400 Jaar telescoop in de sterrenkunde



  • De voorgeschiedenis
      Vroeger werd gedacht dat de aarde het middelpunt was van het universum en dat alle hemellichamen daar omheen draaiden. Een begrijpelijk idee, omdat dit vanuit de aarde gezien ook zo leek en men geen besef had van de opbouw van de ruimte. Toch waren door waarneming met het blote oog de lussen bekend die de planeten beschrijven ten opzichte van de "vaste" sterren. In het jaar 137 kon Claudius Ptolemaeus met behulp van de epicykeltheorie een wiskundige beschrijving geven van een dergelijke beweging van een planeet. Helaas werd het geocentrische wereldbeeld, ontstaan op grond van een relatieve waarneming, tot een religieus dogma verheven. Gelukkig kwamen er wetenschappers die verder nadachten over de beschrijving van Ptolemaeus. Het leek niet erg aannemelijk dat planeten aan de hemel in het echt hun lussen konden beschrijven. Zij kwamen er al snel achter dat de lussen niet nodig waren, indien de zon wordt gekozen als centrum waar "alles" om draait, ook de aarde. Van de zon uit gezien worden de planeetbanen gewone cirkels (later: ellipsen). Het heliocentrische wereldbeeld was geboren en in 1543 door Nicolaus Copernicus gepubliceerd. Geen van beide visies was in principe fout, maar in het laatste geval, waarbij de zon als centrum van rotatie werd gekozen, ontstond wel een meer logische verklaring voor de planeetbewegingen. De kerk bleef grote moeite houden met de nieuwe benadering en strafte iedere katholiek die zich hier hard voor maakte met opsluiting of brandstapel.
  • Middelburg
      In de tweede helft van het jaar 1608 werd door Hans Lipperhey, brillenmaker te Middelburg, patent aangevraagd voor een instrument waarmee vergrote afbeeldingen konden worden gezien van ver verwijderde voorwerpen, de telescoop. Ook Sacharias Jansen uit Middelburg en Jacob Metius uit Alkmaar maakten aanspraak op deze ontdekking, reden waarom het patent niet werd verleend. Het verhaal wil dat kinderen met lensjes zaten te spelen en zo ontdekten dat de haan van de toren er door beide lensjes op afstand gezien groter uitzag. Lipperhey monteerde de lensjes in een buis en de telescoop was geboren. Daar het instrument gemakkelijk was (na) te maken verspreidde het zich snel over Europa.
  • Johannes Keppler (1571 - 1630)
      Johannes Kepler was protestant en hield zich ook bezig met de bewegingen van de planeten. Van Tycho Brahe kreeg hij een groot aantal positiewaarnemingen van de planeet Mars, die hij verwerkte tot een nauwkeurige beschrijving van de baan, eveneens rond de zon. In zijn boek "Astronomia Nova" dat in 1609 verscheen beschreef hij zijn eerste beide wetten van de planeetbeweging:



      Later, in 1619, volgde de derde wet die aangeeft dat de verhouding van het kwadraat van de halve lange as van de ellipsbaan tot de derde macht van de omloopstijd een constante waarde heeft. De wetten van Kepler hebben uiteindelijk geleid tot de gravitatietheorie van Newton en de relativiteitstheorie van Einstein.


  • Galileo Gallilei (1564 - 1642)
      Al snel na de ontdekking van de telescoop werd deze al nagemaakt door de natuurkundige Galileo Galilei in ItaliŽ. Hij gebruikte vanaf 1609 als eerste het instrument om de objecten aan de hemel te bestuderen. Zo ontdekte hij de kraters, bergen en zeeŽn op de maan, gaf hij een verklaring voor het asgrauwe schijnsel van de maan, zag hij de planeten als schijfjes en afzonderlijke sterren in de Melkweg. Verder ontdekte Galilei de vier grootste manen van Jupiter: Io, Europa, Ganymedes, Callisto en kon hij aantonen dat ook Jupiter een centrum van rotatie kon zijn. Ook zag hij Saturnus drievoudig, de schijngestalten van Venus en werden de zonnevlekken ontdekt (Scheiner, Simon Marius, Fabricius, e.a claimden overigens dezelfde ontdekking). Galilei zag de rotatieas van de zon scheef staan en deed zelfs, zonder dat hij het wist, een waarneming aan de nog niet ontdekte planeet Neptunus. Al met al kon het heliocentrische wereldbeeld volledig door de waarnemingen van Galilei worden bevestigd. Voor straf kreeg Galilei huisarrest opgelegd gedurende de laatste tien jaar van zijn leven. Rehabilitatie door de katholieke kerk volgde eerst in 1992! De gebeurtenissen in 1609 en de grote impuls voor de wetenschap die daarvan uitging waren de aanleiding voor de UNESCO om het jaar 2009 uit te roepen tot het Internationale Jaar van de Astronomie.
  • Verdere ontwikkelingen in het zonnestelsel
      Na de successen van Galilei met de toch relatief eenvoudige telescoop ontstonden steeds grotere en betere sterrenkijkers, waarmee de ene na de andere ontdekking werd gedaan. Zo kon Christiaan Huygens in 1655 een juiste interpretatie geven van het ringenstelsel van Saturnus en ontdekte hij bij deze planeet de grootste maan Titan. Twintig jaar later beschreef Cassini de scheiding in de ring van Saturnus en had Newton de spiegeltelescoop ontwikkeld die tegenwoordig zelfs heel goed door amateurs gemaakt kan worden. Edmund Halley, directeur van het Greenwich Observatory voorspelde in 1705 de terugkeer van een komeet in 1758. De voorspelling kwam uit en de komeet kreeg zijn naam.

      In 1768 werd de wereld verrijkt met de Regel van Titius-Bode, een eenvoudige formule waarin een verband wordt weergegeven tussen het positienummer van een planeet en de afstand tot de zon. Voor de destijds bekende planeten Mercurius tot en met Saturnus klopte de regel heel mooi, mits er tussen Mars en Jupiter een nummer (5) werd overgeslagen. De in 1781 door William Herschel ontdekte planeet Uranus voldeed perfect aan de regel van Titius-Bode en was een bevestiging van de juistheid ervan. Om de "missing planet" (5) op te sporen werd door onder andere Olbers (Bremen) de eerste astronomische organisatie opgericht van Europese sterrenkundigen die de opdracht kregen om in de Dierenriem naar het ontbrekende object te gaan zoeken met hun grote telescopen. Vanaf 1800 tot heden bleken er honderdduizenden kleine objecten (planetoÔden) in banen rond de zon te draaien met een gemiddelde afstand die overeenkomt met de positie van het "gat" in de regel van Titius-Bode. Een tweede bevestiging dus. De afstand tot de zon van de in 1846 ontdekte planeet Neptunus bleek iets te klein voor bovengenoemde regel, maar het in 1930 door Tombaugh ontdekte object Pluto zat weer op de perfecte positie. Vanaf de jaren negentig van de vorige eeuw bleek dat er zich behalve Pluto op gemiddeld de zelfde afstand tot de zon nog tientallen andere objecten bevonden. Weer een gordel van kleinere objecten (ijsdwergen), waar misschien oorspronkelijk ook Neptunus deel van uitmaakte. Dit is echter nog niet alles. Ook rond de volgende positie in de regel van Titius-Bode blijken zich nog vele ijsdwergen te bevinden. Nog steeds worden er nieuwe ontdekt. De dubbele gordel buiten de baan van Uranus wordt naar de Nederlandse astronoom G.P. Kuiper de Kuipergordel genoemd. Neptunus en Pluto maken daar ook deel van uit. Of in andere zonnestelsels ook een dergelijke regel van Titius-Bode geldt en of deze regel ooit nog eens bewezen zal worden, is de grote vraag.


  • Sterren en sterrenstelsels
      Dankzij de uitvinding van de telescoop werden door onder andere Galileo Galilei in 1609 de zonnevlekken ontdekt en daarmee de rotatie van de zon zelf en de scheve stand van de rotatieas ten opzichte van het baanvlak van de aarde. De zon is een ster zoals de sterren die met het blote oog aan de hemel te zien zijn en ook de sterren in de Melkweg. Het was weer Galilei die met behulp van de telescoop kon zien dat de lichte band van de Melkweg uit afzonderlijke sterren bestaat. In vergelijking met de aarde is de zon enorm groot en heet. Er passen 1,3 miljoen aardbolletjes in de zon en de temperatuur aan het oppervlak bedraagt 6000 graden. Systematische waarneming van de zonnevlekken leidde in 1843 tot de ontdekking van de 11-jarige cyclus door Schwabe. Gecombineerd met de magnetische eigenschappen van de zon kan beter worden gesproken van een 22-jarige cyclus.



      Uit het spectrum van de zon kunnen de oppervlaktetemperatuur en de samenstelling van de fotosfeer worden afgeleid. De in 1814 door Fraunhofer verklaarde absorptielijnen en de verschuivingswet van Wien van 1896 zijn daarbij belangrijke hulpmiddelen. De zon zendt continu een stroom geladen deeltjes de ruimte in. Deze zonnewind oefent invloed uit op het magnetische veld van de aarde. In tijden van grotere activiteit van zonnevlekken is de zonnewind onrustig en aanleiding tot het ontstaan van poollicht op lagere breedtes. De energie van de zon wordt hoofdzakelijk opgewekt door de fusie van vier kernen van waterstof-atomen tot een kern van een heliumatoom. De massa die daarbij verloren gaat wordt volgens de formule van Einstein (E=mc2) omgezet in energie. Gedurende haar totale levensduur (10 miljard jaar) verliest de zon 0,006% van de totale massa.

      Vanaf 1838 werden de afstanden tot nabije sterren gemeten door middel van de parallax methode (Bessel). Een belangrijke stap in het onderzoek van de sterren kon daarna worden gezet door Hertzsprung en Russell in 1910. Zij plaatsten de sterren in een diagram waar de temperatuur werd uitgezet tegen de eigen helderheid van de ster. Het bleek dat verreweg het grootste deel van de sterren inclusief de zon, zich bevond op een diagonale lijn in het diagram, de hoofdreeks. Verder zijn de posities weergegeven van de rode reuzen, witte dwergen, etc. Het Hertzsprung-Russell-diagram is zeer geschikt om de levensloop van sterren aan te geven. Over vijf miljard jaar eindigt de zon via de uitstoot van een planetaire nevel als een witte dwerg.

      Het onderzoek aan melkwegstelsels kreeg in 1944 een enorme impuls door de bewering van Van de Hulst dat een waterstofatoom straling kan uitzenden met een golflengte van 21 cm. Zijn promotor, professor Oort, kwam met het plan om een radiotelescoop te bouwen die de straling van deze golflengte kon opvangen en verwerken. Op 17 april 1956 werd de eerste radiotelescoop geopend bij Dwingeloo. In 1970 kwam er een reeks van dergelijke telescopen te staan in de boswachterij Hooghalen bij Westerbork. Structuur en rotatie van het melkwegstelsel kon nu worden bepaald, evenals de positie van de zon daarin. Uit de gemeten rotatiesnelheid bleek dat er meer materie in het stelsel aanwezig moest zijn dan er te zien was.

      In 1929 werd de uitdijing van het heelal, bestaande uit talloze melkwegstelsels, gevonden door Hubble. De roodverschuiving door het Doppler-effect was een maat voor de snelheid. Met behulp van CepheÔden vond men ook de afstanden en Hubble vond een lineair verband tussen de snelheden en de afstanden van de zich van elkaar verwijderende sterrenstelsels. Door terug te denken in de tijd kwam het idee van de big bang op de proppen die dan zo'n 13,7 miljard jaar geleden zou hebben moeten plaatsvinden. De kleinste deeltjes die daarbij ontstonden worden onder andere bestudeerd bij CERN te GenŤve. In het universum moet veel meer materie zijn dan kan worden gezien (donkere materie) en eveneens veel meer (donkere) energie om de versnelde uitdijing te kunnen verklaren. Er valt nog veel te onderzoeken !!

  • (W.T. Zanstra)