Apertif

Wat is Apertif?

De internationale radiosterrenkundige gemeenschap werkt aan de Square Kilometre Array (SKA), een radiotelescoop die veel gevoeliger en groter zal zijn dan elke bestaande radiotelescoop dan ook. Eén van de grootste verbeteringen ten opzichte van de huidige radiotelescopen is dat de SKA een veel groter ontvangstgebied zal hebben. Het gebied van de hemel dat in één waarneming gemeten kan worden zal veel groter zijn dan wat nu mogelijk is.

Er zijn meerdere manieren om een groter ontvangstoppervlak te bereiken en 'Apertif', dat staat voor 'Aperture tile in focus' (ontvangers in het focuspunt van de telescoop), is een project dat één van de technologieën onderzoekt om dat te doen, en het tevens te gebruiken om wetenschap mee te bedrijven. Meer concreet willen sterrenkundigen en ingenieurs van ASTRON het ontvangstoppervlak van de Westerbork Synthese Radio Telescoop (WSRT) vergroten met een factor 25, zoals geïllustreerd in de foto hieronder. Dit wordt bereikt door meerdere ontvangers in de focus van elke schotel te plaatsen, in plaats van één ontvanger. Zo'n cluster van ontvangers in de focus van de schotel wordt ook wel een focal-plane array (FPA) genoemd.

De toename van het ontvangstgebied is te vergelijken met de sprong in prestatie die optische telescopen in het verleden maakten, bij de overgang van een enkele 'photometer' in de focus van de telescoop naar een groot-formaat CCD detector array. Behalve het bestuderen van de technologie (want Apertif wordt in een bestaande telescoop geïnstalleerd) is het met Apertif ook mogelijk om alvast het soort radioastronomisch onderzoek te doen dat ook met de SKA zal worden gedaan. Het is dus niet alleen een technologisch project, maar eigenlijk vooral een wetenschappelijk project.

De foto rechts laat een prototype zien van een focal-plane array net voordat het werd geïnstalleerd op één van de schotels van de Westerbork telescoop. De vele elementen van de FPA zijn duidelijk te zien (in deze FPA zitten 112 elementen). Elk element ontvangt signalen uit het Heelal en het ontvangstoppervlak van elk element komt overeen met dat van de WSRT. Met andere woorden, het huidige systeem van de Westerbork telescoop staat gelijk aan het gebruik van slechts één van deze elementen.

Echter, elk element kijkt in een net iets andere richting dan het andere en ziet dus ook een net iets ander stukje van de hemel Dit betekent dat bij het combineren van de signalen een veel groter deel van de hemel is waargenomen. Met Apertif kan de Westerbork telescoop een deel van de hemel observeren dat gelijk is aan 25 keer de volle maan.  

 

Wetenschap met Apertif

De verbetering van het ontvangstgebied van de Westerbork telescoop betekent dat sterrenkundigen grotere delen van de hemel sneller kunnen onderzoeken dan nu het geval is. Een project dat met de traditionele Westerbork telescoop een eeuw zou duren, duurt met Apertif slechts een paar jaar! Door deze enorme vooruitgang  kunnen astronomen allerlei nieuwe vormen van astronomisch onderzoek uitvoeren. Belangrijke wetenschappelijke projecten die gepland zijn met Apertif, zijn:

 

Evolutie van de inhoud van neutraal waterstof in sterrenstelsels

Eén van de grote mysteries in de huidige astronomie is dat de snelheid waarmee nieuwe sterren worden geboren, gestaag aan het afnemen is de afgelopen miljarden jaren. Het is niet duidelijk waarom dit gebeurt, maar het moet wel gerelateerd zijn aan de hoeveelheid gas in en om sterrenstelsels. Nieuwe sterren worden gevormd uit gas, dus als minder sterren worden geboren moet dit op één of andere manier gerelateerd zijn aan afnemende gastoevoer. Maar er is heel weinig informatie voorhanden die gebaseerd is op waarnemingen. Met Apertif is het mogelijk om de gasinhoud van meer dan een miljoen sterrenstelsels te bepalen over de periode van afnemende sterformatie, en om in detail te bestuderen wat de rol is van de slinkende gas reserves in dit proces.

 

Pulsars

Pulsars zijn snel ronddraaiende neutronensterren die overblijven wanneer een ster aan het eind van zijn leven ontploft. Met Apertif wordt de Westerbork telescoop een hele effectieve pulsar machine. In het algemeen is het voor een telescoop erg lastig om nieuwe pulsars te vinden vanwegen het beperkte ontvangstgebied van de telescoop. Maar de Westerbork telescoop heeft deze beperking niet omdat het een lineaire array is (oost-west), en de afstanden tussen de schotels is hetzelfde (de schotels staan 144 meter uit elkaar). Hierdoor kan het complete ontvangstgebied ingezet worden voor de zoektocht naar pulsars. De verwachting is dat er meer dan 1000 nieuwe pulsars zullen worden ontdekt met Apertif.

 

Variabele bronnen

Eén van de vele spannende mogelijkheden die Apertif biedt is het bestuderen van variabele bronnen in de hemel. Dit zijn bronnen die ineens verschijnen maar ook weer na een tijdje zomaar kunnen verdwijnen. Door de beperking van huidige radiotelescopen weten we niet veel van dit soort bronnen en het is heel goed mogelijk dat met Apertif compleet nieuwe fenomenen worden ontdekt.

 

Doorlopend onderzoek met Apertif  

Dankzij zijn grote ontvangstoppervlak kan de hele hemel in beeld gebracht worden met een hoge resolutie en grote gevoeligheid. Met Apertif zullen meer dan 10 miljoen 'continuum' bronnen worden gedetecteerd. Sterrenkundigen krijgen dan meer informatie over hoe de stervorming gedurende de kosmische tijd veranderde en hoe de populatie van actieve sterrenstelsels (bijv. stelsels met supermassieve zwarte gaten) evolueerde. Interessant hierbij is dat, gezien de gevoeligheid van Apertif en de LOFAR telescoop, deze onderzoeken heel goed aansluiten op gelijksoortige onderzoeken die sterrenkundigen met LOFAR doen. De meeste bronnen die gedetecteerd zijn met LOFAR, kan Apertif ook waarnemen.

 

Magnetische velden

Omdat zoveel 'continuum' bronnen zullen worden gedetecteerd kunnen sterrenkundigen ook de magnetische velden in deze bronnen bestuderen. Hierdoor kunnen astronomen het magnetisch veld in ons eigen Melkwegstelsel in ongekend detail in kaart brengen.

 

De eerste resultaten met het Apertif-prototype

Het eerste beeld 

First image with Apertif (M31)

Op dit moment is een prototype focal-plane array geïnstalleerd op één van de Westerbork schotels. Met dit prototype kunnen astronomen bij ASTRON allerlei tests doen om te kijken wat het kan en hoe beelden gemaakt kunnen worden met een FPA. Begin 2008 was dit prototype gebruikt om een spectroscopische waarneming te doen van het dichtbijgelegen sterrenstelsel M31. In de figuur hier links, op de linkerhelft, is het neutrale waterstof in M31, zoals gezien met het prototype van Apertif. In de rechterhelft is een beeld te zien van dezelfde waterstof in M31, gemaakt met de hele Westerbork telescoop (14 schotels). Ondanks het feit dat het Apertif-beeld veel slechter lijkt dan het WSRT-beeld, betekent het toch een enorme vooruitgang. De reden dat het oude beeld scherper is, is dat alle 14 WSRT-schotels zijn gebruikt om het te maken, terwijl bij het nieuwe beeld alleen 1 foca-plane array is gebruikt. De grote vooruitgang is dat om een nieuw beeld te maken slechts één telescoop-richting gebruikt is, terwijl voor het oude beeld de telescoop 163 keer gericht is.

 

De eerste 'fringes'

Net voor het eind van 2008 slaagden astronomen van ASTRON erin om het eerste interferometrische resultaat te behalen tussen het Apertif prototype en de andere WSRT-schotels (uitgerust met de 'oude' ontvangers). De grafiek rechts laat het correlatiesignaal ('fringes') zien van de bron 3C286. Het signaal gaat op en neer omdat door de rotatie van de Aarde het pad-verschil tussen de antennes verandert. Duidelijk te zien is dat voor langere afstanden, of 'baselines', dit pad-verschil sneller verandert (zoals het hoort).

 

Eerste 'FPA'  interferometrische beelden van samengestelde bundels

De combinatie van het Apertif prototype met andere schotels van de Westerbork telescoop heeft nog meer opgeleverd. Door de interferometrische 'fringes' op verschillende afstanden te meten over een periode van 12 uur, hebben astronomen de eerste interferometrische beelden gemaakt waarbij de focal-plane array één van de ontvangende elementen was.

De eerste beelden gebruikten slechts een enkel FPA-element maar vrij snel daarna konden de sterrenkundigen beelden vormen met gebruik van alle ontvangende elementen in de FPA om zo een samengestelde bundel te vormen - in dit geval geoptimaliseerd om een maximaal 'signal-to-noise' te bieden op de optische as, maar dergelijke samengestelde bundels kunnen gevormd worden om andere interessante dingen te optimimaliseren, zoals de polarisatie-zuiverheid. 

De foto is de eerste die gemaakt is met deze nieuwe technologie. Het laat de bronnen 3C343 and 3C343.1 zien, de Castor en Pollux van de radiohemel. 

Design: Kuenst.    Development: Dripl.    © 2020 ASTRON