Herman Zanstra




Herman Zanstra


Astrofysicus


1894 - 1972









Herman Zanstra werd geboren in Heerenveen op 3 november 1894 als jongste zoon van een klokkenmaker, tevens overgrootvader van de spreker. Al op jonge leeftijd gaf hij blijk van een hoge intelligentie en kreeg hij de kans om te gaan studeren aan de Technische Hogeschool in Delft.

In 1917 werd de studie tot chemisch ingenieur cum laude afgerond. Een grote drang om verder te komen voerde Herman naar de universiteit van Minnesota (Minneapolis, USA), waar hij bij professor W.F.G. Swann in 1923 promoveerde tot Ph.D. in de theoretische natuurkunde. De titel van zijn proefschrift luidde: "A study of relative motion in connection with classical mechanics". Dit zuiver theoretische onderwerp was door de promovendus zelf bepaald en handelde over de relatieve beweging in een universum, waar het totale impulsmoment ten opzichte van een centrale massa gelijk is aan nul. Dankzij een post doctoral fellowship van de Rockefeller Foundation belandde de kersverse doctor aan de universiteit van Chicago (USA), waar hem een onderzoeksopdracht werd toebedeeld over het thema: "The correlation of electromagnetic phenomena in terms of moving electrons only". De bedoeling was een theorie van het elektromagnetisme te ontwikkelen zonder gebruik te maken van elektromagnetische velden. Dit in tegenstelling tot de elektromagnetische theorie van Maxwell (1873), waarbij wel gebruik wordt gemaakt van velden. Uit deze opdracht zijn geen resultaten bekend geworden en Herman Zanstra, die wel zijn grote wiskundige vaardigheid had kunnen tonen, kreeg het advies om in Europa een tijd te gaan werken met andere theoretici. Hij vatte daartoe het (zeer ambitieuze) plan op om een fundamentele theorie te ontwikkelen die de theorieŽn over de gravitatie (Newton, 1687) en het elektromagnetisme (Maxwel, 1873) zou kunnen verenigen. Ook Pauli en Einstein hielden zich daarmee bezig.
Door bemiddeling van Sommerfeld (MŁnchen) belandde Herman Zanstra in 1924 aan de universiteit van Hamburg om onder leiding van Wolfgang Pauli zijn ideeŽn uit te werken. Eťn van de conclusies van de nieuwe theorie was de veronderstelling dat er twee soorten melkwegstelsels zouden kunnen bestaan met verschillende massa's (positieve en negatieve) die een afstotende werking op elkaar hebben. Daarmee zouden de onlangs gemeten hoge vluchtsnelheden kunnen worden verklaard waarmee bepaalde spiraalstelsels zich van de aarde verwijderen. Let wel, het was pas in 1929 dat de uitdijing van het heelal door Edwin Hubble werd ontdekt en dat het tegenwoordig de eveneens gepostuleerde "donkere energie" is die de (versnelde) expansie van het universum moet verklaren. De briljante, maar sarcastische Paul kon de ideeŽn van Zanstra echter niet ondersteunen en beoordeelde de bedenker ervan als: "Very poor, and the worst of all fellows he knew".

  • EEN WIJZIGING VAN DE KOERS
      Pauli was van mening dat Zanstra beter iets anders zou kunnen gaan doen en bracht hem in contact met Walter Baade, staflid van de Sterrenwacht in Hamburg, Bergedorf. Er ontstond een vriendschap en Baade adviseerde Zanstra zijn grote wiskundige vaardigheden meer in te zetten bij beperktere praktische (sterrenkundige) problemen in plaats van bij het ontwerpen van geheel nieuwe natuurkundige theorieŽn. Bovendien moest meer rekening worden gehouden met de fysische consequenties van ongewone wiskundige conclusies. Als voorbeeld werd genoemd een artikel uit 1922 van Henri Noris Russell waarin de vraag naar voren kwam naar het mechanisme waardoor een gasnevel tot lichten kan worden gebracht door de (onzichtbare) straling van een hete ster. Zanstra had echter tijd nodig voor een dergelijke omschakeling en bezocht eerst nog een aantal belangrijke natuurkundigen in Duitsland en Nederland. Hij verbleef twee maanden in Kopenhagen, Denemarken op het instituut van Niels Bohr, die in 1913 het eerste atoommodel had ontwikkeld, gebaseerd op het onderzoek van spectra en verklaard met behulp van het begrip "foton". Ook Max Planck en Albert Einstein hadden het foton al gebruikt bij de verklaringen van de stralingskromme (1900) en het foto-elektrisch effect (1905). Herman Zanstra pikte deze basis van de kwantumtheorie bij Bohr snel op en maakte tevens zijn artikel af over de combinatie van de zwaartekracht en het elektromagnetisme: "The correlation of gravity and electromagnetic phenomena in a symmetrical scheme". Daarna volgde hij de adviezen van Baade op en begon hij in het voorjaar van 1925 aan: "Een toepassing van de kwantumtheorie op de emissie van licht door diffuse nevels". De eerste resultaten waren goed in overeenstemming met de waarnemingen van Edwin Hubble van de Mount Wilson Sterrenwacht bij Pasadena, USA. Nevels met hete sterren (heter dan 20.000 K) geven lijnenspectra van atomair waterstof en nevels met koelere sterren geven continue spectra. Op grond van zijn wiskundige aanpak en de genoemde resultaten werd het fellowship voor een derde jaar verlengd. Zanstra bezocht de astronomen in Potsdam om meer informatie te verkrijgen over de temperaturen van hete sterren en kreeg bij het begin van het nieuwe studiejaar (augustus 1925) een aanstelling bij het "California Institute of Technology (Caltech) van de universiteit van Washington in Seattle. De mathematicus-fysicus Paul Epstein werd zijn adviseur.
  • PERSOONLIJKE EIGENSCHAPPEN
      Herman Zanstra werd op dit moment gezien als een theoretisch fysicus zonder astronomische achtergrond. Als een rustige, verlegen Europeaan die terecht kwam in een geheel andere wereld, de USA. Zanstra was een outsider zonder vrienden en oud-leraren uit de wereld van de sterrenkunde die hem zouden kunnen ondersteunen en die uitkeken naar zijn resultaten. Evenmin had hij een opleiding in de astronomie genoten aan een gerenommeerde universiteit als Amsterdam, Leiden of Groningen, maar werd hij scheikundig ingenieur in Delft. Anderzijds had hij wel een zeer goede kennis van de (toenmalige) kwantumfysica en was hij uitstekend wiskundig onderlegd. Met deze kwalificaties vertrok Herman Zanstra voor de tweede maal naar de USA, nu in de buurt van de grote sterrenwachten aan de westkust. Het land van plastic en triplex, waar de trottoirs er net zo uitzagen als in Heerenveen.
  • DE ZANSTRA METHODE
      Tijdens de ontmoetingen met Edwin Hubble op de Mount Wilson Sterrenwacht werden diens spectra van diffuse nevels besproken. Zanstra kwam tot de conclusie dat het belangrijkste mechanisme, waardoor deze nevels hun straling in de vorm van een lijnenspectrum uitzenden, gezocht moest worden in recombinatieprocessen waarbij elektronen zich (weer) verenigen met de ionen van waterstof (protonen) tot waterstof atomen. Het emissiespectrum van heet waterstofgas was destijds al uit laboratoriumproeven bekend, evenals het feit dat gasnevels voor het grootste deel uit waterstof bestaan. De waterstof atomen moesten volgens Zanstra op hun beurt van tevoren geÔoniseerd zijn door de ultraviolette straling van de in de nevel aanwezige hete sterren, zodat er een evenwicht kon ontstaan tussen de ionisatie- en de recombinatieprocessen. In eerste instantie werd deze visie toegepast op de planetaire nevels die ontstonden nadat doorsnee sterren tegen het eind van hun leven grote hoeveelheden materie (voornamelijk waterstof en helium) hadden uitgestoten. Het restant van de ster werd zeer heet en ging kortgolvige straling uitzenden waarvoor het menselijk oog niet gevoelig is. Om het kwantitatieve verband te bepalen tussen ionisatie en recombinatie in de planetaire nevel maakte Zanstra gebruik van de kwantumtheorie, de verdeling van het licht en de elektromagnetische straling van andere frequenties in fotonen (energiepakketjes) en het daaruit voortgekomen atoommodel van Bohr. De redenering werd nu als volgt: "De aantallen ionisatie- en recombinatieprocessen per tijdseenheid in de planetaire nevel zijn in de evenwichtsituatie recht evenredig met het aantal per tijdseenheid door de centrale ster uitgezonden fotonen in het verre ultraviolette stralingsgebied (golflengte korter dan 90 nm)". De hieruit voortvloeiende methode om door middel van een helderheidsmeting van een planetaire nevel in het zichtbare gebied van het lijnenspectrum de helderheid en de temperatuur van de zeer hete centrale ster te berekenen kreeg de naam: "Zanstra Methode". Hiervoor was (en is) een goede kennis vereist van de stralingskromme van een ster en de recombinatieprocessen die in de nevel plaatsvinden. Het systeem van ster en nevel fungeert als het ware als een soort transformator voor fotonen, waarbij de nevel gezien kan worden als een fotonenteller. Op 6 maart 1926 werd de Zanstra Methode gepresenteerd in een vergadering van de American Physical Society op de Stanford Universiteit bij San Francisco (CaliforniŽ, USA). De titel van de voordracht was: "An application of the quantum theory to the luminosity of diffuse nebulae". Een (verbeterd) artikel verscheen in 1927 onder dezelfde naam in de Astrophysical Journal.
  • HET LEVEN NA DE ZANSTRA METHODE
      Als direct gevolg van het succes tijdens de Stanford meeting werd Herman Zanstra aan de Universiteit van Washington benoemd tot assistent professor in de wiskunde en sterrenkunde. In de zomervakantie van 1927 verbleef hij geheel op eigen kosten op de nabij gelegen Dominion Astrophysical Observatory bij de stad Victoria (Brits Columbia, Canada) om daar spectrofotometrische waarnemingen te doen aan planetaire nevels ten einde de Zanstra Methode te testen. In hetzelfde jaar maakte Ira S. Bowen bekend dat de sterke emissielijnen van het (niet echt bestaande) element "Nebulium" eigenlijk afkomstig waren van zuurstof, stikstof en neon. Naast de emissielijnen van waterstof en helium werd deze nieuwe kennis door Zanstra eveneens toegepast op de in Victoria waargenomen nevels. Het resultaat van dit baanbrekend onderzoek: "Temperatures of stars in planetary nebulae" werd in 1928 gepubliceerd in het belangrijke tijdschrift "Nature" en verschafte Zanstra grote bekendheid. Voor het studiejaar 1928-1929 kreeg Herman Zanstra een tijdelijke aanstelling als assistent professor in de wiskunde aan het Imperial College of Science and Technology in Londen. Hij gaf een algemeen college voor beginnende studenten en een college relativiteitstheorie voor gevorderden. Tussendoor werkte hij aan een uitgebreidere publicatie: "Luminosity of planetary nebulae and stellar temperatures" voor het Dominion Astrophysical Observatory dat wegens drukproblemen pas in 1931 verscheen. In Londen werd tevens een verklaring gepubliceerd van de lijn- en bandspectra van kometen die door de zon worden aangestraald.
  • DE CRISISTIJD
      Tijdens de periode van depressie in de wereld keerde Zanstra in 1930 terug naar Hamburg. Hij accepteerde een onbetaalde wetenschappelijke functie en reisde heen en weer tussen MŁnchen (studie bij A. Sommerfeld) en de sterrenwacht van Hamburg, Bergedorf voor verder onderzoek aan planetaire nevels, samen met Walter Baade. Een en ander resulteerde in een nieuw en lang tweedelig artikel: "Untersuchungen Łber planetarischen Nebel", dat in 1931 werd gepubliceerd in het Zeitschrift fŁr Astrophysik. Het eerste deel handelde over de Zanstra Methode, terwijl deel twee de expansie van de planetaire nevels beschreef naar aanleiding van de ontdekking door Campbell en Moore (Lick Sterrenwacht, CaliforniŽ) van de splitsing van spectraallijnen ten gevolge van het Dopplereffect. Verschuiving naar een langere golflengte duidt op beweging van de waarnemer af; verschuiving naar een kortere golflengte komt door beweging naar de waarnemer toe. In juni 1931 meende Donald H. Menzel van de Lick Sterrenwacht in CaliforniŽ ook rechten te hebben op de ontwikkeling van de Zanstra Methode en claimde dat ook zijn naam daaraan verbonden zou moeten worden. Nader onderzoek door Donald E. Osterbrock (Lick Sterrenwacht) wees uit dat de bijdrage van zijn collega in het niet viel in vergelijking met de prestatie van Zanstra. Herman Zanstra was echt de eerste en de enige die een sluitende verklaring publiceerde over de wijze waarop het gas in een planetaire nevel wordt geŽxciteerd, hoe daaruit het emissiespectrum ontstaat en hoe daarmee de helderheid en de temperatuur van de centrale ster berekend kunnen worden. Eveneens een onbetaalde baan kreeg Herman Zanstra van 1931-1937 bij de Universiteit van Amsterdam. Hij werd assistent met een onderwijstaak bij het vak natuurkunde en werd lid van de "Cosmic Ray Group" onder leiding van professor Jacob Clay. De bedoeling was tot een interpretatie te komen van de experimentele meetresultaten in termen van de doordringing van geladen deeltjes uit de kosmos in de atmosfeer en hun banen in het magneetveld van de aarde. Ook werd verder onderzoek gedaan naar het gedrag van nevels, de chromosfeer van de zon en kometen. Kortweg: atoomfysica bij lage dichtheden. En natuurlijk verschenen er publicaties over de bevindingen in diverse astronomische tijdschriften, zoals: "An expansion hypothesis for planetary nebulae" in een maandelijkse notitie van de Royal Astronomical Society in 1932. Deze vormde de basis voor verder onderzoek door anderen voor de volgende 20 jaar.
  • ZUID AFRIKA
      De Universiteit van Oxford, Engeland was in 1937 bezig de Radcliffe Sterrenwacht over te brengen naar Zuid Afrika. De reden was het betere klimaat. In verband hiermee werd een Radcliffe Travelling Fellowship ingesteld, waarmee Herman Zanstra als eerste werd vereerd voor de duur van vier jaar. Aan dit fellowship was een opdracht verbonden die verband hield met het onderzoek aan nevels. Natuurlijk werden hierover tevens de nodige publicaties verwacht. De eerste twee jaren werden in Oxford doorgebracht en de resterende tijd in de nieuwe sterrenwacht bij Pretoria, Zuid Afrika. Behalve met de nevels aan de zuidelijke sterrenhemel hield Zanstra zich bezig met het onderzoek van de polarisatie in de Fraunhofer lijnen van het zonnespectrum en met de verstrooiing van het licht in de atmosfeer van de aarde. Samen met een tweetal collega's, onder wie zijn vriend Redman (Cambridge), werd op 1 oktober 1940 een totale zonsverduistering waargenomen bij de plaats Calvinia. Zanstra was geÔnteresseerd in de spectra van de corona en de protuberansen. In 1941 liep het fellowship op zijn eind en werd de betaling aan Zanstra stop gezet. Daar het in verband met de oorlogssituatie onmogelijk was geworden naar Europa of de USA terug te keren, was een baan als lector natuurkunde aan de ingenieursopleiding van het Howard College te Durban een uitkomst in afwachting van betere tijden. Stamde de spreuk: "Ook al blaten er 100.000 schapen dan hoor je toch alleen maar bŤŤŤŤ Ö !" misschien uit deze donkere periode?
  • AMSTERDAM ALS KROON OP HET WERK
      In 1946 werd Herman Zanstra professor in de Astronomie en directeur van het Sterrenkundig Instituut aan de Universiteit van Amsterdam. Uit correspondentie van zijn voorganger en bemiddelaar professor Anton Pannekoek blijkt dat Zanstra eigenlijk de enige geschikte kandidaat voor deze functie was. Pannekoek was de oprichter (1921) en eerste directeur van dit instituut dat nu zijn naam draagt. De opdracht was ondermeer om theoretisch onderzoek te doen aan nevels en de zon en de resultaten te publiceren in de Amsterdamse "Circulars". De gelegenheid om op 25 februari 1952 bij Khartoum samen met Redman (Cambridge), Houtgast en Zwaan (Utrecht) waarnemingen te doen aan een tweede totale zonsverduistering liet Zanstra niet aan zich voorbij gaan. Hij fotografeerde de Balmer lijnen van waterstof in het spectrum van een protuberans. In 1959 ging Herman Zanstra op 65-jarige leeftijd met emeritaat en vervulde hij daarna nog een jaar lang de positie van visiting professor in solar and nebular research aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor bij Detroit, USA. Als echte afsluiting van zijn astrofysisch werk kreeg Zanstra in oktober 1961 de eer om in Londen voor de Engelse Royal Astronomical Society de George Darwin Lecture te geven met de titel: "The gaseous nebula as a quantum counter". Uit grote waardering mocht hij de Gold Medal van de R.A.S. in ontvangst nemen.
  • FILOSOFIE
      Na zijn pensionering vond Herman Zanstra de tijd en de gelegenheid om zich, naast zijn vele contacten, meer met filosofische onderwerpen bezig te houden. Tegen het eind van de jaren dertig was hij al door een zwager op het spoor gezet van het automatisch tekenen en schrijven. Gedurende de tijd in Zuid Afrika werd deze vaardigheid met succes toegepast. Er ontstonden enkele tientallen automatische tekeningen die bij verschillende voordrachten werden gepresenteerd. Onder andere in Londen bij de Society of Psychic Research in 1949. Gecombineerd met vele andere onderwerpen over de theorie van de kennis en het verband tussen lichaam, geest en persoonlijkheid werd hierover ook een wekelijks college gegeven aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, USA in het studiejaar 1959-1960. In 1962 zijn de teksten gebundeld in een boek: "The constrution of reality". Van 1963-1971 gaf Zanstra regelmatig lezingen over filosofische onderwerpen voor de Studievereniging voor Psychical Research in Haarlem. Zanstra liet meer dan 60 publicaties na over astronomie en filosofie. Hij verhuisde 21 maal en was als vegetariŽr tevens een gezelligheidsmens die hield van lekker eten, een drankje en een sigaar. Zanstra overleed op 2 oktober 1972 in een rusthuis te Haarlem. De crematie werd behalve door de familie onder andere bijgewoond door de professoren Koelbloed, Houtgast, Oort en oud-minister president Schermerhorn.
  • EERBETOON
      Behalve met de Gold Medal van de Engelse Royal Astronomical Society (1961) werd Herman Zanstra in 1965 geŽerd met een eredoctoraat van de Universiteit van St. Andrews in Schotland, werd er in 1991 een planetoÔde (nr. 2945) naar hem genoemd en een aantal jaren later kreeg een krater op de achterkant van de maan zijn naam. De krater heeft een doorsnede van 42 km en ligt op de positie 2,9 graden noord en 124,7 graden oost. (wtz/aamh)
    Om verder te snuffelen:
    The construction of reality (Pergamon Press, Oxford, 1962)
    Lichtende gasnevels (D. Koelbloed, Hemel en Dampkring 1937-9)
    Sterrenkunde, deel 3 (C. de Jager, Wetensch. Uitgeverij Amsterdam, 1969)
    In memoriam prof. dr. Herman Zanstra (Hemel en Dampkring, 1972-12)
    Planetarische Nebel und deren Zentralsterne (A.W.A. Pauldrach, MŁnchen)
    De zonsverduistering van 25 februari 1952 (Zenit 1981-11, pag 446)
    The Zanstra Method of Nebular Astrophysics (D.E. Osterbrock, JHA mei 2001)
    Herman Zanstra (De Vangspiegel 2004-7)
    Planetaire nevels in een 20 cm telescoop (Zenit 2006-2)