METIS, een van de belangrijkste meetinstrumenten voor de Extremely Large Telescope, wordt in Leiden in elkaar gezet en getest. De Ingenieur volgt het proces op de voet.

Blog

De komende paar jaar wordt METIS op de Universiteit Leiden in elkaar gezet en getest. De Ingenieur gaat dit proces op de voet volgen met een nieuw blog, binnenkort op deze plek.

Vraag mensen een telescoop te tekenen, dan is er een flinke kans dat ze vooral de grote schotel op papier zetten. Zo’n schotelvormige spiegel is natuurlijk de blikvanger, maar het is maar één onderdeel van een telescoop. Zonder een instrument dat het opgevangen licht verwerkt en analyseert kan een telescoop niets. 

Voor de Extremely Large Telescope (ELT), een Europees initiatief, wordt een van die cruciale meetinstrumenten gebouwd en geassembleerd in Nederland. Deze Mid-Infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) gaat het opgevangen licht analyseren in het golflengtegebied tussen de drie en twintig micrometer, infrarood licht. Daarmee is METIS gevoelig voor alle koele objecten in de ruimte en kan het door stof in het heelal heen kijken.

Het instrument is zeer geschikt om planeten rond andere sterren te karakteriseren en het ontstaan van planeten rond jonge sterren te bestuderen, zegt consortium project manager Felix Bettonvil van de Universiteit Leiden. ‘METIS is een echt werkpaard. Astronomen zijn van plan ermee de atmosferen van oude sterren en de centra van sterrenstelsels te bestuderen en zelfs objecten in ons eigen zonnestelsel.’

Dit artikel komt uit het novembernummer van De Ingenieur.

Download de app, en/of neem een abonnement!

Rijtjeshuis

De ELT wordt de grootste telescoop ter wereld. De bouw is momenteel gaande op een berg in de Atacamawoestijn in Chili. De gigantische telescoop gaat licht uit de ruimte opvangen met een gekromde spiegel van 39 meter doorsnee, die zelf ook bijzonder is (zie kader Europese megatelescoop). Voor METIS werken dertien Europese instellingen samen, met onder hun vleugels nog eens enkele tientallen bedrijven. Het project staat onder leiding van NOVA, de Nederlandse Onderzoekschool Voor Astronomie, een samenwerking van de Universiteit van Amsterdam, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit Leiden en Radboud Universiteit Nijmegen. 

METIS bestaat, zoals de naam al aangeeft, uit twee hoofdonderdelen: een imager en een spectrograaf. De eerste is een camera die bijvoorbeeld een beeld van een protoplanetaire schijf rond een jonge ster vastlegt. De spectrograaf analyseert daarnaast de kleuren van het licht van een planeet. Dat levert bijvoorbeeld informatie op over de stoffen in de atmosfeer rond die planeet.

Het instrument is straks even groot als een bescheiden rijtjeshuis: METIS wordt ongeveer zes meter breed, vier meter diep en 7,5 meter hoog; hij weegt achttien ton. Op de tekeningen zijn om METIS heen een platform en een trap te zien, zodat technici overal kunnen komen. ‘Maar dat is alleen bedoeld voor tijdens de installatie van de optische systemen en voor periodiek onderhoud aan het koelsysteem’, vertelt Bettonvil. ‘Tijdens gebruik van de telescoop kunnen er absoluut geen mensen aanwezig zijn, want die zijn veel te warm en zouden de metingen beïnvloeden. Mensen zijn kleine kacheltjes.’

Europese megatelescoop

De Very Large Telescope bestond al. En dus koos de European Southern Observatory (ESO) de naam Extremely Large Telescope (ELT) voor haar nieuwe, nog grotere sterrenkijker. Voorheen heette hij trouwens E-ELT, maar de eerste ‘E’ voor ‘European’ wordt nu weggelaten.

De plannen voor de ELT stammen uit 2006 en kregen in 2014 definitief groen licht. De bouw in Chili begon in 2017 en vordert gestaag. ESO koos voor de berg Cerro Armazones in de Atacamawoestijn in Chili als locatie omdat zowel het klimaat als de atmosferische omstandig heden daar ideaal zijn voor telescopen die zichtbaar en nabij-infrarood licht opvangen. En de top van een berg is ook nog eens van belang, omdat licht uit het heelal dan zo weinig mogelijk atmosfeer tegenkomt die licht absorbeert en beelden vervormt.

Bijzonder aan de ELT is onder meer de primaire spiegel, die is opgebouwd uit 798 afzonderlijke segmenten. Het mechanisme om die segmenten precies te richten, nodig om onder alle omstandigheden de ideale schotelvorm te houden, is ontworpen door TNO samen met het bedrijf VDL. Elk spiegelsegment rust op 27 steunpilaren die samen voorkomen dat het segment te veel doorbuigt. Voor elk segment geldt dat het iedere anderhalf à twee jaar uit de telescoop moet worden gehaald, omdat de coating dan moet worden vernieuwd. ‘Daarvoor komt naast de ELT een speciale fabriek te staan die de coatings reinigt en vernieuwt’, zegt Felix Bettonvil van de Universiteit Leiden, projectmanager van de bouw van METIS.

In het binnenste van de Extremely Large Telescope (ELT). METIS is op deze tekening te zien iets rechts van het midden, tussen de twee figuurtjes met gele helmen op. Links ervan enkele andere instrumenten voor het analyseren van het sterrenlicht. De primaire spiegel op de achtergrond heeft een diameter van 39 meter. Illustratie: ESO

Warmtestraling

Cruciaal voor een goede werking van METIS is dat de meeste onderdelen continu sterk gekoeld moeten zijn, tot 70 kelvin (-203,15 graden Celsius), de imager zelfs tot 40 kelvin (-233,15 graden Celsius). ‘Dat is nodig vanwege het golflengtegebied van het licht dat METIS analyseert. Dat wordt ook wel warmtestraling genoemd’, zegt Bettonvil. Alle objecten om ons heen stralen bij kamertemperatuur licht uit rond deze golflengten. Als het instrument niet sterk wordt gekoeld, dan zou METIS vooral de eigen warmtestraling meten.

De meeste onderdelen van METIS bevinden zich daarom in een cryostaat, een soort koelkast waar continu de gewenste lage temperatuur heerst. Licht dat van de telescoopspiegel afkomt, gaat eerst door verschillende optica – onder meer filters en maskers – heen die de lichtbundel van de telescoop geschikt maken voor de beelddetector. ‘Ten eerste voor atmospheric dispersion correction, dat is het corrigeren voor het feit dat licht van een laagstaande ster door de atmosfeer uit elkaar wordt getrokken in verschillende kleuren’, zegt Bettonvil.

Een ander opvallend apparaat in de voorbereidende optica is een zogeheten chopper-spiegel. Dit is een spiegel die vijf tot tien keer per seconde switcht tussen twee kijkhoeken. ‘Hij schakelt tussen het astronomische object dat we bekijken en de achtergrond. Zo kan METIS het signaal van de hemelachtergrond van het meetsignaal aftrekken. Dat is nodig omdat de helderheid van de hemel in het infrarood heel hoog is en het licht van de ster er anders gemakkelijk in verdrinkt.’ Uiteindelijk wordt de lichtbundel ook gesplitst; een deel gaat naar de imager, een deel naar de spectrometer.

Tijdens het in elkaar zetten van METIS worden veel tussentijdse testen gedaan. De data die dat oplevert, zal oplopen naar een onvoorstelbare vijf petabyte (1015 byte). ‘Vooraf vroegen we ons wel even af: hoe krijgen we dat weggeschreven?’, zegt Bettonvil. ‘Gelukkig is de Rijksuniversiteit Groningen onderdeel van NOVA. Daar zijn ze gespecialiseerd in het verwerken van grote hoeveelheden data.’

Tekening van METIS zonder de overige telescooponderdelen eromheen. De cryostaat zit midden op het platform. Illustratie: ESO

Nieuwe vloer

Voor het assembleren van METIS is bij de Universiteit Leiden een speciale hal vrijgemaakt, met een computerruimte er direct naast. De hal kreeg een nieuwe vloer die het gewicht van het instrument kan dragen en is ingericht als clean room, om het binnenste van METIS zo schoon mogelijk te houden. Ook zijn er hijsfaciliteiten om de onderdelen te verplaatsen. ‘En een backupstroomvoorziening, want de stroom mag tijdens het opbouwen absoluut niet uitvallen. Dan kunnen er dingen stuk gaan omdat ze ongecontroleerd opwarmen’, zegt Bettonvil.

Enkele kleinere onderdelen zijn al binnen in Leiden, maar half november komt het eerste grote onderdeel. Dat is meteen ook een van de grootste: de cryostaat. Vervolgens komen vanuit de verschillende landen waar ze worden gebouwd de subsystemen binnen om in Leiden te worden getest en vervolgens gecombineerd tot METIS. Projectmanager Bettonvil bewaakt de tijdlijn: ‘Eind 2027 verwachten we alle subsystemen binnen te hebben. Dan hebben we nog ongeveer een jaar nodig voor het testen van alles en het aansluiten. Begin 2029 moet METIS dan helemaal gereed zijn.’

 

Foto: ESO