De Europese onderzoeksraad (ERC) heeft twee van zijn prestigieuze startbeurzen toegekend aan ASTRON-wetenschappers voor onderzoeksprojecten met de LOFAR radiotelescoop. In één project wordt LOFAR ingezet om gedetailleerde beelden van bliksems op aarde te creëren; het andere project zet zich in om ruimteweer en magnetische velden rondom exoplaneten te detecteren.

LIFT

Dr. Brian Hare zal leiding geven aan het project LIFT (Lightning corona Imaging From a radio Telescope), dat de LOFAR radiotelescoop in zal zetten om ongeëvenaarde beelden van bliksems te creëren, die precies en gedetailleerd genoeg zijn om ze met state of the art bliksem-modellen te vergelijken.

Bliksem is al sinds de tijd van Benjamin Franklin een onderwerp van wetenschappelijk onderzoek, maar we begrijpen er nog steeds maar weinig van. Met de toenemende klimaatverandering en daarmee de hoeveelheid blikseminslagen op Aarde – en omdat veel bronnen van groene energie, zoals windturbines, vatbaar zijn voor bliksemschade – is het belangrijker dan ooit om dit fenomeen te begrijpen.

Experimenteel natuurkundige Hare (ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie en het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen) en zijn team gebruiken de LOFAR radiotelescoop om 3D-beelden van bliksems te creëren (afbeelding 1). LOFAR doet dit veel gedetailleerder dan andere radio-instrumenten dit kunnen, legt Hare uit. De meeste instrumenten die bliksems meten hebben een resolutie op een schaal van 100 tot misschien 10 meter in omvang, terwijl bliksem-modellen op een veel kleinere schaal werken. Dit maakt het extreem moeilijk om echte metingen te vergelijken met deze modellen. LOFAR echter, kan bliksems meten op een schaal van 10 tot 1 meter, waarmee de metingen een orde van grootte gedetailleerder zijn. LOFAR verricht deze metingen ook een stuk sneller: waar de meeste radio-instrumenten metingen met intervallen van microseconden verrichten, doet LOFAR dit met intervallen van nanoseconden. Hare: “LOFARs metingen komen heel dicht bij de schaal die door de modellen wordt gebruikt. Met de ERC-subsidie willen we de resolutie van LOFAR nog hoger krijgen, zodat we eindelijk echte metingen met de modellen kunnen vergelijken, om zo veel meer te leren over hoe bliksem werkt.”

LOFAR krijgt momenteel een upgrade naar LOFAR 2.0, wat de timing van metingen nog nauwkeuriger maakt en de radiotelescoop een nog bredere frequentieband voor metingen geeft. Hare en zijn team zullen hun subsidie van 2,1 miljoen euro ook inzetten voor de ontwikkeling van beamforming-technieken, waarmee ze verschillende radiogolven, afkomstig van verschillende plaatsen binnen de bliksem zelf, kunnen onderscheiden. Ze zullen ook methodes ontwikkelen om de polarisatie van elektrische stromen in de bliksemflits te meten, om zo beter te begrijpen hoe elektrische stroom door bliksem heen reist. Met de subsidie kan Hare ook twee extra PhD en één postdoc voor zijn onderzoeksteam aanstellen.

STORMCHASER

Dr. Harish Vedantham, astronoom bij ASTRON en universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen, ontvangt een ERC Starting Grant om zowel ruimteweer-fenomenen als voor het eerst magnetische velden rondom exoplaneten te detecteren. Ruimteweer wordt veroorzaakt door sterren, die enorme hoeveelheden plasma en hoogenergetische deeltjes uitstoten, die schadelijk kunnen zijn voor de atmosfeer van een planeet (afbeelding 2). Dr. Vedantham: “Met deze subsidie zijn we in staat om signalen op te vangen die typisch zijn voor plasma-uitstoten afkomstig van sterren, buiten onze eigen Zon. Dat is een belangrijke stap in het uitzoeken om welke sterren er mogelijk bewoonbare planeten draaien.”

De Aarde heeft een verdedigingsmechanisme tegen ruimteweer dat van de Zon afkomstig is: haar magnetische veld. Maar de magnetische velden van exoplaneten zijn nog niet direct gemeten. Dr. Vedantham: “We hebben verschillende wetten van zogenoemde schaalvergroting die de magnetische velden van exoplaneten voorspellen, maar ze zijn nog nooit empirisch getest met echte data.” Vedanthams project zal gebruikmaken van LOFAR-data om de magnetische veldsterktes van exoplaneten vast te stellen, om zo de juiste schaalvergrotingswet vast te stellen. “Dit is een grote sprong voorwaarts, want het weten wat het magnetisch veld van een exoplaneet is, is een cruciaal onderdeel van de puzzel om vast te stellen of deze bewoonbaar is.”

Vanwege de zwakte en zeldzaamheid van dergelijke radiosignalen van buiten ons zonnestelsel, moet het project flinke technische uitdagingen tackelen. Dr. Vedantham en zijn studenten, gesubsidieerd door de ERC Starting Grant met een waarde van 1,5 miljoen euro, zullen door 10 petabyte aan LOFAR-radiogegevens spitten. Dat is meer dan een miljoen cd’s, of duizend harde schijven van 1 TB aan data. De zwakke signalen die interessant lijken, moeten ook nog eens geautomatiseerd gescheiden worden van door mensen gegenereerde radiosignalen. “Nog niemand heeft geprobeerd om door zoveel data te spitten om deze zwakke signalen te vinden. Je hebt hiervoor echt een subsidie-instrument met de ambitie en de schaal van de ERC Starting Grant nodig om dit mogelijk te maken. Ik ben erg enthousiast om aan het begin van deze opwindende zoektocht te staan”, aldus Vedantham.

Afbeeldingen

Afbeelding 1: LOFAR-metingen van een blikseminslag

Het meten van een bliksem door de tijd heen. De linker afbeelding toont LOFAR-metingen van een blikseminslag van bovenaf. Elke stip staat voor een afzonderlijke meting, waarbij het verschil in kleur een verschil in tijd van een meting aangeeft. De stippen verschuiven door de tijd van een rode kleur naar een blauwe. De rechter afbeelding toont metingen van dezelfde blikseminslag, maar dan van de voorkant/zijkant. Door de linker en rechter afbeelding te combineren, kan er een 3D-afbeelding van een blikseminslag worden gemaakt. Door de data van de metingen in tijd toe te voegen, kan er een 3D-animatie van de blikseminslag worden gemaakt. (Credit: Brian Hare)

Animatie van hoe LOFAR blikseminslagen meet: https://www.youtube.com/watch?v=UcKQSG_3MUk

Afbeelding 2: Artist’s impression van ruimteweer

Deze afbeelding toont een artist’s impression van een zonnevlam die een grote hoeveelheid plasma richting de Aarde slingert. Het magnetische veld van de Aarde creëert een beschermende holte (getoond in paars) en beschermt onze atmosfeer, die leven mogelijk maakt. Het project STORMCHASER zal deze processen in andere sterrenstelsels bestuderen. (Credit: NASA)

Meer informatie over LOFAR: https://astron.nl/telescopes/lofar

Meer informatie over de ERC Starting Grants: https://erc.europa.eu/funding/starting-grants