Research

Onderzoek in lockdown

December 20, 2020

In 1665 zorgde een nieuwe uitbraak van de pest er voor dat een jonge Isaac Newton Trinity College, in Cambridge, ontvluchtte en de volgende twee jaar door zou brengen op het platteland. Ver weg van het risico op een besmetting had hij, lang voor het digitaal vergaderen zou worden uitgevonden, alle tijd en ruimte om zich volledig te storten op de grote vraagstukken uit de zeventiende eeuw. In wat later bekend zou worden als Newtons Annus Mirabilis beschreef hij als eerste de fundamentele bewegingswetten, hoe zwaartekracht werkte en ontdekte hij calculus. Vrijwel elke andere wetenschapper zou zijn of haar carrière geslaagd vinden met een van deze ontdekkingen. Voor de toen 23 jarige Isaac Newton zouden er nog meer volgen.

Afgelopen jaar werd dit verhaal vaak aangehaald als reden om niet bij de pakken neer te gaan zitten, nadat iedereen thuis moest gaan werken. Hoewel dit natuurlijk een goed advies is, kan niet verwacht worden dat elke enthousiaste jonge onderzoeker vergelijkbare resultaten zal halen na een of twee jaar van Corona lockdown. Newton was een zeldzaam genie en zou ook zonder sociale isolatie door de pest uiteindelijk grootse uitvindingen gedaan hebben, niet ten minste omdat dat precies was wat hij deed toen Trinity College weer opende.

Nu wil ik mijzelf in deze blog niet gaan vergelijken met een van de grondleggers van de moderne wetenschap. Wat ik wel kan doen, is vertellen over het onderzoek dat ik het afgelopen jaar heb gedaan, met een mooi conferentie artikel als resultaat.

De belangrijkste vraag die ik probeerde te beantwoorden tijdens mijn masteronderzoek in 2017, ging over de mate waarin de kwaliteit van de ADC optiek vervormingen in het beeld kon veroorzaken. Vervormingen die het lastiger zouden maken om nauwkeurige astrometrie – positiebepaling van sterren – te doen. Jammer genoeg was de methodiek van dat onderzoek niet robuust genoeg om een duidelijke conclusie te trekken. Het vinden van een goed antwoord op deze vraag is een van de doelen van mijn PhD te beginnen.

Met vier jaar voor de boeg hadden Willem, mijn begeleider, en ik de tijd om veel rigoreuzer en met meer oog voor detail aan het werk te gaan. In plaats van het gebruiken van een softwarepakket dat we niet volledig begrepen, bouwden we onze eigen simulaties. In plaats van licht te beschouwen als een klein deeltje welke zich houdt aan een vaste geometrie, maakte we gebruik van de golf eigenschappen van licht. Op die manier wisten we precieze controle over de simulaties en namen we zelfs diffractie effecten mee, die voor subtiele verschillen in het gevormde beeld kunnen zorgen.

Op zichzelf zijn dit soort simulaties niets nieuws. Vergelijkbare simulaties komen vaak voor bij analyses voor instrumenten die maximaal contrast proberen te bereiken (zogenoemde High Contrast Imaging), instrumenten die de turbulentie van de atmosfeer proberen te corrigeren (Adaptive Optics) en voor telescopen in het ver infrarood, waar diffractie een zeer belangrijke rol speelt. Meestal wordt hierbij alleen de beeldkwaliteit in het midden van de detector bekeken. Voor zover ik heb kunnen vinden, is dit soort simulaties nog nooit gebruikt om beeldvervormingen over de gehele detector te analyseren. En dat is dan precies wat Willem en ik deden.

Het soort afbeeldingen waar ik vaak naar kijk aan het einde van een simulatie. Als de beeldkwaliteit perfect is, dan wordt een puntbron zoals links afgebeeld. Zo niet, dan krijg je afhankelijk van het type imperfecties iets als de afbeelding in het midden of rechts.

Het plan was vanaf het begin van mijn PhD om de resultaten van dit werkpakket te presenteren tijdens de tweejaarlijkse SPIE conferentie. In juni van 2020 zou een wereldwijd netwerk van ingenieurs, ontwerpers en onderzoekers in Yokohama, Japan, bijeen komen om de laatste resultaten of instrument ontwerpen te presenteren. Zo ook ik. Althans, dat was het plan totdat COVID-19 begin dit jaar roet in het eten gooide. Toen duidelijk werd dat de grootste wereldwijde epidemie sinds 1920 voor juni niet opgelost zou zijn besloot de organisatie de conferentie met een half jaar uit te stellen. Na de zomer bleek dat ook december nog niet geschikt zou zijn om met veel mensen bij elkaar te komen en werd de conferentie verplaatst naar een digitale omgeving.

Hoewel het jammer was dat de SPIE online gedaan zou worden, kwam het mij best goed uit dat het met een half jaar zou worden uitgesteld. In mei waren slechts een deel van de bouwstenen klaar die nodig waren voor een volledige analyse. De daaropvolgende maanden heb ik gebruikt voor het uitbouwen van de code. Deels door de druk van een naderende deadline en deels door uitgebreide tests van de code, vielen in oktober plotseling alle stukjes op hun plek. Wat volgde was een maand van veel stress door de naderende deadline, maar ook een maand met heel veel zichtbare progressie.

De simulaties toonden aan dat de resultaten van mijn masteronderzoek niet per se fout waren, maar vooral een te pessimistisch beeld gaven van de vervormingen in het beeld. Dat was een geruststellende conclusie, zowel voor NOVA – die het glas tot op de goede kwaliteit moeten polijsten – alsook voor het MICADO instrument zelf.

Deze plot was ik al sinds mijn masteronderzoek naar op zoek. Na anderhalf jaar werk heb ik er vertrouwen in dat deze een stuk representatiever is dan wat ik tijdens mijn eerste poging had gevonden.

Met de analyses gedaan, de resultaten geïnterpreteerd en de conclusies getrokken moest dit alles natuurlijk netjes gepresenteerd worden. Het schrijfproces – het schrijven van een eerste versie, de daaropvolgende feedback verwerken en dan de laatste aanpassingen doen – onthult vrijwel altijd enkele fouten en inconsistenties in het werk. Toch zal geen enkele wetenschapper of schrijver beweren dat het eindresultaat daar niet beter van wordt. Zo ook bij mij.

Twee weken voor de uiterste deadline kon ik mijn manuscript en videopresentatie inleveren. Mentaal uitgeput en de analyses moe was ik toe aan een paar dagen vakantie… Zou Isaac Newton zich ook zo gevoeld hebben tijdens zijn Annus Mirabilis?


Geïnteresseerd in de details van mijn masteronderzoek of dit recente manuscript? Kijk dan op de research pagina.

Referentie:
J. A. van den Born, W. Jellema, R. Navarro, E. Tolstoy, B. Jayawardhana, and A. W. Janssen “A Fourier optics approach to evaluate the astrometric performance of MICADO”, Proc. SPIE 11450, Modeling, Systems Engineering, and Project Management for Astronomy IX, 114500V (13 December 2020); https://doi.org/10.1117/12.2560912

Link naar de publicatie:
SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation – A Fourier Optics approach to evaluate the astrometric performance of MICADO
PDF download (arXiv.org)

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.