Ga verder na de inhoud
KU Leuven mikt op de sterren
© ESA
Onderzoek

KU Leuven mikt op de sterren

Wetenschap op kosmische schaal: op zoek naar planeet B en naar Einsteins limieten.

11 minuten
25 november 2019

Even een open deur intrappen: het heelal blijft eindeloos fascineren. Toen dit voorjaar de eerste foto ooit van een zwart gat werd vrijgegeven, haalde die moeiteloos alle voorpagina’s. Ook aan KU Leuven wordt die verwondering ruim beleden. Onze universiteit is partner bij heel wat ruimtevaartmissies van ESA, het Europees Ruimteagentschap. We lichten er drie uit: PLATO, ARIEL en LISA. Stuk voor stuk zijn het missies die groots doen dromen: van nieuwe aardes, van de donkerste hoeken van het heelal, van het begin van alles. Hun lancering is nog toekomstmuziek, maar tegelijk tikt de klok. Want volgend decennium, dat is ‘morgen’ in de ruimtevaart.

PLATO: Op zoek naar planeet B

Professor Conny Aerts van het Instituut voor Sterrenkunde is de Belgische hoofdonderzoeker (Principal Investigator, B-PI) van PLATO. Die ruimtemissie gaat in 2026, om het even heel ambitieus samen te vatten, op zoek naar een tweede planeet aarde.

“We willen met PLATO exoplaneten vinden – planeten buiten ons zonnestelsel – die voldoende op onze aarde gelijken om leven mogelijk te maken”, zegt Aerts. Vandaag zijn er al meer dan 4.000 exoplaneten bekend, maar de meeste daarvan zijn grote gasplaneten, die bijgevolg ongeschikt zijn voor leven zoals wij dat kennen. PLATO gaat specifiek naar ‘aardes’ op zoek. “Bewoonbaar, dat wil in de eerste plaats zeggen: in de leefbare zone rond de moederster draaien – niet te warm, niet te koud dus –, én een gepaste dichtheid hebben – geen gas bijvoorbeeld.”

Conny Aerts: We willen met PLATO planeten buiten ons zonnestelsel vinden die voldoende op onze aarde gelijken om leven mogelijk te maken

De PLATO-satelliet zal een hele catalogus aanleggen, en zo een beetje orde scheppen in de zoo van planeten die het heelal is. De satelliet speurt daarvoor met een batterij van 26 camera’s – waar KU Leuven ook mee aan sleutelt – een jaar lang een groot veld aan de Zuidelijke hemel af, en richt zich vervolgens een jaar naar een veld aan de Noordelijke hemel. Het doel is ‘transits’ spotten: het moment waarop een planeet tussen ons en haar moederster passeert. “Bij zo’n transit blokkeert de planeet een fractie van het licht van haar zon. Ze zorgt dus voor een dipje in de lichtsterkte van de ster. We gaan die dipjes meten, en op basis daarvan kunnen we sterren en planeten inventariseren op leeftijd en grootte. Op twee jaar tijd gaan we zo honderdduizenden sterren in de gaten houden, en we hopen zo’n 5.000 exoplaneten te spotten.”

“Je moet ook lang genoeg één kant op willen kijken. Als je minder dan een jaar kijkt, mis je misschien de transit van een planeet zoals de aarde, die een omlooptijd van een jaar rond de zon heeft.”

Ongeziene precisie

Conny Aerts zit van bij het prille begin mee aan het stuur van de PLATO-missie. Een enorm voordeel, zegt ze, voor haar team. “We krijgen als eerste toegang tot de resultaten van PLATO. Maar nog veel belangrijker: ik kon zelf definiëren wat we gaan onderzoeken. PLATO doet dus letterlijk wat ik wil (lacht). Daar ben ik best trots op: je zit met een slaagkans van één procent dat jouw satellietvoorstel het uiteindelijk haalt.”

En wat Aerts wil, is asteroseismologie: ze bestudeert de trillingen van sterren. “Elke ster beeft door haar interne activiteit. Ook onze zon heeft trillingen, telkens van zo’n vijftal minuten. Het is één van de weinige manieren om iets over de interne huishouding en zo ook over het leven en de leeftijd van een ster te ontdekken. Die techniek gaan we nu met PLATO op grote schaal toepassen om alle sterren in beeld met ongeziene precisie te wegen, meten en dateren.”

Ruimtevaart plato
© OHB system AG

Waarom dat allemaal vanuit de ruimte moet? Omdat de dampkring van de aarde roet in het eten gooit – letterlijk. “Als je vanop aarde naar de sterren kijkt, zal je zien dat die altijd wat ‘flikkeren’: hun licht wordt verstoord door allerlei stofjes in onze atmosfeer. Door die sluier kunnen we van hieruit enkel de grote trillingen waarnemen, en daarmee kun je ook alleen de grote planeten ontdekken. Maar wij willen nu net naar de kleinere planeten op zoek. Dan moet je ongestoord afwijkingen op een schaal van parts per million kunnen meten, en dat kan alleen in de ruimte.”

ARIEL: Allen daarheen?

Hoog tijd om het over ARIEL te hebben, een satelliet die een soort duobaan heeft met PLATO. Eerst meet PLATO de planeten op, en twee jaar later, in 2028, zal ARIEL de atmosfeer van enkele honderden hete planeten verder onderzoeken. Doel is het algemene beeld van exoplaneetatmosferen verder te doorgronden. Want wil een planeet leefbaar zijn, dan moet het behalve met de baan en de dichtheid, ook met de chemische samenstelling van de atmosfeer goed zitten. Is er bijvoorbeeld zuurstof aanwezig, of liever nog: koolstofdioxide, methaan of ozon? Dat soort moleculen bepalen de kans op leven.

Bart Vandenbussche: Reizen naar onbewoonbare planeten? Nee, je geraakt er nooit in een mensenleven. We doen dit puur om onze kennis te vergroten

Hoe groot is die kans precies? Dat vertelt Bart Vandenbussche, onderzoekscoördinator bij Sterrenkunde en de Belgische hoofdonderzoeker (B-PI) van ARIEL. “Van de ongeveer 5.000 planeten die PLATO zal vinden, schatten we dat er 5 tot 10 echt bewoonbaar zullen zijn. En dan ernaartoe reizen? Nee, we doen dit puur om onze kennis te vergroten. Je geraakt er nooit in een mensenleven. De sterren en planeten die we met PLATO gaan vinden, zullen al duizend keer dichter staan dan wat we met de Amerikaanse Kepler-telescoop gevonden hebben. Maar de dichtstbijzijnde ster, Proxima Centauri, ligt nog altijd op 40 biljoen kilometer: dat is een vier met 13 nullen. Dat blijft simpelweg te ver, zelfs als we er ooit in zouden slagen met de snelheid van het licht te reizen.”

“Het is toch bijzonder dat het Instituut voor Sterrenkunde de Belgische hoofdonderzoekers voor PLATO én voor ARIEL levert”, wil Conny Aerts nog even kwijt. “We zijn aan KU Leuven heel sterk in de voortdurende vertaalslag tussen de harde wetenschappers en de ESA-ingenieurswereld. Dat is zo belangrijk in de ruimtevaart. Want wat we willen weten is één vraag, met welk toestel we dat vervolgens gaan meten is nog iets helemaal anders.”

LISA: Terugkijken tot aan de oerknal

Klinkt PLATO ambitieus? Wat dan te denken van LISA, de ruimtemissie die vanaf 2034 zwaartekrachtgolven gaat meten. Drie satellieten worden de ruimte in geschoten en vormen daar een gigantische driehoek, op 2 miljoen km van elkaar. In het hart van elke satelliet zweeft een testmassa, een goudklompje. Telkens een zwaartekrachtgolf – een enorme kosmische rimpeling – langskomt, zal de onderlinge afstand tussen de goudklompjes even een fractie wijzigen. LISA is giga op elk vlak: het project kost zo’n twee miljard euro, en er werken meer dan duizend wetenschappers aan mee.

Theoretisch natuurkundige Thomas Hertog is voorzitter van de werkgroep fundamentele fysica van LISA. Zijn bureau is het kantoor van een theoreticus: boeken met formules, papierstapels met formules, een schoolbord met méér formules. Wat zoekt Hertog dan in de ruimte? “Er is nog nooit een theorie geformuleerd zonder input van waarnemingen. Ik wil de realiteit niet uit het oog verliezen”, zegt Hertog.

Ruimtevaart lisa
© AEI/MM/exozet/NASA/Henz

“Heel concreet hoop ik met LISA de limieten van Einsteins relativiteitstheorie te toetsen. Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtgolven al in 1916. Maar we weten ook dat zijn theorie niet opgaat in zwarte gaten en bij de oerknal. En we zijn ervan overtuigd dat zwaartekrachtgolven vanuit die extreme uithoeken van ons heelal ons iets kunnen vertellen over waar en hoe het fout loopt met Einsteins theorie.

Topje van de ijsberg

Wat die zwaartekrachtgolven precies zijn, is niet eenvoudig uit te leggen. “Het zijn rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd, die ontstaan als grote massa’s in beweging komen. Als twee zwarte gaten rond elkaar draaien en versmelten bijvoorbeeld: dan begint het ruimteweefsel te trillen, net als golven op het water. Die rimpelingen verspreiden zich met de lichtsnelheid door het heelal. Waaruit bestaan ze? Ze zijn pure geometrie, er komen geen deeltjes aan te pas.”

De golven zijn al even geen theorie meer: in 2015 werden ze voor het eerst vastgesteld op aarde, en in 2017 mochten de ontdekkers er een Nobelprijs voor ophalen. Waarom moeten we nu dan nog de ruimte in? “Omdat die eerste waarnemingen op aarde hooguit het topje van de ijsberg zijn. Er passeren permanent duizenden zwaartekrachtsgolven door onze planeet”, zegt Hertog. “En de aarde zelf is te klein om de golven met een lage frequentie te detecteren: er is hier geen plaats voor een experiment van 2 miljoen km.”

Thomas Hertog: De voorbije vierhonderd jaar hebben we de geschiedenis van het ‘verlichte’ heelal in kaart gebracht. Nu gaan we de parallelle geschiedenis van de donkere kant van het heelal schrijven.

Er breekt met LISA zelfs een hele nieuwe tijd aan, zegt Hertog. “De voorbije vierhonderd jaar hebben we de geschiedenis van het ‘verlichte’ heelal in kaart gebracht, aan de hand van lichtgolven. Nu gaan we de parallelle geschiedenis van de donkere kant van het heelal schrijven. Door zwaartekrachtgolven te observeren, kunnen we dieper doordringen in het heelal dan ooit tevoren, in de gebieden ondoordringbaar voor licht, tot aan de eerste sterrenstelsels, en zelfs tot het jonge heelal vlak na de oerknal. Ik verwacht nog verrassingen. Telkens de mensheid met een nieuwe bril naar het heelal keek, zijn er verrassingen opgedoken. Dat verwacht ik ook van LISA.”

Wachten, wachten, wachten

De lanceringen van PLATO en ARIEL zijn voor 2026 en 2028 gepland, voor LISA is het wachten tot 2034. Hoe brengt een wetenschapper dat geduld op? “LISA kán vandaag nog niet vertrekken. We zijn simpelweg nog niet klaar”, zegt Hertog. “We willen zwaartekrachtgolven niet zomaar waarnemen, maar ook interpreteren. Elke golf die door de LISA-driehoek passeert, is een symfonie van duizenden bronnen. Om die partituur te ‘lezen’, om de fysica van de bronnen te begrijpen die de golven opwekken, hebben we een hele catalogus aan sjablonen nodig. Die zijn we nu aan het maken.”

“Maar we voelen nu toch stilaan dat we in de laatste rechte lijn zitten. LISA volgt me al mijn hele carrière. Ik hoorde er voor het eerst van in 1996, als student van professor Christoffel Waelkens. En in 1999, toen ik bij Stephen Hawking aan de slag was, voorspelde die me dat LISA Einstein zou gaan uitdagen. Ik ben al heel blij dat ik nog niet met pensioen zal zijn als de resultaten eindelijk binnenkomen (lacht).”

Mislukken is geen optie

Ook Conny Aerts prijst zich gelukkig dat ze in 2028 nog actief de resultaten van ‘haar’ PLATO zal kunnen meepikken. “Ruimtewetenschap is wachten, wachten, wachten. Maar mislukken is geen optie: de PLATO-satelliet kost 500 miljoen euro, die bouw je geen tweede keer.” Dat vraagt dus heel veel geduld, en puike risicoanalyse, van het kleinste onderdeeltje tot het geassembleerd geheel. “Je wil een betrouwbaarheid van 99,99 procent voor elk onderdeeltje”, bevestigt Bart Vandenbussche. “Dan kan het nóg fout gaan, maar dan hebben we de kans tenminste marginaal klein gehouden.”

Bart Vandenbussche, Conny Aerts en Thomas Hertog
Bart Vandenbussche, Conny Aerts en Thomas Hertog

Door die minutieuze voorbereiding krijg je de lichtjes absurde situatie dat men altijd relatief ‘oud’ materiaal de ruimte in schiet. “We zijn nu de CCD-sensoren voor PLATO – de lichtgevoelige chips zoals je die ook in je digitale camera vindt – aan het testen. Dat zijn uiteraard de chips van vandaag, en niet de state-of-the-art chips van over zeven jaar. En zo is het met alles wat meereist met de satelliet. De computer die de PLATO-satelliet zal besturen, is bijvoorbeeld minder krachtig dan die in je smartphone. Dat is helemaal niet erg. Meer zelfs: hij moet kosmische straling kunnen trotseren, en sommige van die oudere processoren zijn daar inmiddels juist beter bestand tegen gemaakt. Die dingen zijn onvermijdelijk: het zou me niet verbazen als ze de wisselstukken van de computer op het International Space Station ondertussen op eBay moeten gaan zoeken (lacht).”

Buitenaards boeiend

Tot slot de vraag van één miljard: verdient de ruimtevaart vandaag zoveel tijd en moeite? Wat met de dringende problemen op aarde? Conny Aerts ziet daar geen contradictie in. “Integendeel: wij wekken juist de nieuwsgierigheid bij de bevolking. En het is net dát wat al die STEM-mensen drijft, die we hard nodig hebben om de problemen op aarde op te lossen. Wie is er niet gefascineerd door het heelal? Wie staart nooit naar de sterren aan de hemel? Men heeft onlangs aan vijftienjarigen over heel de wereld gevraagd wat zij de boeiendste vraag vonden. Helemaal bovenaan stond bij jongens én bij meisjes dezelfde vraag: ‘Bestaat buitenaards leven?’ Nieuwsgierigheid en verwondering zijn zó cruciaal, ze liggen aan de basis van innovatie.”

Ruimtevaart lisa waves
© NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Conny Aerts: Dringender problemen? Wij wekken de nieuwsgierigheid bij de bevolking. En het is net dát wat al die STEM-mensen drijft, die we hard nodig hebben om de problemen op aarde op te lossen.

“Voor mij blijft die fundamentele nieuwsgierigheid de essentie”, zegt Hertog: “Nadenken over wat de kosmos ons kan leren, en wat onze plaats is. Met LISA gaan we op zoek naar onze diepste oorsprong. Is dat niet geweldig? En ja, tegelijk ontwikkel je nieuwe technologieën. Er zit een heel high-tech ecosysteem rond een ruimtemissie als LISA, van cutting edge data science tot de ontwikkeling van nieuwe sensoren en uitleesapparatuur. Je hebt botsende zwarte gaten in het heelal nodig om de innovatietrein hier in Vlaanderen vooruit te helpen.”

Heeft dit onderzoek je nieuwsgierig gemaakt naar meer?