Berichten

Twee ERC Starting Grants toegekend aan (ruimte)weeronderzoeksprojecten met de LOFAR-radiotelescoop

/in /door

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

 

 

Meest gedetailleerde beelden van sterrenstelsels ooit waargenomen met LOFAR

/in , /door

Na bijna tien jaar werk heeft een internationaal team van astronomen de meest gedetailleerde beelden ooit gepubliceerd van sterrenstelsels buiten ons eigen stelsel, waarmee hun werking in ongekend detail wordt onthuld. De beelden zijn gemaakt met gegevens die zijn verzameld door de door ASTRON gebouwde en beheerde Low Frequency Array (LOFAR), een radiotelescoop dat bestaat uit een netwerk van meer dan 70.000 kleine antennes verspreid over negen Europese landen, met de kern in Exloo, Nederland. De resultaten zijn de conclusie van jarenlang werk van het team onder leiding van Dr. Leah Morabito van de Durham University. Het team werd in het VK gesteund door de Science and Technology Facilities Council (STFC).

Naast steun voor de wetenschappelijke exploitatie financiert STFC ook het Britse abonnement op LOFAR, inclusief de upgradekosten en de exploitatie van het LOFAR-station in Hampshire.

Onthulling van een verborgen universum van licht in HD

Het heelal is overspoeld met elektromagnetische straling, waarvan zichtbaar licht slechts het kleinste deel uitmaakt. Van gammastralen en röntgenstraling met een korte golflengte tot microgolven en radiogolven met een lange golflengte: elk deel van het lichtspectrum onthult iets unieks over het heelal.

Het LOFAR-netwerk maakt beelden op FM-radiofrequenties die, in tegenstelling tot bronnen met een kortere golflengte zoals zichtbaar licht, niet worden geblokkeerd door de wolken van stof en gas die astronomische objecten kunnen bedekken. Regio’s in de ruimte die voor onze ogen donker lijken, branden in feite helder in radiogolven – waardoor astronomen in stervormingsregio’s of in het hart van sterrenstelsels zelf kunnen kijken.

De nieuwe beelden, die mogelijk zijn gemaakt door de internationale samenwerking, verleggen de grenzen van wat we weten over sterrenstelsels en superzware zwarte gaten. Een speciale uitgave van het wetenschappelijke tijdschrift Astronomy & Astrophysics is gewijd aan 11 onderzoekspapers waarin deze beelden en de wetenschappelijke resultaten worden beschreven.

Betere resolutie door samenwerking

De beelden laten het binnenste zien van nabije en verre melkwegstelsels met een resolutie die 20 keer scherper is dan typische LOFAR-beelden. Dit werd mogelijk gemaakt door de unieke manier waarop het team gebruik maakte van de array.

De meer dan 70.000 LOFAR-antennes staan verspreid over Europa, waarvan de meeste in Nederland staan. Bij normaal gebruik worden alleen de signalen van antennes die zich in Nederland bevinden gecombineerd, en ontstaat een “virtuele” telescoop met een verzamellens met een diameter van 120 km. Door de signalen van alle Europese antennes te gebruiken, heeft het team de diameter van de ‘lens’ vergroot tot bijna 2.000 km, waardoor de resolutie met een factor twintig is toegenomen.

In tegenstelling tot conventionele array-antennes die meerdere signalen in real time combineren om beelden te produceren, maakt LOFAR gebruik van een nieuw concept waarbij de door elke antenne verzamelde signalen worden gedigitaliseerd, naar een centrale processor worden getransporteerd en vervolgens worden gecombineerd om een beeld te creëren. Elk LOFAR-beeld is het resultaat van de combinatie van de signalen van meer dan 70.000 antennes, wat hun buitengewone resolutie mogelijk maakt.

Jets van superzware zwarte gaten zichtbaar maken

Superzware zwarte gaten liggen op de loer in het hart van veel sterrenstelsels en veel daarvan zijn ‘actieve’ zwarte gaten die vallende materie verslinden en deze terug de kosmos in spuwen in de vorm van krachtige stralenstromen, ‘jets’. Deze jets zijn onzichtbaar voor het blote oog, maar ze branden helder in radiogolven en het zijn deze jets waarop de nieuwe hogeresolutiebeelden zich hebben gericht.

Dr. Neal Jackson van de Universiteit van Manchester verklaarde: “Deze beelden met hoge resolutie stellen ons in staat om in te zoomen en te zien wat er werkelijk gebeurt wanneer superzware zwarte gaten radiojets lanceren, wat eerder niet mogelijk was bij frequenties in de buurt van de FM-radioband.

Het werk van het team vormt de basis van negen wetenschappelijke studies die nieuwe informatie onthullen over de inwendige structuur van radiojets in een verscheidenheid van verschillende melkwegstelsels.

Een tien jaar durende uitdaging

Nog voordat LOFAR in 2012 operationeel werd, begon het Europese team van astronomen al te werken aan de enorme uitdaging om de signalen van meer dan 70.000 antennes, die wel 2.000 km uit elkaar staan, te combineren. Het resultaat, een voor het publiek toegankelijke gegevensverwerkingspijplijn, die in detail wordt beschreven in een van de wetenschappelijke artikelen, zal astronomen van over de hele wereld in staat stellen LOFAR te gebruiken om relatief gemakkelijk hogeresolutiebeelden te maken.

Dr. Leah Morabito van de Durham Universiteit zei: “Ons doel is dat de wetenschappelijke gemeenschap hierdoor het hele Europese netwerk van LOFAR-telescopen kan gebruiken voor hun eigen wetenschap, zonder jaren te hoeven spenderen om een expert te worden.”

Voor superbeelden zijn supercomputers nodig

Het relatieve gemak van de ervaring voor de eindgebruiker logenstraft de complexiteit van de computationele uitdaging die elk beeld mogelijk maakt. LOFAR maakt niet zomaar “foto’s” van de nachtelijke hemel, maar moet de gegevens die door meer dan 70.000 antennes zijn verzameld, samenvoegen, wat een enorme rekenklus is. Om één enkel beeld te produceren moeten meer dan 13 terabits ruwe gegevens per seconde – het equivalent van meer dan driehonderd DVD’s – worden gedigitaliseerd, naar een centrale processor worden getransporteerd en vervolgens worden gecombineerd.

Frits Sweijen van de Universiteit Leiden: “Om zulke immense datavolumes te verwerken, moeten we supercomputers gebruiken. Deze stellen ons in staat om de terabytes aan informatie van deze antennes in slechts enkele dagen om te zetten in enkele gigabytes aan wetenschap-klare gegevens.”

EINDE VAN PERSBERICHT

—————————————-

Link naar papers: https://www.aanda.org/component/toc/?task=topic&id=1366

Media
Alle afbeeldingen in groot formaat met onderschrift en video’s zijn hier te vinden
Een video van de regio van de hemel is hier te vinden

Perscontacten
Alice Spruit, ASTRON
E-mail: spruit@astron.nl
Telefoon: +31-6-55403051

Hayley Vice, STFC International & Research Programme Media Officer
Science and Technology Facilities Council
E-mail: hayley.vice@stfc.ukri.org
Telefoon: +44 (0) 7395 831466

LOFAR

De internationale LOFAR-telescoop is een trans-Europees netwerk van radioantennes, met een kern in Exloo in Nederland. LOFAR werkt door het combineren van de signalen van meer dan 70.000 individuele antennedipolen, die zijn ondergebracht in “antennestations” verspreid over Nederland en in Europese partnerlanden. De stations zijn met elkaar verbonden door een supersnel glasvezelnetwerk, waarbij krachtige computers worden gebruikt om de radiosignalen te verwerken en zo een trans-Europese radioantenne te simuleren die zich uitstrekt over een afstand van 1300 kilometer. De internationale LOFAR-telescoop is uniek door zijn gevoeligheid, brede gezichtsveld en beeldresolutie of -helderheid. Het LOFAR-gegevensarchief is de grootste astronomische gegevensverzameling ter wereld.

LOFAR is ontworpen, gebouwd en wordt momenteel geëxploiteerd door ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie. Frankrijk, Duitsland, Ierland, Italië, Letland, Nederland, Polen, Zweden en het VK zijn alle partnerlanden in de internationale LOFAR-telescoop.

LOFAR-UK

Toen LOFAR-UK werd opgericht, was het de grootste samenwerking op het gebied van astronomie in het VK, waarbij wetenschappers van 22 partneruniversiteiten* en van het STFC Rutherford Appleton Laboratory (RAL) betrokken waren. Het eerste LOFAR-station in het VK werd in september 2010 geopend in STFC’s Chilbolton Observatory in Hampshire. Het station werkt zowel als zelfstandige faciliteit als onderdeel van het bredere Europese LOFAR-netwerk op een groot aantal wetenschappelijke gebieden, waaronder diepe radiosurveys, studies van de Epoch of Re-ionisation, tijddomeinastrofysica zoals pulsars en radiotransiënten, kosmische magnetische velden, zonnefysica en de invloed van de zon op de aarde. De bouw van het station in Chilbolton werd gefinancierd door het LOFAR-UK consortium, waarin 22 Britse universiteiten* vertegenwoordigd zijn. STFC zorgt voor de lopende exploitatiekosten.

*Aberystwyth, Birmingham, Cambridge, Cardiff, Durham, Edinburgh, Glasgow, Hertfordshire, Kent, Leicester, Liverpool John Moores, Manchester, Newcastle, Nottingham, Open University, Oxford, Portsmouth, Queen Mary, University of London (QMUL), Sheffield, Southampton, Sussex, en UCL.

Over Durham University

Durham University is een wereldwijd vooraanstaand centrum voor onderwijs en onderzoek, gevestigd in het historische Durham City in het Verenigd Koninkrijk.

Wij zijn een collegiale universiteit die haar mensen inspireert om uitstekende dingen te doen in Durham en in de wereld.

Wij doen grensverleggend onderzoek dat wereldwijd levens verbetert en wij staan in de top 100 van universiteiten met een internationale reputatie op het gebied van onderzoek en onderwijs (QS World University Rankings 2021).

We zijn lid van de Russell Group van toonaangevende onderzoeksintensieve universiteiten in het Verenigd Koninkrijk en we staan steevast in de top 10 van nationale ranglijsten (Times and Sunday Times Good University Guide, Guardian University Guide en The Complete University Guide).

Meer informatie over Durham University vindt u op: www.durham.ac.uk/about/

Over de Universiteit van Manchester

De Universiteit van Manchester is een lid van de prestigieuze Russell Group en een van de grootste single-site universiteiten van het Verenigd Koninkrijk.

Wij hebben meer dan 40.000 studenten, 12.000 medewerkers en, met bijna 480.000 oud-studenten uit meer dan 190 landen, de thuisbasis van de grootste alumni gemeenschap van een campus-based universiteit in het Verenigd Koninkrijk. Niet minder dan 25 Nobelprijswinnaars hebben hier gewerkt of gestudeerd.

We zijn de topuniversiteit in het Verenigd Koninkrijk voor inzetbaarheid van afgestudeerden volgens The Times en Sunday Times Good University Guide; gerangschikt als 27e in de wereld in de QS World University Rankings (2020) en 6e in het Verenigd Koninkrijk. We staan ook op de 8e plaats in de Reuters Top 100: Europa’s meest innovatieve universiteiten (2019).

Bezoek www.manchester.ac.uk voor meer informatie of https://www.manchester.ac.uk/discover/vision/ voor onze nieuwste strategische visie.