Gigapixel radiokaart van het heelal dankzij Europa als radiotelescoop

Een internationaal team van sterrenkundigen heeft dankzij Nederlandse supercomputers een van de grootste, gedetaileerde radiokaarten op megahertz-frequenties gemaakt. Dit onderzoek, geleid door Frits Sweijen van de Universiteit Leiden, is donderdag in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Astronomy gepubliceerd. Met de Internationale LOFAR Telescoop hebben zij, in het spoor van doorbraken eind vorig jaar, een gebied van 25 volle manen aan de hemel haarscherp in beeld gebracht, met een oplossend vermogen vergelijkbaar met die van optische telescopen op aarde. De resulterende radiokaart bevat bijna 7 miljard pixels en brengt een kleine 2500 radiosterrenstelsels scherp in kaart.

De hemel is gevuld met straling onzichtbaar voor het blote oog, waaronder radiostraling op frequenties een factor tien miljoen keer lager dan rood licht. Met tientallen duizenden antennes verspreid over heel Europa, luistert LOFAR naar die kosmische radiostralen in het gebied net boven de FM-radioband, op 144 megahertz. Door deze antennes verandert het Europese continent in een 2000 km grote radiotelescoop. Door deze afstand ziet LOFAR voortreffelijk detail op zulke lage radiofrequenties, met een oplossend vermogen waarmee de Pyramide van Cheops zelfs op de maan nog te onderscheiden zou zijn. Samengevoegd zijn de antennes gevoelig genoeg om een mobiele telefoon op Mars te detecteren.

Dit oplossend vermogen wordt echter in de weg gezeten door een aardse stoorzender. Ultravioletstraling van de zon zorgt voor een laag geladen deeltjes aan de bovenkant van de atmosfeer. Deze zogeheten ionosfeer verstoort radiogolven uit de ruimte voordat ze opgevangen worden door de telescoop. Hierdoor is het alsof LOFAR vanaf de zeebodem de hemel bekijkt en het signaal door de golven uitgesmeerd wordt. Met geavanceerde technieken is hiervoor gecorrigeerd, waardoor nu het hele blikveld van LOFAR scherpgesteld en in kaart gebracht kon worden.

Om deze correcties uit te voeren en van deze radiogolven vervolgens een afbeelding te maken zijn moderne algoritmes nodig die veel computerkracht vereisen. Dankzij de nationale supercomputers was dit geen probleem. Lokaal heeft de recent gebouwde Academic Leiden Interdisciplinary Cluster Environment (ALICE) haar computerkracht verleend. Vanuit Amsterdam verschafte SURF vroegtijdige toegang tot hun nieuwe Spider platform. Dit platform is specifiek opgezet voor data-intensieve projecten zoals dit onderzoek. Dankzij deze supercomputers konden langdurige berekeningen op een grootschalige parallelle manier uitgevoerd worden.

De uiteindelijke afbeelding was te groot om in een keer te maken. Om het hele blikveld in kaart te brengen werd het werk daarom opgesplitst in 25 kleinere afbeeldingen ter grootte van de volle maan. Met software recentelijk ontwikkeld op ASTRON werd elk van deze gebieden gedurende 7 dagen in kaart gebracht. Op een enkele computer, stuk voor stuk, zou de gehele kaart dan maar liefst meer dan 175 dagen kosten om te maken. Dankzij de grootschalige infrastructuur van SURF en Leiden duurde het echter effectief maar 7 dagen.

Tekst gaat verder onder de video

Het scherpe zicht van de Internationale LOFAR Telescoop stelt wetenschappers in staat om evolutie van zwarte gaten en hun gaststerrenstelsels in meer detail dan voorheen te bestuderen. Sterrenstelsels in het vroegere heelal, bijvoorbeeld, die door hun afstand of jonge leeftijd voorheen te klein waren om in enig detail in te zien, kunnen hierdoor opgelost worden. De gepubliceerde resultaten maken het mogelijk om dit voor duizenden sterrenstelsels tegelijk te doen. Met haast 7 miljard pixels bevat deze enkele kaart nu al bijna evenveel pixels als voorgaande radiosurveys in kaarten van de hele hemel hadden. Deze nieuwe resultaten lichten een tipje van de sluier op, met als doel om uiteindelijk de gehele Noordelijke hemel in vergelijkbaar detail in kaart te brengen.

Dit werk heeft gebruik gemaakt van de Nederlandse nationale e-infrastructuur met ondersteuning van het SURF Cooperatief onder de beurs no. EINF-251; de ERC Starting Grant ClusterWeb 804208; de Medical Research Council grant MR/T042842/1; de UK STFC ST/R000972/1 en ST/V000594/1 beurzen, en de Academic Leiden Interdisciplinary Cluster Environment (ALICE) verschaft door de Universiteit Leiden.

Nature Astronomy
LOFAR