Frontiers for Young Minds

Als je ’s nachts naar de hemel kijkt, zie je de heldere lichten van sterren. Als je op een donkere plek woont, ver van de steden, kun je er duizenden zien. Maar de afzonderlijke stippen die je ziet, zijn allemaal nabije sterren. Alleen al in ons melkwegstelsel, dat de Melkweg wordt genoemd, bevinden zich nog eens 100 miljard sterren. Astronomen denken dat er buiten de Melkweg nog 100 miljard andere sterrenstelsels bestaan (elk met hun eigen 100 miljard sterren). Bijna al deze sterren zijn onzichtbaar voor jouw ogen, die het zwakke licht van verre sterren niet kunnen zien. Je ogen missen ook andere dingen. Het zichtbare licht dat je ogen kunnen zien is maar een heel klein deel van wat astronomen het “elektromagnetische spectrum” noemen, het hele scala van verschillende lichtgolven dat er bestaat. Het elektromagnetisch spectrum omvat ook gammastralen, röntgenstralen, ultraviolette straling, infrarode straling, microgolven en radiogolven. Omdat menselijke ogen alleen zichtbaar licht kunnen zien, moeten we speciale telescopen bouwen om de rest van dat “spectrum” op te pikken – en die dan om te zetten in foto’s en grafieken die we kunnen zien.

Wat is een radiogolf?

Licht bestaat uit piepkleine deeltjes die “fotonen” worden genoemd. Fotonen in zichtbaar licht hebben een gemiddelde hoeveelheid energie. Als fotonen iets meer energie hebben, worden ze ultraviolette straling, die je niet kunt zien, maar waar je wel zonnebrand van kunt krijgen. Als ze meer energie hebben, worden fotonen röntgenstraling, die dwars door je heen gaat. Als fotonen nog meer energie hebben, worden het gammastralen, die uit sterren komen als ze exploderen.

Maar als fotonen iets minder energie hebben dan zichtbaar-licht-fotonen, worden ze infrarode straling genoemd. Je kunt ze voelen als warmte. Tenslotte noemen we de fotonen met de minste energie “radiogolven”. Radiogolven komen van vreemde plekken in de ruimte – de koudste en oudste plekken en de sterren met de meeste materie in een kleine ruimte gepropt. Radiogolven vertellen ons over delen van het heelal waarvan we niet eens zouden weten dat ze bestonden als we alleen onze ogen gebruikten of telescopen die zichtbare fotonen zien.

Golflengte en frequentie

Radioastronomen gebruiken deze radiofotonen om meer te weten te komen over het onzichtbare heelal. Fotonen reizen in golven, alsof ze in een achtbaan zitten die steeds dezelfde twee stukken rails gebruikt. De grootte van de golf van een foton – de golflengte – vertelt je iets over de energie. Figuur 1 toont golven met twee verschillende golflengtes. Als de golf lang is, heeft hij niet veel energie; als hij kort is, heeft hij veel energie. Radiogolven hebben niet veel energie, en dat betekent dat ze zich verplaatsen in grote golven met een lange golflengte. Radiogolven kunnen een doorsnede hebben van honderden meters of slechts enkele centimeters.

Astronomen hebben het ook over het aantal van deze golven dat elke seconde een bepaalde plaats passeert – de “frequentie” van de radiogolf. Je kunt aan frequentie denken door je een vijver met water voor te stellen. Als je een steen in het water gooit, gaan er rimpelingen over de vijver. Als je in het water staat, slaan de golven tegen je enkels. Het aantal golven dat in één seconde op je inslaat, geeft de frequentie van de golven aan. Eén golf per seconde noemen we 1 Hertz. Een miljoen golven per seconde is 1 MHz. Als de golven lang zijn, raken er minder je per seconde, dus hebben lange golven een kleinere frequentie. Radiogolven hebben een lange golflengte en een kleine frequentie.

Radio Pioniers

De eerste radioastronoom wilde niet de eerste radioastronoom zijn. In 1933 werkte een man genaamd Karl Jansky aan een project voor Bell Laboratories, een laboratorium in New Jersey genoemd naar Alexander Graham Bell, de uitvinder van de telefoon. Ingenieurs daar ontwikkelden het eerste telefoonsysteem dat over de Atlantische Oceaan werkte. Toen mensen voor het eerst via dat systeem probeerden te telefoneren, hoorden zij op bepaalde momenten van de dag een sissend geluid op de achtergrond. Bell Labs vond dat geluid slecht voor de zaken, dus stuurden ze Karl Jansky om uit te zoeken wat de oorzaak was. Hij merkte al snel dat het gesis begon wanneer het midden van ons melkwegstelsel aan de hemel opkwam en eindigde wanneer het onderging (alles aan de hemel komt op en gaat onder, net als de Zon en de Maan). Hij kwam erachter dat radiogolven uit het midden van het melkwegstelsel de telefoonverbinding in de war stuurden en het gesis veroorzaakten. Hij – en de telefoon – hadden radiogolven uit de ruimte gedetecteerd. Jansky opende een nieuw, onzichtbaar universum. Een foto van de antenne die Karl Jansky gebruikte om radiogolven uit de ruimte te detecteren, is te zien in Figuur 2.

Geïnspireerd door het onderzoek van Janksy bouwde Grote Reber een radiotelescoop in zijn achtertuin in Illinois. Hij voltooide de telescoop in 1937 en gebruikte hem om de hele hemel te bekijken en te zien waar radiogolven vandaan kwamen. Met de gegevens die hij met zijn radiotelescoop verzamelde, maakte hij de eerste kaart van de “radiohemel”.

Radio Telescope Talk

Je kunt zichtbaar licht zien omdat de fotonen van zichtbaar licht in kleine golven reizen, en je oog is klein. Maar omdat radiogolven groot zijn, zou je oog groot moeten zijn om ze te kunnen waarnemen. Dus terwijl gewone telescopen maar een paar centimeter groot zijn, zijn radiotelescopen veel groter. De Green Bank Telescope in West Virginia is meer dan 300 ft breed en is te zien in figuur 3. De Arecibo-telescoop in de jungle van Puerto Rico heeft een diameter van bijna 1.000 voet. Ze zien eruit als gigantische satellietschotelantennes, maar ze werken als gewone telescopen.

Om een gewone telescoop te gebruiken, richt je hem op een object in de ruimte. Het licht van dat object valt dan op een spiegel of lens, die dat licht weerkaatst naar een andere spiegel of lens, die het licht weer weerkaatst en naar uw oog of een camera stuurt.

Als een astronoom een radiotelescoop op iets in de ruimte richt, komen de radiogolven uit de ruimte op het oppervlak van de telescoop terecht. Het oppervlak – dat metaal kan zijn met gaatjes erin, gaas genaamd, of massief metaal, zoals aluminium – werkt als een spiegel voor radiogolven. Hij kaatst ze naar een tweede “radiospiegel”, die ze vervolgens naar wat astronomen een “ontvanger” noemen kaatst. De ontvanger doet wat een camera doet: hij zet de radiogolven om in een foto. Dit plaatje laat zien hoe sterk de radiogolven zijn en waar ze vandaan komen aan de hemel.

Radiovisie

Wanneer astronomen naar radiogolven zoeken, zien ze andere objecten en gebeurtenissen dan wanneer ze naar zichtbaar licht kijken. Plaatsen die donker lijken voor onze ogen, of voor gewone telescopen, branden helder in radiogolven. Plaatsen waar sterren worden gevormd, bijvoorbeeld, zitten vol met stof. Dat stof verhindert dat het licht tot ons doordringt, zodat het hele gebied er als een zwarte klodder uitziet. Maar als astronomen hun radiotelescopen op die plek richten, kunnen ze dwars door het stof heen kijken: ze zien een ster geboren worden.

Sterren worden geboren in reusachtige gaswolken in de ruimte. Eerst klontert dat gas samen. Dan wordt door de zwaartekracht steeds meer gas aangetrokken tot de klomp. De klomp wordt groter en groter en heter en heter. Als hij groot en heet genoeg is, begint hij waterstofatomen, de kleinste atomen die er bestaan, tegen elkaar te laten botsen. Wanneer waterstofatomen tegen elkaar botsen, maken ze helium, een iets groter atoom. Dan wordt deze gasklomp een officiële ster. Radiotelescopen maken foto’s van deze babysterren.

Radiotelescopen tonen ook de geheimen van de dichtstbijzijnde ster. Het licht dat we van de zon zien, komt van dichtbij het oppervlak, dat ongeveer 9000oF is. Maar boven het oppervlak bereikt de temperatuur 100.000oF. Radiotelescopen helpen ons meer te weten te komen over deze hete delen, die radiogolven uitzenden.

De planeten in ons zonnestelsel hebben ook radiopersoonlijkheden. Radiotelescopen tonen ons de gassen die rond Uranus en Neptunus wervelen en hoe ze zich verplaatsen. De noord- en zuidpool van Jupiter lichten op in radiogolven. Als we radiogolven naar Mercurius sturen, en dan de radiogolven die terugkaatsen met een radiotelescoop opvangen, kunnen we een kaart maken die bijna net zo goed is als Google Earth.

Wanneer ze veel verder weg kijken, laten radiotelescopen ons enkele van de vreemdste objecten in het heelal zien. De meeste sterrenstelsels hebben superzware zwarte gaten in hun centrum. Zwarte gaten zijn objecten die veel massa hebben, samengeperst in een heel kleine ruimte. Door deze massa hebben ze zoveel zwaartekracht dat niets, zelfs licht niet, aan hun aantrekkingskracht kan ontsnappen. Deze zwarte gaten slokken sterren, gas en al het andere dat te dichtbij komt op. Wanneer dat ongelukkige spul de zwaartekracht van het zwarte gat voelt, draait het eerst in een spiraal om het zwarte gat heen. Naarmate het dichterbij komt, gaat het sneller en sneller. Enorme stralen, of kolommen, van elektromagnetische straling en materie die het zwarte gat niet haalt (soms groter dan een heel melkwegstelsel breed is) vormen zich boven en onder het zwarte gat. Radiotelescopen tonen deze stralen in actie (Figuur 4).

Massieve objecten zoals deze zwarte gaten trekken het weefsel van de ruimte, de zogenaamde ruimtetijd, krom. Stel je voor dat je een bowlingbal, die veel weegt, op een trampoline legt. De trampoline zakt naar beneden. Gewichtige dingen in de ruimte laten de ruimtetijd net als de trampoline doorzakken. Wanneer radiogolven van verre sterrenstelsels over die doorbuiging naar de aarde reizen, werkt de vorm net als de vorm van een vergrootglas op aarde: telescopen zien dan een groter, helderder beeld van het verre sterrenstelsel.

Radiotelescopen helpen ook om een van de grootste mysteries in het heelal op te lossen: Wat is donkere energie? Het heelal wordt elke seconde groter. En het wordt elke seconde sneller en sneller groter omdat ‘donkere energie’ het tegenovergestelde van zwaartekracht is: In plaats van alles samen te trekken, duwt het alles verder uit elkaar. Maar hoe sterk is donkere energie? Radiotelescopen kunnen wetenschappers helpen deze vraag te beantwoorden door te kijken naar “megamasers” die van nature in sommige delen van de ruimte voorkomen. Een megamaser is zoiets als een laser op aarde, maar zendt radiogolven uit in plaats van het rode of groene licht dat wij kunnen zien. Wetenschappers kunnen megamasers gebruiken om de details van donkere energie vast te stellen. Als wetenschappers kunnen achterhalen hoe ver weg die megamasers staan, kunnen ze zien hoe ver verschillende sterrenstelsels van ons af staan, en dan kunnen ze achterhalen hoe snel die sterrenstelsels van ons vandaan gaan.

Een volledige gereedschapskist

Als we alleen telescopen hadden die zichtbaar licht oppikten, zouden we veel van de actie in het heelal missen. Stel je voor dat artsen alleen een stethoscoop als gereedschap hadden. Ze zouden veel te weten kunnen komen over de hartslag van de patiënt. Maar ze zouden nog veel meer te weten kunnen komen als ze ook een röntgenapparaat, een sonogram, een MRI-instrument en een CT-scanner hadden. Met die instrumenten zouden ze een completer beeld kunnen krijgen van wat er in het lichaam van de patiënt gebeurt. Astronomen gebruiken radiotelescopen samen met ultraviolet-, infrarood-, optische, röntgen- en gammastraaltelescopen om dezelfde reden: om een volledig beeld te krijgen van wat er in het heelal gebeurt.

Glossary

Electromagnetisch spectrum: Het zichtbare licht dat wij kunnen zien is maar een heel klein deel van het “elektromagnetische spectrum”. Zichtbaar licht bestaat uit fotonen met een gemiddelde energie. Fotonen met meer energie zijn ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastralen (gammastralen hebben de meeste energie). Fotonen met minder energie zijn infrarood en radiogolven (radiogolven hebben de minste energie).

Photon: Licht bestaat uit deeltjes, fotonen genaamd, die zich in golven voortbewegen.

Golflengte: De grootte van de golf waarin een foton reist.

Frequentie: Het aantal lichtgolven dat in één seconde een plek passeert.

Hertz: 1 Hz betekent dat één golf in één seconde een plek passeert. Eén megahertz betekent dat er elke seconde één miljoen golven voorbijkomen.

Ontvanger: Het deel van een radiotelescoop dat de radiogolven opneemt en er een beeld van maakt.

Donkere energie: Donkere energie werkt als het tegenovergestelde van zwaartekracht en duwt alles in het heelal verder uit elkaar.

Megamaser: Een natuurlijke laser in de ruimte die radiogolven uitzendt, in plaats van rood of groen licht zoals dat uit een laserpointer komt.

Jansky, K. G. 1993. Radiogolven van buiten het zonnestelsel. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0

Reber, G. 1944. Kosmische statische elektriciteit. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668

McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. Theorie van stervorming. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565-687. doi: 10.1146/annurev.astro.45.051806.110602

Ostro, S. J. 1993. Planetaire radarastronomie. Rev. Mod. Phys. 65, 1235-79. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235

Henkel, C., Braatz, J. A., Reid, M. J., Condon, J. J., Lo, K. Y., Impellizzeri, C. M. V., et al. 2012. Kosmologie en de Hubble-constante: over het megamaser-kosmologieproject (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi: 10.1017/S1743921312007223