~O@QJJW@ [?@[j\]Q~@[]U@~@[]U
O[]U @@ [?QJJO[fi]JQ@
Op 23 juli van het vorig jaar lanceerde NASA met het ruimteveer Columbia zijn nieuwste ruimtetelescoop Chandra. Deze telescoop kijkt niet in zichtbaar licht, zoals de Hubble, maar is gevoelig voor rontgenstraling. Ook Europa is actief in het rontgengebied: op 10 december lanceerde ESA de XMM-Newton satelliet met een Ariane 5 raket. Beide satellieten geven een scherpere en veel gevoeligere kijk ophet heelal dan ooit te voren. Inleiding
In de tijd dat kennis beperkt was, is het niet verwonderlijk dat wetenschap en geloof Sinds mensenheugenis is er naar de . onlosmakelijk aan elkaar verbonden waren. hemet gekeken. Onze culturele voorouders, Ook werd algemeen aangenomen dathet Arabieren en Grieken, hebben hun stempel heelal perfect van geometrie was. op de sterrenkunde gezet. De vroegere starr' men voorzagen in hun levensonder- De komst van wetenschappelijke methodes houd door kudden dieren te hoeden. Deze bezigheid vereiste vooral 's nachts extra aanEen van de grootste geesten in de late dacht om de kudden tegen roofdieren te middeleeuwen was Gali'leo . Hij was de beschermen . Deze herders, die bij nacht in grondlegger van de wetenschappelijke aanhetveld lagen, hadden niets anders te doen pak van de astronomie. Met grote nieuwsdan hun schaapjes te tellen (de basis voor de gierigheid voerde hij experimenten uit met algebra). Vele uren van verveling werden hellende vlakken en bestudeerde de verdoorgebracht met het aanschouwen van de snelling van de zwaartekracht. Bovendien publiceerde hijde informatie, . als bijdrage sterren hemel .. Wat op viet was dat de sterrenhemel met tot de algemene kennis. de seizoenen veranderde . .Een nadere aanSinds de dag dat ~ij een nieywe schouwing leerde dat sommige van de Hollandse uitvinding -- de telescoop - in heldere lichtpunten zich aan dehemelboog handen kreeg, is alles veranderd. Toen hij verplaatsten. Deze zwervers werden plan- zijn telescoop op Jupiter richtte, nam hij vier manen waar die om deze planeet draaiden. eten genoemd. De seizoensveranderin- Foto I: gen aan de hemet werkten Karl Jansky, de grondlegger van de radio I t kl k f k I astronomie biJ zijn draaibare antenne a s een soo~ 0 0 a en- werkzaam op een golf1engte van 15 meter. der. Verschillende sterren- Bran: I. Kraus, Radio Astronomy beelden aan de hemet werden gebruikt als teken om de kudden naar hogere gronden te verplaatsen, of om zich op de koude winter voor te bereiden.. Toen men zich in latere tijden . meer ging vestigen op vaste plaatsen en het nomadenbestaan verruilde voor het uitoefenen van landbouw, werden de hemelposities gebruikt als indicator voor het zaaien en oogsten.
lJNTVERS[JM
4 - 2000
Zijn conclusie: n"iet alles draait om de aar{Je, z~als voorheen altijd was aangenomen! Toen hij naarde Zon keek achter wazige . wolken, zag hij ~dat deze bol niet zO perfect was als werd aangenomen, maar darer donkere vlekkeqoehet oppervlak zaten.;~i~ oak nog eensvan ' plaats veranderdenpa verloop van tijd.Ook dit publiceerde hij. De bestaande wetenschappelijke en religieuze orde was niet bereid de weg vrij te maken voor nieuwe kennis. Ten gevolge hiervan was Galileo niet populair onder zijn vrienden en collegals. Hij werd vervolgd en vermoord. Zijnqpyolgers CoperniClJsen Newton, die ,Jl·eb. 'L~ef) s.tuk minder moeUij~ hadden, werden" ook) n bepaalde kringen vervloekt.
gestoord werd dom natuurlijke ruis en dat deze ruis niet 'constant aanwezig was. DaarorTl werd e~n jonge natuurkundige, Karl G. Jansky, ophet probleem gezet. Hij . onderzocht het radiospectru'm op de 15, meter band me~. geopcJra(ht om deriS9trc ing, aard en d~ifrtensiteit van de ruis·i~ bepalen. Hij bouwde verschillende radip'" ontvangers voardat hij tevreden was over hun gevoeligheid. Hij bouwde ook een draaibare antenne die 360 graden kon draaien op een cirkelvormige baan met wielen van een T-Ford. (zie foto). In de loop van~.iJ~ werk had Jansky opg~merkt dat als degntenne-installatie op het zuiden was gericht, er een aanzienlijke toename van de ontvangen ruis geregistreerd werd. Aanvankelijk nam Jansky aan dat de thermische straling van de Zon de oorzaak Bijdragen van de optische sterrenkunde was. Na veel waarnemingen bleek dat de Toen de optische sterrenkunde op gang richting waaruit de ruis maximaal gemeten kwam na~'. ~.1 ¥erb~eldingskra~ht van .~: \Nerd, per dag4<~inuten in tijd ofvyel een nieuwsgierig~ .•,.yy. ag.rlJ~mer. s lenqHl} • .t0~' graad in ricntingyerschoven was . Hij . ~~'m:el ka~'r!~'r~i:C~?Beri~h·\ \~h\~~\'rh~({s.i j(te~2cil~d~erde toen:\;.t~re~ht . Qat deruisbiolJ .', een nieuwe,k ilkop betheelal. en zijn poSiti~ ' buiten ons zonn~stelsel ' moest liggen en hij daarin. De uitvinding van de fotografie . !lam aan dat de" bron in het centrum van maakte het mogelijk om het zwakste licht ons melkwegstelsel gelegen moest zijn. Karl zichtbaar te maken. De ontdekking van het Jansky publiceerde zijn ontdekking maar het spectrum van net licht maakte het mogelijk veroorzaakte totaal geen opschudding in de om temperatu n van sterren te bepalep':en fprmele wereld . Ook. . · vastte stel . .. zijrl >\Mel '. \\/ . ,',' ,.,°"1; ' -.\.:··, ·.·. ·..\' ,· ·sP ·-:;.:.-:;·:: -:;, men glng grootte van geometrische parallax-methode, Grote Reber Cepheiden-methode en de roodverschuiving-theorie was schatting van afstanden in In 1937 besloot een jonge technicus en het heelal mogelijk. Intussen zijn we in de radioamateur -- Grote Reber was zijn naam -- zelf op onderzoek uit te gaan. In Weatin, dertiger jaren van de vorige eeuw beland. Illinois bouwde hij verschillende radio-ontvangers tot hij resultaat begon te krijgen. De bakermat van de radio astronomie Tevens bouwde hij, hoofdzakelijk van hout, een parabolische schotelantenne met een Veel wetenschappelijke ontdekkingen diameter van 11 meter. (zie foto). Na een zijn per ongeluk gebeurd. Het was een lange waarneemperiode slaagde de heer dergelijke ontdekking die de radioas- Reber er in om een kaart van de radio hemel tronomie een start gaf. Rond 1930 onder- uit te geven, die verbazend nauwkeurig was zocht de Bell Telephone Company (de voar die dagen. Hoewel tegenwoordig het Amerikaanse KNP) methoden voor werk van Grote Reber als heel belangrijk radioverbindingen voor transatlantische beschouwd wardt, kreeg ook hij het slechts communicatie. Toentertijd kwam men tot met veel inspanning voar elkaar om zijn de ontdekking dat deze communicatie resultaten te publiceren in de tijdschriften
I.fNiVEi!fSiJM 4 - 2000
Foto 2 : Grote Reber, de gangmaker van de radio astronomie en zijn 10 meter spiegel. In de linker bovenhoek de eerste radiokaart van het heelal. Bran: J.Kraus, Radio Astronomy
l-
van de profession e optlS e astronomen. leek wei of de optisch-astronomische wereld nog niet klaar was om het belang van de ontdekking te accepteren, zelfs niet terwijl het een nieuw venster op het universum opende.
Radar en de Zon Karl Jansky's ruis observaties hadden voornamelijk betrekking op de ontdekking van galactische niet-thermische ruis. Hij was er niet in geslaagd om enige ruis van de zon te detecteren . Hij deed zijn waarnemingen namelijk in een periode van weinig zonneactiviteit. Ais het een periode van een zonnemaximum was geweest dan had hij vermoedelijk nooit de ruis uit het galactische centrum ontdekt, omdat die dan helemaal weg zou vallen in de waterval van zonneruis . De frequente uitbarstingen van een actieve zon nam echter dramatische proporties aan tijdens de tweede wereldoorlog. Gedurende deze periode werd het Britse radarsysteem ernstig gestoord. Aanvankelijk dacht men dat de Duitsers een of andere methode uitgedacht hadden om de radar te storen. Na verscheiden maanden van onderzoek bleek echter dat de zon, die erg actief was in zijn 11-jarige cyclus, de veroo rzaker was . Dit feit trok de nieuwsgierigheid van verscheidene radaringen ieurs, voo ral van hen die th uis waren in de (amateur-) sterrenkunde. Na de oo rlog bego nnen deze w etenschappers oud oorlogsmateriaal te verzamelen om hu n eig en radio-
on erzoe van et hee al mogelijk te maken . Om enkele notabele namen te noemen: J.S.Hey, Graham Smith en Bernard Lovell. Hun verzamelwoede van surplus materiaal omvatte niet aileen ontvangers en antennes, maar ook kanon-onderstellen om grote draaibaren antennesystemen mogelijk te maken. Met een geconfisqueerde Duitse installatie slaagde Graham Smith erin om de coordinaten van een krachtige radiobron in het sterrenbeeld Cygnus (Zwaan) te bepalen. Zijn werk was zo nauwkeurig dat hij Walter Baade van het Mount Palomar Observatorium er van kon overtuigen om visuele waarnemingen van de hemel van deze bron te doen . Het resultaat was de eerste visuele correlatie van een actief radiostelsel. Na de Zon is Cygnus A zoals deze radiobron wordt genoemd, de sterkste lo kale bron .
Van de Hulst Ewen en Purcell en de 21-cm waterstof lijn In de tweede helft va n de veertiger jaren nam de interesse in radioast ronomie in Amerika af. In Europa daa rentegen w as dat ni et het geval . Een aantal Nederland se w et enscha ppers was zeer geinteresseerd in deze ni euwe methode om het heelal te verkennen. In 1944 bepaa lde Hendrick van de Hulst van de Leid se Universiteit -op th eoretische grondendat er een fysisch m ech ani sm e moest bestaan voor de produktie van ee n radio spectraallijn op 21 cm golflengte (1 2 1 M Hz). Hij redeneerde dati ten gevolge van he rui me voorkomen van water-
stof in het heelal, deze radiostraling opgepikt zou kunnen worden met ontvangers. Helaas was de radiotechniek nog niet zo ver. Onmiddellijk begonnen Nederlandse radiotechnici aan de bouw van een ontvanger om na te gaan of deze spectraallijn werkelijk bestond. Zoals het zo vaak gaat, had den twee Amerikaanse wetenschappers ook van de voorspelling gehoord. De race om als eerste de theorie te bevestigen of af te wijzen was begonnen. De Nederlanders hadden pech met hun eerste ontvanger (en het land lag nog in puin, zo vlak na de oorlog) dus de twee onderzoekers van Harvard University waren de eersten om te bevestigen dat de spectraallijn van neutraal waterstof werkelijk bestaat. De ontdekking van deze spectraallijn was belangrijk. Het maakt, evenals in de optische sterrenkunde, roodverschuivingstechnieken mogelijk. Hiermee kunnen dus afstanden tot objecten worden berekend. Ewen en Purcell ontvingen de Nobelprijs voor deze historische ontdekking en voor het eerst begon de radioastronomie wetenschappelijk respect of te dwingen. In Nederland werd begonnen met het in kaart brengen van het hele melkwegstelsel en h.et bepalen van onze positie daarin. In Zen it van mei 2000 staat in een artikel van Hugo van Woerden over hoe de astronoom Jan Hendrik Oort begon onze melkweg in kaart te brengen, met gebruik van een 25-meter radiotelescoop,. Dit was niet mogelijk met aileen maar optische technieken vanwege onze positie in de schijf van het melkwegstelsel en de afscherming van licht door interstellaire stofwolken. Na de eerste stappen met de 25-meter Dwingeloo spiegel volgde in 1970 de Westerbork Synthese Radio Telescoop, die tot 1980 het machtigste instrument ter wereld zou zijn. De eerste radar moon-bounce Vlak na de oorlog slaagde Lt.Col. John De Witt en zijn medewerkers erin om radar-echo's naar de maan te detecteren. Dit was op zich historisch omdat het de eerste keer was dat de mens zelf signalen naar een buitenaards object zond en deze terug ontving. Wat belangrijker was, was dat uit deze observaties door wetenschappers bepaald kon worden dat het oppervlak van de maan vast genoeg is om er eventueel instrumenten, of zelfs een mens op neer te zetten.
Signalen van Jupiter In januari 1955 waren de heren Burke en Franklin in de 18 tot 28 MHZ band bezig met ontvangstexperimenten. Zij detecteerden af en ' toe ruis uit de richting van Jupiter. Zij namen contact op met Australische waarnemers, waarvan zij wisten dat die in dezelfde radioband experimenten deden. De anderen hadden inderdaad deze emissie ook waargenomen, maar had den er verder niet bij stil gestaan wat de bron van de ruis kon zijn.
Omdat Jupiter toch erg zwaar is, verwachtte men dat hij heet genoeg zou zijn om thermische straling uit te zenden, die het meest op hogere frequenties waargenomen wordt. Maar de sporadische Jupiter-straling komt voor op relatief lage frequenties! Toentertijd was er geen mechanisme bekend dat zou kunnen zorgen voor de produktie hiervan. Tegenwoordig neemt men aan dat de binnenste grote maan van Jupiter, 10, deze verschijnselen veroorzaakt. Het mechanisme achter de ruis zijn elektronen die in het krachtige magnetische veld van Jupiter spiraleren (z.g. synchrotron straling). De signalen van Jupiter zijn tamelijk sterk in de 18 tot 22 MHz band. Temperatuurbepaling De mogelijkheid om met radiotelescopen de absolute temperatuur van een bron te meten is een ander knap staaltje. Observaties in 1956 van de planeet Venus tonen dat haar oppervlak zo heet was dat lood erop zou smelten. Latere A
=--=-*-------------------------------------
LfNi\/ERSiJM 4 - 2000
)i~
ruimtesondes zouden dit bevestigen . In deze periode werden met de 330 meter Arecibo radiotelescoop (op Puerto Rico) de eerste radarbeelden van Venus geproduceerd.
Hewis, Ryle, Bell en de ontdekking van de eerste pulsar We komen nu in het jaar 1967 . In Cambridge, Engeland had Dr Anthony Hewis op het land van boeren in de omgeving een grote hoeveelheid dipoolantennes met reflectors mogen plaatsen. Het systeem was niet stuurbaar, maar langs elektronische weg met antenne-fasing-technieken kon toch enige richtinggevoeligheid bereikt worden. De beelden werden verzameld en geassembleerd volgens een methode die bekend staat als apertuur-systhese, een systeem dat ontwikkeld is door Dr Martin Ryle. Een jonge doctoraalstudente, Jocelyn Bell, assisteerdebij het in elkaar zetten van de telescoop . Ook deed zij waarnemingen. Op een avond viel het haar op dat er kleine piekjes op de papierrolschrijver verschenen . Deze waren strikt periodiek en zij dacht dat de bron van deze ruis van aardse oorsprong was. Geduldig waarnemen op de avonden erna toonde aan dat de bron in rechte klimming elke dag ongeveer een graad verschoof. Blijkbaar kwam de ruis uit de ruimte. Konden het bakens zijn? .. . Probeerden aliens contact van buitenaf te leggen? Ze waarschuwde onmiddellijk Dr Hewish . D~ observaties gingen rustig door en een tijdlang werd de term 'Little Green Men' (kleine groene mannetjes) · gebruikt. Ook werden in stilte andere radio-observatoria aangemoedigd om dezelfde coordinaten te beluisteren voor eventuele confirmatie. Intussen werd er naarstig gezocht in de wetenschappelijke literatuur om te kijken of er natuurlijke mechanismen waren die dergelijke pulsen konden produceren. Na een jaar van zoeken bleek dat J.Robert Oppenheimer had voorspeld dat een ster als resultaat van een supernova implosie in zo'n toestand zou kunnen komen, dat hij pulsen uit ging zenden. Volgens dit model is een ster, die zijn leven begon met een massa van meer dan 4 keer die van onze zon, instabiel. Ze verbruikt haar waterstofvoorraad enorm snel en put de voorraad uit in een paar miljoen jaar. Ais de verbranding eenmaal stopt zal zo'n ster door zij n eigen enorme zwaartekracht in een paar second en ineenstorten. Ais de massa zich stort op de hete thermonucleaire kern ontstaat er een schokgolf in tegengestelde richting, die ongeveer tweederde van de sterremassa de ruimte inschiet. Wat er over blijft is de kern, niet groter dan 20 km in diameter. Omdat de oorspronkelijke ster draaide om haar as, zal door het behoud van hoekmoment de kern zeer snel om zijn as draaien . (Dit kun je zelf uitproberen : ga maar eens op een draaibare stoel zitten en ga, metje armen uitgestrekt, hard ronddraaien . als je nu je armen intrekt , ga je opeens een
lfNlVEFfSiJM 4 - 2000
stuk sneller draaien.) Omdat de ster ook een magnetisch veld had, wordt verondersteld dat het veld toeneemt tot de vierde macht. We hebben dan een snel draaiend massief object dat nog heel heet is en met een krachtig magnetisch veld dat niet specifiek georienteerd is op de as van rotatie, ofwei een wiebelend draaiend magnetisch veld , dat als ze de over de aarde strijkt, een radiopuls produceert . Ondertussen heeft verder waarnemen uitgewezen dat het object waar de onderzoekers zo verbaasd over waren , rondd raaide en van kleine afmeting was. Hier hadden we de eerste pu lsar, een object dat zo compact is dat vergelij kenderwij s de hele mensheid in een druppeltje zou passen. De kracht bij de instorting is zo groot dat de vrije valentie elektro nen in de atoomkern geperst worden en het materi aa l elektrisch neutraal maken. Een andere naa m voor een pulsar is neutronenster. De dichtheid van een pulsar zit tussen die van een dwergster en een zw art gat.
Krabnevel en pulsar Een zeer sterke radi obron is de Krabnevel, het overblijfsel van een supernova, die al doo r de Chinezen in 1054 is ontdekt. In het hart van de nevel staat de kern van de oorspron kelijke ster, die zo'n 30 pu lsen per seconde uitzendt. Het w aren enkele jonge ast ronomiestudenten die jaren geleden op het idee kwamen om een fotocel en een oscilloscoop (een oscilloscoop is zo'n snel knipperende la mp die je in disco's w ei eens ziet) aan een optische telescoop te koppelen. Zij ontdekten toen dat de ster optisch op dezelfde manier pulseerde als het radiosignaal. Ook andere radiobro nnen werden later optisch geidentificeerd. Opgemerkt moet worden dat, hoewel de Krabnevel met betrekkelijk eenvoudige radioapparatu ur is waar te nemen, dat niet het geval is met pulsars. De det ectie ervan vereist zeer scherpe antenne resolutie om het signaal van de pulsar te scheid en van de achtergrondrUls.
--------------------~ .
De 3k achtergrondstraling Twee techn ici van de Bell Telephone System (dezelfde als die van de eerdergenoemde Jansky) , Robert Wilson en Arno Penzias, werkten met een gigantische microgolf hoornantenne ten behoefte van ruimtevaartcommunicatie. Zij zaten met een zwakke ruis in hun systeem, die niet uit een bepaalde richting kwam en die niet was te identificeren met enige radiobron . Het was blijkbaar overal in de hemel aanwezig . Ook het grondig reinigen van de antenne (er zat een duivennest in, bleek later) hielp niet. Informatie bij collega's bracht hen op het idee dat het wei eens het restant van de straling van de oerknal kon zijn, zoals Gamov al eerder op theoretische gronden had uitgerekend. Deze had bepaald dat de aanvangstemperatuur tijdens de oerknal lO'n 1032 Kelvin moest zijn . Na een uitspreiding over 15 miljard lichtjaar van het universum, zou de resttemperattuur 3 Kelvin moeten zijn . De onderzoekers had den een 'echo' van de oerknalontdekt! Deze ontdekking was een prettige bevestiging van de Big-Bang-theorie, die hiermee van theorie tot standaardmodel werd gepromoveerd. Penzias en Wilson ontvingen de Nobelprijs, Gamov een schouderklopje. Het werd als een van de grootste ontdekkingen van de radioastronomie beschouwd.
doo rzichtige conta iner met een gas laten schijnen. Het licht brengt na botsing de moleculen van het gas op een hoger energetisch niveau . Deze overmaat aan energie blijft echter maar kort van duur aanwezig; de moleculen vallen onmiddellijk terug naar hun oude energieniveau en het gas straalt energie uit in het microgolfspectrum. Deze straling wordt opgepikt door een antenne en wordt aan de ontvanger-uitgang gezien als een toename van signaal, als de ontvanger is afgestemd op de juiste golflengte. ( De uitgezonden golflengte voor ieder gas is te berekenen volgens de wetten der natuurkunde). Dit experiment vertaald naar de professionele radioastronom ie: verbindt deze radio-ontvanger met een gigantische schotelantenne, richt hem op een gaswolk met nieuwe sterren in wording, zie het intense licht van nieuw gevormde sterren als energiebron en het aanwezige gas als studieobject en daar is de overeenkomst met het laboratoriumex-~ periment. Op deze manier zijn er honderden moleculen, die in het heelal langs natuurlijke weg worden gevormd, aangetoond. Sommige ervan zijn de bouwstenen van aminozuren, die van vitaal belang zijn voor leven en andere organische moleculen. Door verbeterde ontvangsttechnieken worden er regelmatig nieuwe moleculen ontdekt.
Zoeken naar buitenaards intelligent leven Quasars Eerst ontdekt wegens hun grote radiostraling waren deze quasi-stellaire objecten jarenlang een mysterie. De optische spectra van deze objecten leken vreemd en moeilijk te identificeren met de bekende elementen op normale sterren. Uiteindelijk bleek dat alles van deze puzzel in elkaar paste als men er van uitging dat deze spectra een enorme roodverschuiving hebben ondergaan . Dit consequent doorrekenend plaatst deze objecten aan de grenzen van het heelal.
Radio astronomie en organische scheikunde Zonder twijfel is het belangrijkste werk in de rad ioastronomie van de laatste paar decennia het observeren van radio-spectraallijnen in het microgolfgebied geweest, vooral in gebieden waar nieuwe sterren gevormd worden . Vele van deze zogenaamde moleculaire spectraallijnen hebben een band met de organische scheikunde en tonen aan dat deze organische moleculen in groten getale aanwezig zijn in het heelal. Op aarde gevonden meteorietmateriaal bevestigt dit. Het betekent dat de basis voor het leven niet aileen op onze planeet aanwezig is, maar in het hele heelal! In een laboratoriumexperiment kan men een intense lichtbron door een
Er zijn al talloze pogingen ondernomen om buitete naards leven langs elektromagnetische weg zoeken . De resultaten tot nu toe zijn negatief. Toch zijn er talloze organisaties mee bezig. Of er iets uitkomt is de vraag . Uiteindelijk zenden wij aardlingen pas sinds 100 jaar elektromagnetische straling uit! Het SETI-werk, zoals dit genoemd wordt, zal toch blijven bestaan. Johan Cruyff (voetballer, geen astronoom) zei al: niet geschoten is altijd mis. Naast professionele instanties bestaat er ook een amateur organisatie, de SETI LEAGUE, die binnen tien jaar een wereldomvattend netwerk van 5000 kleine amateu robservatoria tot stand wil brengen, met de bedoeling om in aile richtingen continu te scannen en bij vermeend positief resultaat de grote telescopen in te schakelen.
Hier eindigt de opsomming van de ontdekkingen van de laatste tijd. Regelmatig worden er nieuwe wapenfeiten gemeld . Sia ZENIT er maar op na. In de volgende Un iVersum zal ik verder gaan op de volgende onderwerpen: basisprincipes van de radioastronomie en de mogelijkheden en onmogelijkheden van radioastronomie voor amateurs.
lJlVTlIERSUM 4 - 2000
