Je kunt je alleen maar voorstellen wat de buren van Grote Reber dachten toen de amateurradio-enthousiasteling in 1937 in zijn tuin een bijna 10 meter brede ondiepe schaal van plaatstaal oprichtte, bovenop een verstelbare steiger en bekroond door een open piramide van slungelige torens. Zijn buren hadden weinig kunnen weten dat ze getuige waren van de geboorte van een nieuwe manier om naar de kosmos te kijken.
Reber bouwde ’s werelds eerste speciale radiotelescoop. In tegenstelling tot traditionele telescopen, die lenzen of spiegels gebruiken om zichtbaar licht te focussen, gebruikte dit apparaat metaal en circuits om interstellaire radiogolven te verzamelen, laagfrequente rimpelingen van elektromagnetische straling. Met zijn zelfgemaakte apparaat maakte Reber de eerste kaart van de hemel zoals gezien met radiogevoelige ogen en trapte hij het veld van de radioastronomie af.
Dit artikel komt uit een serie waarin enkele van de grootste wetenschappelijke vorderingen van de afgelopen eeuw worden gevierd. Ga voor meer informatie over de geschiedenis van de astronomie naar Century of Science: Other worlds.
“Radioastronomie is net zo fundamenteel voor ons begrip van het universum als … optische astronomie”, zegt Karen O’Neil, directeur van het Green Bank Observatory in West Virginia. “Als we het universum willen begrijpen, moeten we er echt voor zorgen dat we zoveel mogelijk verschillende soorten ogen op het universum hebben als we kunnen.”
Wanneer astronomen praten over radiogolven vanuit de ruimte, hebben ze het niet (noodzakelijkerwijs) over buitenaardse uitzendingen. Vaker zijn ze geïnteresseerd in laagenergetisch licht dat kan ontstaan wanneer moleculen bijvoorbeeld hun rotatie veranderen of wanneer elektronen in een magnetisch veld ronddraaien. Voor het eerst afstemmen op interstellaire radiogolven was vergelijkbaar met Galileo die eeuwen eerder een aangepaste verrekijker op de sterren richtte – we konden dingen aan de hemel zien die we nog nooit eerder hadden gezien.
Tegenwoordig is radioastronomie een wereldwijde onderneming. Meer dan 100 radiotelescopen – van spinachtige antennes die laag bij de grond zijn gehurkt tot supergrote versies van Reber’s schotel die honderden meters overspannen – stippelen de hele wereld uit. Deze ogen op de lucht zijn zo baanbrekend geweest dat ze centraal stonden bij niet minder dan drie Nobelprijzen.
Niet slecht voor een veld dat per ongeluk begon.
In het begin van de jaren dertig was Karl Jansky, een ingenieur van Bell Telephone Laboratories, op zoek naar bronnen van radiogolven die de draadloze communicatie verstoorden. Hij struikelde over een gesis dat ergens in het sterrenbeeld Boogschutter vandaan kwam, in de richting van het centrum van de melkweg.
“De fundamentele ontdekking dat er radiostraling uit de interstellaire ruimte kwam, bracht de theorie in de war”, zegt astronoom Jay Lockman, ook van Green Bank. “Er was geen bekende manier om dat te krijgen.”
Bell Labs verplaatste Jansky naar andere, meer aardse bezigheden. Maar Reber, een fan van alles wat met radio te maken heeft, las over de ontdekking van Jansky en wilde meer weten. Niemand had ooit eerder een radiotelescoop gebouwd, dus Reber bedacht het zelf en baseerde zijn ontwerp op principes die werden gebruikt om zichtbaar licht in optische telescopen te focussen. Hij verbeterde Jansky’s antenne – een stel metalen buizen die door een draaiende houten schraag werden opgehouden – en maakte een parabolische metalen schotel om binnenkomende radiogolven te concentreren op een punt, waar een versterker het zwakke signaal versterkte. Het hele apparaat zat bovenop een kantelbare houten basis waarmee hij de lucht kon scannen door de telescoop op en neer te zwaaien. Hetzelfde basisontwerp wordt tegenwoordig gebruikt voor radiotelescopen over de hele wereld.
Bijna tien jaar lang was Reber – mede dankzij de Grote Depressie en de Tweede Wereldoorlog – grotendeels alleen. Het veld floreerde pas na de oorlog, met een schare wetenschappers boordevol nieuwe radio-expertise van het ontwerpen van radarsystemen. Sindsdien zijn er verrassingen gekomen.
“De ontdekking van interstellaire moleculen, dat is een grote”, zegt Lisa Young, een astronoom bij New Mexico Tech in Socorro. Radiotelescopen zijn zeer geschikt om in de dichte, koude wolken te kijken waar moleculen zich bevinden en om straling te detecteren die wordt uitgezonden wanneer ze rotatie-energie verliezen. Tegenwoordig bevat de lijst van geïdentificeerde interstellaire moleculen veel complexe organische stoffen, waaronder sommige waarvan wordt gedacht dat ze voorlopers zijn voor het leven.
Radiotelescopen brachten ook objecten naar boven die voorheen ondenkbaar waren. Quasars, de brandende kernen van afgelegen sterrenstelsels aangedreven door gigantische zwarte gaten, kwamen voor het eerst voor op gedetailleerde radiokaarten uit de late jaren vijftig. Pulsars, de ultradichte draaiende kernen van dode sterren, maakten zichzelf bekend in 1967 toen Jocelyn Bell Burnell opmerkte dat de radioantenne-array die ze hielp bouwen elke 1,3 seconden een constante pieptoon oppikte … piep … piep vanuit de verre ruimte. (Ze werd gepasseerd toen de Nobelprijs voor natuurkunde van 1974 deze ontdekking eerde – haar adviseur kreeg de erkenning. Maar in 2018 kreeg ze een speciale doorbraakprijs in de fundamentele fysica.)
Pulsars zijn “niet alleen interessant omdat ze een ontdekking op zich zijn”, zegt Lockman. Ze “worden nu gebruikt om tests uit te voeren voor de algemene relativiteitstheorie en om zwaartekrachtsgolven te detecteren.” Dat komt omdat alles dat een pulsar duwt – zeg maar een voorbijgaande rimpeling in de ruimtetijd – verandert wanneer zijn ultraprecieze radiobeats op aarde aankomen. In het begin van de jaren negentig leidden dergelijke timingvariaties van één pulsar tot de eerste bevestigde ontdekking van planeten buiten het zonnestelsel.
Meer recentelijk hebben korte uitbarstingen van radio-energie, voornamelijk afkomstig van andere sterrenstelsels, de aandacht van astronomen getrokken. De oorzaken van deze “snelle radio-uitbarstingen”, ontdekt in 2007, zijn nog steeds onbekend. Maar het zijn al nuttige sondes van het spul tussen sterrenstelsels. Het licht van deze uitbarstingen codeert voor handtekeningen van de atomen die ze tegenkwamen terwijl ze op weg waren naar de aarde, waardoor astronomen veel materie kunnen opsporen waarvan ze dachten dat die zich in de kosmos zou moeten bevinden, maar die ze nog niet hadden gevonden. “Dat was het ding dat ons in staat stelde het universum te wegen en te begrijpen waar de ontbrekende materie is”, zegt Dan Werthimer, een astronoom aan de University of California, Berkeley.
En het was een radioantenne die in 1964 de grootste boost gaf aan de toen nog prille oerknaltheorie. Arno Penzias en Robert Wilson, ingenieurs bij Bell Labs, werden gedwarsboomd door een aanhoudend gesis in de huisgrote, hoornachtige antenne die ze voor radioastronomie gebruikten. De boosdoener was straling die de hele ruimte doordringt, achtergelaten uit een tijd dat het universum veel heter en dichter was dan het nu is. Deze “kosmische microgolfachtergrond”, genoemd naar de relatief hoge frequenties waarop hij het sterkst is, is nog steeds het duidelijkste venster dat astronomen hebben in het zeer vroege heelal.
Radiotelescopen hebben nog een superkracht. Meerdere radioschotels die op verschillende continenten met elkaar zijn verbonden, kunnen fungeren als één enorm observatorium, met de mogelijkheid om details veel fijner te zien dan al die schotels alleen. Het bouwen van een radio-oog zo breed als de planeet – de Event Horizon Telescope – leidde tot de eerste foto van een zwart gat.
“Niet dat iemand bewijs van het bestaan nodig had [of black holes]’, zegt Young, ‘maar er is iets zo geweldigs om het echt te kunnen zien.’
De lijst met ontdekkingen gaat maar door: sterrenstelsels uit het vroege heelal die volledig in stof zijn gehuld en dus geen sterlicht uitstralen, gloeien nog steeds helder op radiobeelden. Ringen van gas en stof die jonge sterren omringen, geven details over de vorming van planeten. Intel op asteroïden en planeten in ons zonnestelsel kan worden verzameld door radiogolven van hun oppervlak te laten weerkaatsen.
En natuurlijk is er de zoektocht naar buitenaardse intelligentie, of SETI. “Radio is waarschijnlijk de meest waarschijnlijke plaats waar we de vraag zullen beantwoorden: ‘Zijn we alleen?'”, zegt Werthimer.
Dat gevoel gaat meer dan een eeuw terug. In 1899 pikte uitvinder Nikola Tesla radiosignalen op waarvan hij dacht dat ze afkomstig waren van mensen op een andere planeet. En gedurende 36 uur in augustus 1924 gaven de Verenigde Staten alle radiozenders elk uur vijf minuten stil om te luisteren naar uitzendingen van Mars terwijl de aarde op relatief korte afstand de Rode Planeet omspoelde. Het veld kreeg een meer officiële start in 1960 toen astronoom Frank Drake de originele radiotelescoop van Green Bank op de sterren Tau Ceti en Epsilon Eridani richtte, voor het geval iemand daar aan het uitzenden was.
Hoewel SETI zijn ups en downs heeft gekend, “is er een soort renaissance”, zegt Werthimer. “Er gaan veel nieuwe, jonge mensen naar SETI… en er is nieuw geld.” In 2015 beloofde ondernemer Yuri Milner gedurende 10 jaar 100 miljoen dollar aan de zoektocht naar andere bewoners van ons universum.
Hoewel de ineenstorting van het gigantische Arecibo-observatorium in 2020 – met een diameter van 305 meter, het grootste deel van zijn leven de grootste radiotelescoop met één schotel was – tragisch en onverwacht was, hebben radioastronomen nieuwe faciliteiten in de maak. De vierkante kilometer array, die kleine radioschotels en antennes in heel Australië en Zuid-Afrika met elkaar zal verbinden wanneer ze eind 2020 zijn voltooid, zal de versnelling van de uitdijing van het universum onderzoeken, tekenen van leven zoeken en omstandigheden verkennen vanaf de kosmische dageraad. “We zullen de handtekeningen zien van de eerste structuren in het universum die de eerste sterrenstelsels en sterren vormen”, zegt Werthimer.
Maar als de geschiedenis van de radioastronomie een leidraad is, zullen de meest opmerkelijke ontdekkingen die nog moeten komen, de dingen zijn waar niemand ooit naar had gedacht. Zoveel over het veld wordt gekenmerkt door serendipiteit, merkt Werthimer op. Zelfs radioastronomie als een veld begon toevallig. “Als je gewoon iets bouwt om naar een plek te kijken waar nog niemand eerder heeft gekeken”, zegt hij, “doe je interessante ontdekkingen.”