Streven. Jaargang 14

[p. 967]

Wetenschappelijke kroniek
E. Raimond
Een Benelux-kruisantenne

DE ontwikkeling van onze kennis omtrent ons melkwegstelsel en de vele andere sterrenstelsels die zich in de ruimte bevinden, is, zoals zich laat begrijpen, voor een belangrijk deel bepaald door de waarnemingsinstrumenten, die de sterrenkundigen in de loop der tijden ten dienste stonden. Aan het begin van deze eeuw kon men hoogstens vermoeden dat de extragalactische nevels in werkelijkheid uit sterren bestonden, juist zoals het stelsel waarin wij ons bevinden. Deze sterrenstelsels staan zo ver van ons vandaan, dat de sterren ervan zich aan de hemel zo dicht bij elkaar bevinden dat men een kijker met zeer groot scheidend vermogen nodig heeft om de sterren afzonderlijk en niet als een wazige vlek te zien. Pas de 200-inch-telescoop op Palomar Mountain (Californie, U.S.A.), die een spiegel heeft met een doorsnede van vijf meter, was groot genoeg om de sterren van de dichtst bijzijnde extragalactische nevels afzonderlijk te zien.

Omstreeks de tweede wereldoorlog heeft een nieuwe methode van waarnemen haar intrede gedaan in de sterrenkunde. Het bleek dat ook straling met een veel langere golflengte - tientallen centimeters - dan die van het zichtbare licht - enkelen duizendsten millimeters -, afkomstig uit ons eigen melkwegstelsel en van daarbuiten, op aarde kan worden waargenomen. Deze straling, radiostraling, wordt niet, zoals de lichtstraling, verstrooid door de vele stofwolken die zich tussen de sterren bevinden. Deze stofwolken hebben altijd driekwart van ons melkwegstelsel voor onze optische kijkers verduisterd. De radiostraling kan wel tot ons doordringen, ook die van zeer verre delen van het melkwegstelsel. Met het scheidend vermogen is het echter bij radiosterrenkundige instrumenten minder gunstig gesteld dan bij optische. Spreken we bij een optische kijker over een scheidend vermogen van de orde van boogsecunden, bij radiotelescopen gaat het in het algemeen om vele boogminuten. Om enkele getallen te noemen: de Duitse radarspiegel met een doorsnede van 7.5 meter, die enkele jaren door de Nederlandse sterrenkundigen als radiotelescoop werd gebruikt, had voor straling met een golflengte van 21 cm een bundelbreedte van twee en een halve graad. Details kleiner dan twee en een halve graad konden met deze telescoop dus niet worden onderscheiden. In 1956 werd in Dwingeloo, Drente, een veel grotere radiotelescoop in gebruik genomen. Dit instrument, een op alle punten van de hemel richtbare parabolische spiegel van metaalgaas met een doorsnede van 25 meter, heeft een bundelbreedte van een halve graad voor straling met een golflengte van 21 cm. Bij een golflengte van 75 cm is de bundelbreedte echter twee en een halve graad. Hieruit blijkt dat het scheidend vermogen van een telescoop voor korte golflengten beter is dan voor lange.

De laatstgenoemde radiotelescoop was een zeer grote vooruitgang vergeleken met de 7.5-meter-spiegel. Om nog eens de extragalactische nevels als voorbeeld te nemen: De dichtst bijzijnde nevel, die in het sterrenbeeld Andromeda, viel geheel binnen de bundel van de 7.5-meter-telescoop. Aangezien de 21 cm stra-

[p. 968]

ling ervan zeer zwak is, is men er toen zelfs niet in geslaagd deze te meten. Met de telescoop in Dwingeloo is het mogelijk gebleken in de Andromeda-nevel en ook in enkele andere extragalactische nevels details te meten in de verdeling van de straling over de nevel.

Inderdaad een belangrijke vooruitgang, maar men is niet zo spoedig tevreden, het scheidend vermogen moet nog beter worden. Een van de voornaamste redenen daarvoor is de volgende. Er zijn vele bronnen van radiostraling aan de hemel ontdekt in de afgelopen jaren. Hieronder zijn enkele heldere, maar verreweg de meeste zijn zeer zwak. Natuurlijk hoopt men deze bronnen te identificeren als objecten, die ook optisch te zien en te onderzoeken zijn. Voor heldere radiobronnen lukt dat vrij goed, voor de zwakke echter veel minder. Dit laat zich gemakkelijk begrijpen. De met een radiotelescoop bepaalde positie van een bron is niet op enkele boogminuten nauwkeurig aan te geven. Zwakke radiobronnen zullen in het algemeen ook optisch zwakke objecten zijn. Binnen enkele vierkante boogminuten zijn er zo veel zwakke optische objecten die in aanmerking komen, dat het haast onmogelijk is een keus te maken.

Een tweede reden om een telescoop met groter scheidend vermogen te wensen is de volgende. Vele radiobronnen zijn niet puntvormig, maar strekken zich uit over enkele graden aan de hemel. De identificatie is in deze gevallen meestal geen probleem. De radiostraling is afkomstig van uitgestrekte wolken geïoniseerd waterstofgas, die optisch, vooral op roodgevoelige foto's, heel duidelijk zichtbaar zijn. Op deze foto's ziet men echter in deze zogenaamde emissie-gebieden vaak zeer veel details met afmetingen van een boogminuut en minder. Dikwijls zijn ook de randen van emissie-gebieden extra helder. Zou het niet interessant zijn deze optische details ook met een radiotelescoop te kunnen bestuderen? Dat zou wellicht de theoretici kunnen helpen bij het vinden van een verklaring voor de lichtende randen.

Als dit nog niet genoeg overwegingen zijn, die de sterrenkundigen een radiotelescoop doen wensen met een beter scheidend vermogen dan de tot nu toe gebruikte, dan is er nog een andere, meer speculatieve, reden te geven. De ontwikkeling van de sterrenkunde heeft bewezen, dat iedere belangrijke verbetering van het scheidend vermogen van de waarnemingsinstrumenten leidt tot nieuwe, onverwachte ontdekkingen. Maakt dit laatste de bouw van een nog grotere radiotelescoop niet al aantrekkelijk genoeg?

Groter, want uit de hierboven gegeven getallen zult u al wel hebben begrepen dat verbetering van het scheidend vermogen alleen kan worden bereikt door vergroting van het ontvangend oppervlak van de telescoop. Het scheidend vermogen hangt ook af van de te gebruiken golflengte. Met een veel groter instrument zal bij voorkeur op een golflengte van 75 cm worden gewerkt. Deze golflengte is namelijk op een in 1959 gehouden internationale conferentie aan de radio-sterrenkunde toegewezen en daarom beschermd tegen storing van grote aardse radiozenders. Ook is deze golflengte een goed compromis voor het waarnemen van twee verschillende soorten radiobronnen. De ene soort is bij kortere golflengten het helderst, de andere bij lange golflengten. De helderheid op 75 cm is echter voor beide soorten voldoende. Wanneer we bij deze golflengte een scheidend vermogen van twee boogminuten of beter willen bereiken, moeten de afmetingen van de telescoop ongeveer een factor honderd groter gemaakt worden dan die van de Dwingeloose. Het bouwen van een enkele kilometers grote radiotelescoop is echter een zeer kostbare onderneming. Vandaar dat de Neder-

[p. 969]

landse en Belgische sterrenkundigen hebben besloten de bouw van een dergelijk groot instrument in Benelux-verband voor te bereiden. Door de Organisatie voor Europese Economische Samenwerking is een bedrag beschikbaar gesteld dat het mogelijk maakt het noodzakelijke, aan de bouw voorafgaande, technische en wetenschappelijke speurwerk te doen.

Het zal duidelijk zijn, dat een vele malen vergrote uitgave van de Dwingeloose radiotelescoop praktisch niet te verwezenlijken is. Er moet dus naar een ander systeem worden gezocht. Tot nu toe is slechts in de titel van dit artikel het type instrument genoemd dat zal worden gebouwd: een kruisantenne. Wat is een kruisantenne en hoe werkt deze?

In haar eenvoudigste vorm bestaat een kruisantenne uit een groot aantal staafvormige antennes, even lang als de halve golflengte, opgesteld langs de armen van een kruis, Oost-West en Noord-Zuid gericht. Iedere kleine antenne kan straling ontvangen uit alle richtingen en heeft dus een buitengewoon slecht scheidend vermogen. Hoe komt het nu dat de combinatie van deze antennes in een kruisantenne een bijzonder goed scheidend vermogen heeft? De werking berust op het principe van interferentie van golven. In iedere antenne wordt door de opvallende straling een elektrisch wisselstroompje opgewekt dat wisselt met dezelfde frequentie als de straling. Na versterking worden de stroompjes van alle antennes bij elkaar opgeteld. Men zou zeggen dat deze optelling een versterkt wisselstroompje oplevert, maar dit is in het algemeen niet waar. Als de straling in alle antennes wisselstroompjes opwekt die parallel trillen, dat wil zeggen dat ze tegelijk hun maxima en minima bereiken, dan versterken de stromen elkaar wél bij optelling. We noemen de wisselstromen dan in gelijke fase. Het kan echter ook gebeuren dat de stroompjes van de ene helft van de antennes juist in tegenfase zijn met de stroompjes van de andere helft van de antennes. Bij optelling doven de wisselstromen elkaar dan juist uit. Waardoor wordt nu dit in gelijke fase of in tegenfase zijn van de stromen bepaald? We bepalen ons even alleen tot de Noord-Zuid-arm van het kruis. Straling van een bron, die juist in het zenith - het punt recht boven de kruisantenne - staat, komt op alle antennes in gelijke fase aan en veroorzaakt dus stromen die elkaar versterken. Straling echter, die vanuit een andere richting tussen het zenith en het Zuidpunt van de horizon komt, moet naar de zuidelijkste antenne van de Noord-Zuid-arm een kortere afstand afleggen dan naar de tweede en zo verder. Wanneer dit verschil in afstand juist een halve golflengte is, zal de straling op opeenvolgende antennes juist met tegengestelde fase aankomen en dus stromen veroorzaken die elkaar verzwakken. Deze straling kan dus niet worden gemeten. De Noord-Zuid-arm van de kruisantenne is dus gevoelig voor straling uit het zenith, want straling uit richtingen ten Noorden en ten Zuiden daarvan kan niet worden gemeten. Voor waarneming van de gebieden ten Oosten en ten Westen van het zenith is de Noord-Zuid-arm echter ook geschikt. We zeggen dat we met de Noord-Zuid-arm een bundel verkregen hebben, die nauw is in de Noord-Zuid-richting en breed in de Oost-West-richting. Op soortgelijke wijze krijgen we van de Oost-West-arm een bundel die smal is in de Oost-West-richting en breed in de Noord-Zuid-richting. Door de stromen van de beide armen met elkaar te vermenigvuldigen krijgen we een in alle richtingen scherp begrensde bundel. We hebben echter nog steeds niet een erg bruikbaar instrument. Het kan immers alleen straling uit het zenith ontvangen! Slechts een heel smalle strook van de hemel komt bij zijn dagelijkse beweging door dit punt. Gelukkig

[p. 970]

is er een middel om de bundel te richten. In plaats van de stroompjes van alle antennes direct op te tellen wordt vóór de optelling in een voorversterker met elektronische middelen het stroompje van de tweede antenne een klein beetje vertraagd ten opzichte van het eerste, dat van het derde weer iets meer, en zo verder. Hierdoor veroorzaakt straling uit het zenith aan de uitgang van de afzonderlijke voorversterkers niet langer stromen, die in fase zijn. Straling uit een andere richting daarentegen, die het in de ontvanger veroorzaakte faseverschil weer door het afstandsverschil tussen de antennes opheft, veroorzaakt wel stromen in gelijke fase. De bundel heeft dus een andere richting gekregen. De bundel van een kruisantenne wordt dus met elektronische middelen gericht en niet door de hele telescoop te bewegen, zoals bij de radiotelescoop in Dwingeloo. Dit richten is een kwestie van nauwkeurig afstellen van de fasen van de afzonderlijke voorversterkers, iets dat niet in een paar minuten is gebeurd. Met een kruisantenne zal men dan ook niet het ene uur hier, het andere uur daar gaan waarnemen. De waarnemingstechniek zal in het algemeen zo zijn, dat de bundel wordt gericht op een punt van de meridiaan - de cirkel die men zich door het zenith en de noord- en zuidpunten van de horizon kan denken. Gedurende minstens een gehele dag blijft de bundel zo staan en men registreert de intensiteit van de straling in de loop van het etmaal, dat wil dus zeggen straling die afkomstig is uit die strook van de hemel die in de loop van de dag de bundel passeert. Daarna richt men de bundel een beetje hoger of lager op de meridiaan en registreert een aansluitende strook van de hemel, en zo verder, totdat een volledige kaart van de hemel is verkregen.

In de hierboven gegeven beschrijving zijn met opzet enige complicaties weggelaten. Eén ervan is de volgende. Niet alleen straling waarvan de golven tegelijk op alle antennes terechtkomen veroorzaakt stromen in gelijke fase, maar ook straling uit die richting waarvoor het afstandsverschil tussen twee opeenvolgende antennes een geheel aantal golflengten bedraagt. In plaats van één smalle langgerekte bundel heeft de Noord-Zuid-arm dus een aantal smalle langgerekte bundels, die evenwijdig aan elkaar zijn. Het is heel goed denkbaar dat de bundel of bundels van de Oost-West-arm niet één maar verschillende van de bundels van de Noord-Zuid-arm snijden. In plaats van één ontstaan er zodoende vele. Weliswaar zal het hele systeem minder gevoelig zijn voor straling uit de bijbundels dan uit de hoofdbundel, maar toch is dit een zeer ongewenste toestand. Er is immers geen enkele mogelijkheid om te onderscheiden tussen sterke straling in één of meer bijbundels en zwakke straling in de hoofdbundel. Bij de constructie van de kruisantenne moet dus zo goed mogelijk worden getracht de bijbundels te onderdrukken.

Een ander, zeer belangrijk punt, vooral in de zo dichtbevolkte Benelux, is het voorkomen van storing afkomstig van treinen, auto's, mobilofoon-zenders van taxi's, politie en dergelijke. Bij het eenvoudige type kruisantenne, zoals dat hierboven werd beschreven, kunnen deze storende stralingen rechtstreeks op de antennes komen en worden versterkt. Aangezien eenzelfde punt van de hemel slechts éénmaal per dag in de bundel komt, betekent een storing dat de meting van een hele dag moet worden herhaald.

Deze en andere - ook financiële - overwegingen hebben ertoe geleid dat het voorlopig ontwerp voor de Benelux-Kruisantenne er als volgt uitziet:

De armen van het kruis zullen ieder ongeveer 5 kilometer lang en 60 meter breed worden. De Noord-Zuid-arm zal bestaan uit ongeveer 160 elementen die

[p. 971]

ieder de vorm hebben van een parabolische cilinder. Dit is een cilinder, waarvan de doorsnede loodrecht op de as, welke Oost-West loopt, niet een cirkelvorm heeft maar een paraboolvorm. Slechts het gedeelte aan één kant van de hoofdas (de lijn van de top naar het brandpunt) van de parabool is aanwezig in de doorsnede van het kruisantenne-element. De doorsnede heeft een grootste afmeting van 15 meter. De hele cilinder is draaibaar om de top van de parabool, dus om een Oost-West as. Het oppervlak van de cilinder bestaat uit metaalgaas of uit één of meer lagen evenwijdig gespannen draden. Een dergelijk parabolisch cilinderoppervlak heeft de eigenschap dat het straling uit de richting van de hoofdas van de parabool terugkaatst in de richting van de as van de cilinder die door de brandpunten van de parabolische doorsneden gaat. Langs deze as is een rij staafantennes - met de halve golflengte als lengte - opgesteld. Deze antennes vangen de teruggekaatste straling op. Het is duidelijk dat door deze constructie een belangrijk deel van de straling uit andere richtingen dan de hoofdrichting van de parabool wordt geweerd. Ook worden storingen aan beide zijden van de antennes afgeschermd, aan de ene kant door de parabolische reflector, aan de andere kant door een ongeveer twee meter breed - en uiteraard zestig meter lang - scherm dat achter de rij antennes wordt bevestigd.

De Oost-West-arm zal bestaan uit vier achter elkaar geplaatste parabolische cilinders, die precies zo zijn geconstrueerd als de elementen van de Noord-Zuid-arm, alleen zijn deze cilinders vijf kilometer lang in plaats van zestig meter. Ook deze cilinders kunnen worden gedraaid. Het is duidelijk dat de gehele constructie er op gericht is alleen waar te nemen in richtingen in het meridaan-vlak. Zoals reeds eerder is betoogd is dit geen bezwaar. De gehele zichtbare hemel kan toch worden waargenomen. Met het voorlopig gekozen ontwerp hoopt men te bereiken dat alleen straling uit de hoofdbundel, die een doorsnee heeft van één boogminuut, wordt ontvangen. Ook is met deze constructie bereikt dat het aantal elementen dat een aparte voorversterker heeft, dus het aantal elementen waarvan de fase moet worden bijgesteld wanneer een volgende strook van de hemel moet worden waargenomen, zo klein mogelijk is. Daardoor gaat weinig tijd verloren aan het verstellen van de hoogte van de bundel.

Toch zou het waarnemen van het gehele zichtbare stuk van de hemel ongeveer 21 jaar duren. Er zijn namelijk 127 × 60 = 7620 strookjes van 1 boogminuut breed waar te nemen. Dit kost dus minstens 7620 waarneemdagen. Het zou dus grote voordelen bieden wanneer terzelfdertijd meer, uiteraard van elkaar onderscheidbare, hoofdbundels konden worden waargenomen. Dit is inderdaad mogelijk door ieder blok staafantennes niet te verbinden met één maar met een aantal voorversterkers, die in fase ieder een weinig van elkaar verschillend zijn ingesteld. Door deze maatregel kan de straling uit een aantal dicht onder elkaar liggende bundels tegelijk worden geregistreerd. Bovendien kunnen de waarnemingen van de ene dag die van de vorige dag voor een gedeelte overlappen, zodat eventuele storingen vanzelf aan het licht komen, zonder dat het waarneemtempo al te zeer wordt verlaagd.

Al hetgeen hierboven is gezegd over het ontwerp voor de constructie van de Benelux-kruisantenne moet nog met enige reserve worden beschouwd. Het onderzoek naar de meest ideale constructie, die ook uit financieel oogpunt bezien, verwezenlijkbaar is, is nog in volle gang. Het is dus helemaal niet onmogelijk dat zich nog ingrijpende wijzigingen in de plannen zullen voordoen. De tijd is dan ook nog niet rijp om meer details van de plannen te geven.

[p. 972]

Een zeer groot probleem is nog het vinden van een geschikte plaats voor het enorme gevaarte. Wie wel eens de kaart van de Beneluxlanden heeft bestudeerd zal dat duidelijk zijn. Het is niet eenvoudig een stuk land te vinden dat tenminste voldoet aan de volgende voorwaarden:

1.	Het moet een stuk land zijn dat redelijk vlak is, althans over een kruisvormig stuk met armen van 5000 meter lang en 125 meter breed.
2.	Er mogen geen grote verkeerswegen, steden, industriecentra of elektrische spoorlijnen zijn binnen een straal van 7 km van het centrum van het kruis.
3.	Er mogen geen steden van meer dan 10.000 inwoners en geen sterke radiozenders zijn binnen 25 km, tenzij deze door heuvels voldoende zijn afgeschermd van de kruisantenne.
4.	Men mag, wanneer men op de kaart de armen van het kruis doortrekt, binnen 100 km geen grote steden tegenkomen.
5.	Men moet, in verband met de corosie van de antenne door sterk zouthoudende winden, tenminste 25 km van de kust vandaan blijven.
6.	De grond waarop de antenne zal worden gebouwd moet bij voorkeur zodanig zijn dat geen dure fundaties nodig zijn.

Nog afgezien van de eisen van financiële aard, is het duidelijk dat aan deze minimum-voorwaarden in de dichtbevolkte Beneluxlanden niet gemakkelijk te voldoen is.

Gezien het enorme enthousiasme en de grote werkkracht waarmee door de initiatiefnemers en door de ontwerpers wordt gewerkt aan dit enorme project, lijkt het zeer waarschijnlijk dat alle moeilijkheden op den duur zullen worden overwonnen. Over enige jaren zal dan door internationale samenwerking van sterrenkundigen en technici de grootste radiotelescoop ter wereld in gebruik kunnen worden gesteld.