Je leest:

Aloha heelal

Aloha heelal

Auteur: | 1 juli 2002

De trilling van de weinige lucht die er is, weten ze op de sterrenwacht van Mauna Kea, Hawaï, ook nog weg te werken. Nergens is het heelal zo zichtbaar als hier.

De Gemini-telescoop is één van de nieuwste aanwinsten van de Mauna Kea-sterrenwacht op Hawaï. Mauna Kea is net iets hoger dan Mauna Loa en de Gemini-telescoop staat vlakbij de eigenlijke top. De bovenkant van het telescoopgebouw is het hoogste punt in de Stille Oceaan, ruim 4200 meter boven zeeniveau. Op ruim vier kilometer hoogte is de dampkring veertig procent ijler dan op zeeniveau.

Sterrenkundig paradijs

De rit naar de top gaat over een steile, grotendeels onverharde weg die zich in grillige lussen door een veelkleurig maanlandschap slingert. Op deze hoogte groeit niets meer. De kale rotsen, rode zandvlaktes en met stenen bezaaide hellingen ogen dreigend en ongenaakbaar. Dan verschijnen plotseling de twee kolossale witte koepels van de Keck-telescopen in beeld, de grootste telescopen ter wereld. Daarnaast de witte cilinder die de Japanse Subaru-telescoop herbergt. Op de voorgrond kleine en grote schotelantennes, die microgolfstraling uit het heelal opvangen. Verderop een paar telescopen van de Universiteit van Hawaï. Een infraroodtelescoop van de Amerikaanse NASA, in een zilverglimmende koepel. De gigantische behuizing van de Canada-France-Hawaï Telescope, ooit de grootste op Mauna Kea. En daarnaast de futuristisch ogende koepel van de Gemini-telescoop. We rijden een sterrenkundig paradijs binnen.

De sterren-wacht van Mauna Kea. Bron: University of Hawaii, Insitute for Astronomy

Beide sterrenhemels

Slecht weer is natuurlijk een uitzondering. De Mauna Kea, een rustende vulkaan – vierduizend jaar geleden voor het laatst actief – steekt normaal gesproken boven de wolken uit. De lucht boven de bergtop is niet alleen ijl, maar ook schoon en zeer stabiel. Ideaal voor sterrenkundige waarnemingen, die immers verstoord worden door trillende lucht. Geen wonder dus dat Mauna Kea de grootste concentratie reuzentelescopen ter wereld te vinden is.

Gemini is een telescoop met een spiegelmiddellijn van 8,2 meter. Ruim vijftig vierkante meter supergepolijst glas, voorzien van een dunne reflecterende coating van zilver. De internationale partners van het Gemini-project hopen op die manier zowel de noordelijke als de zuidelijke sterrenhemel te kunnen bestuderen met precies dezelfde apparatuur – een belangrijke vereiste voor vergelijkend onderzoek.

Meer details

De Keck 2-telescoop heeft een spiegelmiddellijn van tien meter. Ook bij Keck wordt het onderste uit de kan gehaald wat gezichtsscherpte betreft. Het is nog geen vierhonderd jaar geleden dat Galileo Galilei zijn eerste zelfgebouwde kijkertje op de sterrenhemel richtte. Sindsdien zijn astronomen voortdurend in de weer geweest om grotere en betere telescopen te bouwen. Hoe groter de lens of spiegel van een telescoop, des te meer licht vangt hij op. Een grote telescoop kan dus zwakkere objecten zien dan een kleine en dringt verder door in het heelal. Maar gevoeligheid alleen is niet genoeg. Sterrenkundigen willen niet alleen meer zien, ze willen ook scherper zien. Hoe meer details, hoe liever. En in principe levert een grote telescoop ook een grotere gezichtsscherpte op.

Maar de aardse dampkring gooit roet in het eten. Zelfs op een ideale locatie als Mauna Kea wordt het beeld verstoord door luchttrillingen en turbulentie. Elk lichtpuntje wordt daardoor uitgesmeerd tot een klein vlekje, waarmee de fijnere details verloren gaan. Het gevolg is dat een reuzentelescoop in de praktijk niet veel scherper ziet dan een amateurtelescoop met een spiegelmiddellijn van dertig centimeter. Zwakkere objecten, dat wel, maar niet meer detail.

Onttrild

Met adaptieve optiek (AO) worden de luchttrillingen gecompenseerd en presteert de telescoop even goed als wanneer hij zich in een baan om de aarde zou bevinden, hoog boven de dampkring. En omdat de Gemini-telescoop veel groter is dan de Hubble Space Telescope, produceert hij dankzij de magische AO-techniek ook veel scherpere beelden.

Het principe is eenvoudig. Je meet de luchttrillingen – minstens honderd keer per seconde – en je corrigeert de waarnemingen online. Het beeld van de kosmos wordt als het ware ‘onttrild’. Het is alsof de berichten uit het heelal gescrambled aankomen, maar als je precies weet hoe dat scramblen in zijn werk is gegaan, kun je een decoder gebruiken om ze weer te herstellen.

Om de luchttrillingen in kaart te brengen, wordt een vrij heldere ster in het beeldveld van de telescoop bekeken. Zo’n extreem verre lichtbron hoort een ‘vlak golffront’ op te leveren: golftoppen en -dalen komen precies tegelijk aan en de binnenvallende lichtstralen zijn volmaakt evenwijdig. Door de luchttrillingen wordt het golffront echter vervormd. Met een golffrontsensor wordt die vervorming nauwkeurig opgemeten. De informatie wordt door een snelle computer binnen een fractie van een seconde doorgespeeld aan een kleine, vervormbare spiegel. Met behulp van piëzo-elektrische kristallen wordt het oppervlak van die ‘flexibele spiegel’ een klein beetje vervormd, zodat als het ware een ‘negatief’ van het mismaakte golffront ontstaat. Wanneer de waarnemingen van de telescoop nu via deze flexibele spiegel worden geleid, worden de luchtrillingen precies opgeheven.

De praktijk is natuurlijk weerbarstiger dan de theorie. De AO-apparatuur die achter de Keck-telescoop staat opgesteld neemt een kleine kamer in beslag. Precisietafels met lenzen en spiegels, rekken met elektronica, een klimaatbeheerssysteem – hier wordt op de nanometer gewerkt en worden alle meetgegevens meer dan honderd keer per seconde ververst. Maar de resultaten zijn er dan ook naar: zowel Gemini als Keck heeft de afgelopen maanden onvoorstelbaar gedetailleerde beelden opgeleverd van planeten en planetoïden in ons eigen zonnestelsel, van dubbelsterren en sterrenhopen en van ver verwijderde sterrenstelsels. Eindelijk halen ze hun theoretische gezichtsscherpte.

Volgster

Probleem is wel dat je voor adaptieve optiek een relatief heldere ‘volgster’ moet hebben: van een zwak sterretje kan het golffront niet nauwkeurig opgemeten worden. En heldere sterren zijn dun bezaaid aan de hemel, zodat grote gebieden van het firmament onbereikbaar zouden blijven voor de AO-telescopen. Ook daar is iets op gevonden. Met een superkrachtige laser wordt een kunstmatige volgster gecreëerd op tachtig kilometer hoogte in de dampkring. Op die hoogte bevindt zich een vrij dunne laag natriumatomen, die met een laserstraal tot gloeien kunnen worden gebracht. Zo’n kunstster kun je zetten waar je hem nodig hebt, zodat nu praktisch de gehele sterrenhemel wordt ontsloten voor adaptieve optiek.

Volgende stap

De adaptieve optiek staat nog steeds in de kinderschoenen en wordt zeker nog niet standaard toegepast. De sterrenkundige werken inmiddels aan een volgende revolutionaire stap in de jacht op scherpe beelden. De tweelingkoepels van de Keck-telescopen vormen in feite het beeldmerk van die volgende stap: optische interferometrie.

De identieke telescopen staan op een kleine honderd meter van elkaar vandaan. Het is mogelijk ze op hetzelfde hemellichaam te richten en de opgevangen lichtstralen ‘in fase’ bij elkaar op te tellen, zodat de golftoppen en golfdalen precies samenvallen. Zo kan een beeldscherpte bereikt worden die normaal gesproken alleen is weggelegd voor een kolossale 100-metertelescoop. De twee Keck-telescopen fungeren dan eigenlijk als twee kleine stukjes van een denkbeeldige supertelescoop. Natuurlijk hebben ze niet het lichtverzamelend vermogen van een 100-metertelescoop, maar ze zien wel vele tientallen malen zo scherp als de Hubble Space Telescope.

Interferometrie is een techniek die in de radiosterrenkunde al lange tijd in gebruik is. De veertien schotelantennes van de radiotelescoop in Westerbork werken bijvoorbeeld samen via dit principe. Op kortere golflengten – infrarood en zichtbaar licht – is deze techniek echter veel moeilijker toe te passen, doordat er een veel hogere precisie nodig is voor het in fase bijeenbrengen van de verschillende lichtstralen.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 4 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juli 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.