeet alle sterrenhemels waar je ooit onder hebt gelegen. Ik zag oranje, paars, de Melkweg zoals ik hem nog nooit gezien had, en zoveel vallende sterren. Je weet niet wat je meemaakt. De ruimte is daar groots, waardoor je je tegelijkertijd heel bewust bent van je eigen nietigheid. Een bijzondere ervaring.”

Voor een masterstage komt de toenmalige UT-student op advies van opleidingsdirecteur Elektrotechniek Mark Bentum voor het eerst in Perth terecht, waar hij ook graag heen wil om verre verwanten te bezoeken. Australië bevalt erg goed - “relaxte cultuur, vriendelijke mensen, een heerlijk klimaat en het hele jaar zwemmen in zee” - en zoals dat wel vaker gaat krijgt Kriele een promotieplek aangeboden.

In overleg met Mark Bentum, die ondertussen is aangesteld als hoogleraar Radio Science aan de TU/e, wordt een samenwerkingsproject gestart. Het idee is om zijn onderzoekstijd grofweg tussen de twee universiteiten te verdelen, maar door de coronapandemie loopt alles anders. Voor het eerst sinds augustus 2018 is Kriele nu weer terug in Nederland en verdedigde op 13 december zijn proefschrift bij de faculteit Electrical Engineering.

Jongensdroom

Een groot avontuur, zo klinkt het als Kriele over zijn promotietijd vertelt. Want hoe bijzonder is het als je indirect mag meewerken aan de ontwikkeling van de Square Kilometer Array, een internationaal onderzoeksproject om de grootste radiotelescoop ter wereld te bouwen.

Toch een beetje een jongensdroom, geeft Kriele toe. Als klein kind bouwde hij urenlang spaceshuttles en ruimtestations na met legosteentjes, een schap vol ruimteboeken op zijn kamer. Die fascinatie groeit wanneer hij tijdens zijn studie leert over draadloze communicatie en radar. “Het blijft wonderbaarlijk. Technisch gezien steek je een metalen paal in de grond waarmee je signalen opvangt, in stroompjes omzet en uiteindelijk komt daar gewoon een plaatje uit van hoe het heelal eruitziet.”

Toch is Kriele niet het meest geïnteresseerd in hetgeen hij direct kan meten, maar wil hij juist zien wat er níet gemeten kan worden.

“Dat klinkt inderdaad heel paradoxaal. Maar als we naar het ontstaan van het universum kijken, zien we aan het begin veel activiteit en hitte, daarna een lange periode waarin dat opeens stopte. Uit het niets leek het universum uiteindelijk weer tot leven te komen. We willen graag de allereerste sterren zien. Want als we daar meer over weten, kunnen we waarschijnlijk ook meer zeggen over die lange periode van ‘niets’. Wat gebeurde daar? De signalen van de eerste sterren werden zo’n 13,5 miljard jaar geleden uitgezonden. Naarmate het signaal langer reist, verliest het echter steeds meer energie. Bovendien is het universum aan het uitdijen, waardoor ook die signalen uitrekken. Tel daarbij op dat bijvoorbeeld de Melkweg of andere sterrenstelsels die recenter zijn gevormd, veel meer energie uitzenden en de zwakke signalen overstralen. We hebben daarom een model nodig dat laat zien wat er allemaal in het  heelal wordt uitgezonden. Dan is het voor ons duidelijk welke signalen ‘ruis’ zijn en we dus van onze metingen moeten aftrekken. Zodra dat lukt, komen de zwakke signalen van die allereerste sterren binnen ons bereik.”

Totaalbeeld van het heelal

Om dat totale overzicht van radiosignalen uit het heelal te verkrijgen, werkte Kriele aan een nieuwe, nauwkeuriger methode.

“Tot nu toe zijn we voornamelijk aan het knippen en plakken, dat we ook wel snapshot imaging noemen. Daarbij meet je radiogolven, kijk je naar een klein stukje ruimte en maakt daar meteen een plaatje van. Dan weer een stukje opschuiven, net zolang tot je het heelal in allemaal kleine plaatjes hebt. Het grootste probleem is dat dat plakwerk niet feilloos is en er vooral rond de randen foutjes insluipen. Snapshot imaging werkt prima als je geïnteresseerd bent in een specifiek, klein stukje van het heelal. Maar als je een totaalbeeld wilt of naar hele grote objecten wilt kijken, loop je tegen allerhande technische problemen aan.”

Daarom probeerde Kriele een andere manier van kijken, diffuse sky mapping met behulp van bolfuncties; in het veld spreken ze ook wel van m-mode formalisme.  Heel eenvoudig uitgelegd scant hij eerst heel langzaam de radiogolven van het hele heelal en kan dan achteraf corrigeren voor de draaiing van de aarde.

Enorme vlakte

De eerste resultaten zijn veelbelovend - uiteraard moet er nog veel geschaafd worden - m-mode formalisme lijkt inderdaad een veel exacter beeld van het heelal te geven.

Ook heeft Kriele deze nieuwe methode opgestart bij een testsysteem voor de Square Kilometer Array, dat in het telescooppark is nagebouwd. Een plek waar je niet zomaar komt, legt hij uit.

“In de periode dat je on site bent – meestal ga je voor een week - overnacht je in een containerkamp of bij een wolboer. Elke ochtend is het om vijf uur opstaan en dan drie uur rijden met een fourwheeldrive op onverharde wegen. De regen moet je zien voor te blijven, anders zit je zo een paar extra weken vast. De telescopen staan op een enorme vlakte. Ter plekke is het op stromend water en elektriciteit na back to basics, je bent een week onbereikbaar. Maar die sterrenhemel.. Omdat de locatie op inheems grondgebied ligt, moet je bovendien altijd door een vertegenwoordiger van de First Nations people (de oorspronkelijke bewoners van het land, red.) geïntroduceerd worden in hun gebruiken. Ik vond het een voorrecht om zo veel van hun cultuur en tradities te mogen leren.”

Na zijn promotie aan de TU/e gaat Kriele weer Down Under - “eerst nog flink wat kroketten, die heb ik vreselijk gemist” - om ook daar zijn doctorsbul in ontvangst te mogen nemen.

Een nieuwe uitdaging wacht waarbij hij koepelantennes voor de SKA in Zuid-Afrika met een nieuw systeem simultaan wil laten bewegen. Alles gericht op het begin. “Want dat gaat ons ook meer over de evolutie van het heelal leren, en wat ons nog in de toekomst te wachten staat. Dus ja, best bijzonder als je daaraan mag meewerken.”

Titel van PhD thesis: High precision mapping of the diffuse low-frequency sky. Promotors: Mark Bentum, Randall Wayth (External) en C.M. Trott (External).

Bron: Cursor.