Disclaimer: This article was originally written for UKrant / Dutch version below

Lava streams slowly but surely destroy everything in their path at the island of La Palma, but UG astronomer Scott Trager keeps working on one of the most advanced astronomical survey facilities in the world that is built on the volcanic island. ‘I’m convinced in the end it’ll be worth it.’

In the office of UG astronomer Scott Trager, the video connection to La Palma is on. On his screen, he can watch the ongoing work on the William Herschel Telescope Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE) from at least six different cameras inside the building. Some show machinery that is slowly being put together. Others show people supervising the job.

On that very same island, the Cumbre Vieja volcano is spewing ash into the atmosphere, while lava streams are slowly creeping toward the coast. The telescope itself is at an elevation of 2,725 meters, just above the typical height that the volcanic ash reaches. But still, its dome has been kept closed since the eruption started on September 19. 

Impossible

‘Of course, we were very worried our work would become impossible’, Trager says, ‘but even though observations have become very difficult, the work inside the building hasn’t been affected.’

This will be the biggest optical instrument in Dutch astronomical history so far

His worries are no surprise: after all, he is working on what he calls ‘the biggest optical instrument in Dutch astronomical history so far’, on an island where layers of grey ash cover the streets not consumed by lava streams.

The instrument Trager is working on is unique. It makes it possible for the telescope to not only cover an extensive amount of sky, but to also pick up the light of weaker stars. Stars that are even fainter than the ones picked up by Gaia, the space telescope that caused an enormous sensation among astronomers only two years ago. 

Glass fibre

Trager wants to do that by using thousands of glass fibre cables, all no thicker than the width of a hair. And that is quite amazing, because the mirrors of telescopes are really no different than your Nikon camera. Use a smaller mirror and you’ll be able to get a wide view, but the resolution will be low. A bigger mirror will focus more light and get you much more detail, but your view will be limited. 

To make this work, he needed a telescope with a mirror of around four metres in diameter. ‘In astronomy, that’s a middle-sized telescope’, he says. With that he’d be able to unravel starlight into thousands of separate colours, all of which give him information on the speed and direction in which they travel the Milky Way. However, Trager wants more. He wants to be able to do that for an extensive amount of sky and that was impossible. 

Until he realised that he could use a creative solution.

What if he would catch the light using a – sort of – regular mirror? But instead of sending the light straight to the eye, he could send it to a large focal plane, where the light would be in focus over a large area almost half a metre across. That way you create a kind of miniature map of the sky the telescope is aimed at.

Gigantic costs

If he could cover that entire focal plane with single glass fibres that – like internet cables – transport the light from all places on the map to a spectrograph that actually does the measuring, you’d get vital information on the brightness of the star and the colours of the light it emits. And that would tell us how fast it’s moving away or toward us. 

It would cost roughly three billion euros and was considered unbuildable

However, cool as the idea might be, the cost would be gigantic, Trager says. ‘For the William Herschel Telescope we would need nearly seven hundred thousand fibres to cover the full focal plane. As we can put about a thousand fibres into a single spectrograph, that means we would need nearly seven hundred spectrographs to capture the light from all of these fibres at once.’

That would result in one big problem: it would cost roughly three billion euros. And so it was considered unbuildable.

La Palma

But then, in 2010, Trager met the new director of the La Palma telescope, which needed an update after thirty years. And La Palma happened to be the perfect place to build a revolutionary instrument like this one. Not only because of its telescope’s 4.2 metre mirror, but also because of its clear skies and steady winds. 

‘When winds change directions, because of buildings or other structures, that messes up the telescopic image’, Trager explains. ‘For the best measurements, we need a stable wind from one direction and that is to be found at the top of mountains, and close to the sea.’ Just like at the observatory on La Palma.

Trager got talking with Oxford astrophysicist Gavin Dalton, who had a similar idea. ‘His design was less complicated and less expensive than mine.’ The two astronomers were able to fit their plans together.

Instead of covering the entire focal plane – as was Trager’s initial idea – WEAVE is now focusing only on relevant parts: where stars are expected to show up. Two robots will now put the fibres in place on the exact locations where stars are situated on the miniature map. ‘This way, we’ll be able to vastly reduce the number of fibres needed’, Trager says. An extra bonus: they will have fewer excess data – like measurements of a dark sky.

Silent

So now the unbuildable instrument is finally being built. WEAVE looks like a piece of lace or a loom, using 950 fibre cables, each focusing on its very own single star. Two cameras, each with a resolution of 12,000 by 6,000 pixels, gather the resulting spectra. 

Two cryostats containing liquid nitrogen cool the digital cameras down to make them more sensitive and almost completely silent.  While measurements are being made, the two robots are busy readying a second set of 950 fibre cables. After they’re done, the plates switch places and the process starts all over again.

Until now we haven’t built an optical instrument that was even half as big

And it is almost finished. Except for the testing phase, which was first delayed by the pandemic and is delayed again by the volcano spewing its ash into the atmosphere.

Uncertain

‘We still need to check if starlight can actually pass through the whole system’, Trager says. ‘And once we’re convinced we can do that, we need to check whether the robots can put the fibres in the places we think they need to go.’ However, Trager is pretty confident about that: ‘We have already done 350.000 moves, so we know very well. But we still need to check.’

But for over a month now, the dome of the telescope has been kept closed, because of the risk of getting ash into the equipment. ‘We’re working on completing the integration and testing of all components’, says Trager. But the danger of eruptions still makes things uncertain. ‘We don’t know if we’ll be able to start observing starlight at the end of February as planned.’

So Trager will need some more patience. But then he’ll be able to finally see the results of his big plan. ‘I’m really looking forward to it. Until now we haven’t built an optical instrument that was even half as big. And I’m convinced in the end it will be worth it.’

Colours of light For Trager and his team, both the position and movement of the stars are of interest, because they contain information on how the galaxy evolves and how the Milky Way was formed. Astronomers can determine the speed and direction with which a star is travelling through space by looking at the colours of the light they send to Earth. When a star is moving away from us, the light waves become elongated and will have a lower frequency – just like the sound of a moped or a police car with the sirens on will sound lower. Astronomers call this a red shift, because the light appears redder than it would be if the star wasn’t moving. When a star moves towards us the opposite happens. The light waves get compressed, which is called a blue shift. And the faster light goes, the more the light waves get compressed or stretched out, and the bigger the red or blue shift.

---

Sterrenlicht vangen terwijl de vulkaan uitbarst

De lavastromen op La Palma vernietigen langzaam maar zeker alles wat hun pad komt. Maar RUG-astronoom Scott Trager werkt gestaag door aan een van de meest geavanceerde astronomische meetapparaten ter wereld: de WEAVE die op datzelfde eiland moet komen.

RUG-astronoom Scott Trager heeft verbinding gemaakt met La Palma. Via het computerscherm in zijn kantoor in Groningen heeft hij toegang tot zes verschillende camera’s waarmee hij het werk aan de William Herschel Telescope Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE) in de gaten kan houden. Sommige tonen hem apparaten die langzaam in elkaar worden gezet, op andere ziet hij mensen die het werk monitoren.

Op datzelfde eiland spuwt de Cumbre Vieja-vulkaan as hoog de lucht in, lava stroomt langzaam in de richting van de kust. De telescoop zelf staat op 2725 meter hoog, net iets hoger dan waar de vulkaanas reikt. Toch is de koepel van het gebouw sinds het begin van de uitbarsting op 19 september gesloten.

Onmogelijk

‘We maakten ons wel zorgen dat het ons werk onmogelijk zou maken’, zegt Trager. ‘Maar hoewel we nu even niet goed door de telescoop kunnen kijken, kunnen we er nog wel aan werken.’

Dit wordt het grootste optische instrument in de geschiedenis van de Nederlandse astronomie

Geen wonder dat hij zich zorgen maakt: Trager werkt aan wat hij ‘het grootste optische instrument in de geschiedenis van de Nederlandse astronomie’ noemt, terwijl niet veel verder de straten waar de lava niet langs stroomt, zijn bedekt met as.

Het instrument waar hij aan werkt is uniek. Het zorgt ervoor dat de telescoop een heel groot stuk van de hemel kan zien en licht van zwakkere sterren op kan vangen. Zwakker dan de sterren die ruimtetelescoop Gaia twee jaar geleden oppikte, wat een sensatie in de wereld van de astronomie veroorzaakte.

Glasvezel

Trager doet dit met behulp van duizenden glasvezelkabels die dunner zijn dan een haar. Dat is nogal bijzonder, want op zich zijn spiegels die gebruikt worden in een telescoop niet veel anders dan de spiegels in een gewone Nikoncamera. Gebruik je een kleinere spiegel, dan krijg je een breder beeld met een lage resolutie. Een grotere spiegel kan meer licht focussen waardoor je meer details ziet, maar dan heb je maar een klein gebied in beeld.

Om een groot én scherp beeld te krijgen heeft Trager een telescoop nodig met een spiegel met een diameter van ongeveer vier meter. ‘In de astronomie is dat een telescoop van gemiddelde grootte’, zegt hij. Hij kan er het licht van de sterren in duizenden verschillende kleuren mee uiteen splitsen. En dat levert informatie op over de snelheid en de richting waarmee ze door de Melkweg reizen. 

Maar Trager wilde meer. Hij wilde dit voor een groter stuk hemel doen. Maar dat was onmogelijk. Totdat hij zich realiseerde dat hij gewoon een creatieve oplossing nodig had.

Verschrikkelijk duur

Want wat nu als hij het licht met behulp van een gewone spiegel kon opvangen? Maar in plaats van dat hij het licht direct naar de lens stuurde, zou hij het naar een groot brandpuntsvlak sturen, waar het licht op een oppervlak van bijna een halve meter breed in focus is. Op die manier kon hij een soort minikaartje maken van het stuk hemel waar de telescoop op gericht is.

Als hij dat hele brandpuntsvlak kon bedekken met glasvezeldraden die – net als een internetkabel – het licht van overal op de kaart naar een spectrograaf konden sturen, zodat die het daadwerkelijke meetwerk kon doen. Dan kon hij belangrijke informatie over de helderheid van de ster en de kleur van het licht krijgen. En dan wist hij hoe snel die ster zich naar ons toe of van ons af bewoog.

Het zou bijna drie miljard euro kosten en onmogelijk om te bouwen

Het idee was heel erg cool, maar verschrikkelijk duur, zegt Trager. ‘Om het hele brandpuntsvlak van de William Herscheltelescoop te bedekken hadden we bijna zevenhonderdduizend vezels nodig. Er passen maar ongeveer duizend vezels in een spectrograaf, dus dan hadden we bijna zevenhonderd spectrografen nodig om het licht van al die vezels op te vangen!’

Dat zou alleen bijna drie miljard euro kosten. En dus ging hij ervan uit dat het onmogelijk zou zijn om het instrument ooit te bouwen, legt Trager uit.

La Palma

Maar in 2010 ontmoette Trager de nieuwe directeur van de telescoop in La Palma, die na dertig jaar aan een update toe was. La Palma was toevallig ook nog de perfecte plek om een revolutionair instrument zoals dat van Trager te bouwen. Niet alleen omdat de telescoop een spiegel van 4,2 meter heeft, maar ook vanwege de heldere hemel en gematigde wind.

‘Als wind van richting verandert, bijvoorbeeld omdat er een gebouw of een andere structuur in de weg staat, wordt het beeld van de telescoop verstoord’, legt Trager uit. ‘Om de beste meetresultaten te krijgen hebben we dus een gestage wind nodig die uit maar een richting komt. Dat soort wind komt voor bovenop bergen dicht bij de zee.’ Oftewel, bij de sterrenwacht op La Palma.

Trager raakte aan de praat met Gavin Dalton, astrofysicus in Oxford, die een zelfde soort idee had. ‘Zijn ontwerp was minder ingewikkeld en goedkoper dan dat van mij.’ En het lukte de twee astronomen om hun ideeën te combineren.

WEAVE kijkt niet naar het hele brandpuntsvlak zoals in Tragers oorspronkelijke idee, maar concentreert zich alleen op de plekken waar de sterren te zien zullen zijn. Twee robots leggen de vezels op de plek van de sterren op het minikaartje. ‘Op die manier hebben we veel minder vezels nodig’, zegt Trager. Een mooie bijkomstigheid is dat ze veel minder overbodige data hebben, zoals metingen van een donkere hemel.

Geluidloos

Het niet te bouwen instrument wordt nu dus toch gebouwd. WEAVE ziet eruit als een stukje kant of een weefgetouw, en gebruikt 950 vezelkabels die zich allemaal op hun eigen ster concentreren. Twee camera’s met een resolutie van twaalfduizend bij zesduizend pixels verzamelen de spectrums.

Niemand heeft ooit eerder een groot optisch instrument gebouwd dat ook maar de helft zo groot was

Twee cryostaten gevuld met vloeibaar stikstof koelen de digitale camera’s af zodat ze gevoeliger en zo goed als geluidloos zijn. Terwijl de metingen worden gedaan maken de twee robots alvast een volgende set van 950 vezelkabels klaar. Als ze klaar zijn wisselen de twee platen en begint het proces opnieuw.

Het project is bijna af. Alleen de testfase moet nog, maar die liep vertraging op, eerst door de pandemie en nu door de uitbarsting van de vulkaan, die al anderhalve maand duurt.

Onzeker

‘We zijn nu bezig met de laatste beetjes integratie en het testen van alle onderdelen’, zegt Trager. ‘We moeten nog zien of het licht van de sterren wel door het hele systeem komt.’ ‘Als we eenmaal weten dat dat allemaal lukt, moeten we nog kijken of de robots de vezels kunnen plaatsen op de plekken waar het nodig is.’ Trager is er vrij zeker van dat het wel gaat lukken. ‘We hebben al 350.000 bewegingen uitgevoerd, maar we moeten het toch even checken.’

Door de dreigende uitbarsting is alles op het moment nogal onzeker. De koepel van de telescoop is nu al anderhalve maand dicht om te voorkomen dat er as in het apparaat valt. ‘We weten niet of we eind februari al sterrenlicht kunnen bekijken zoals oorspronkelijk het plan was.’

Trager zal dus nog meer geduld moeten hebben. Maar als het eenmaal zover is zal hij eindelijk de resultaten van zijn grote plan kunnen zien. ‘Ik kijk er heel erg naar uit. Niemand heeft ooit eerder een groot optisch instrument gebouwd dat ook maar de helft zo groot was. Ik ben ervan overtuigd dat het het uiteindelijk allemaal waard is.’

De kleur van het licht Trager en zijn team bestuderen zowel de positie van sterren als de manier waarop ze zich bewegen. Ze bevatten namelijk informatie over hoe sterrenstelsels zich ontwikkelen en hoe de Melkweg werd gevormd. Astronomen kunnen de snelheid en de richting van een ster bepalen door te kijken naar het soort licht dat we hier op aarde zien. Als een ster van ons af beweegt zijn de lichtgolven langer en hebben ze een lagere frequentie. Net zoals dat het geluid van een wegrijdende brommer of een politieauto met de sirenes aan, lager klinkt. In de astronomie heet dit een roodverschuiving, omdat het licht er roder uitziet dan wanneer de ster stil staat. Als een ster naar ons toe beweegt, gebeurt het tegenovergestelde. De lichtgolven worden samengeperst. Dit heet een blauwverschuiving. Hoe sneller het licht reist, hoe meer de golven worden samengeperst of uitgerekt, en hoe sterker de rood- of blauwverschuiving.