Leerdoelen
Aan het eind van dit deel zul je in staat zijn om:
- De drie basiscomponenten van een modern systeem voor het meten van astronomische bronnen kunnen beschrijven
- De belangrijkste functies van een telescoop kunnen beschrijven
- De twee basistypen van zichtbaar-lichttelescopen kunnen beschrijven en hoe ze beelden vormen
Systemen voor het meten van straling
Er zijn drie basiscomponenten van een modern systeem voor het meten van straling van astronomische bronnen. Ten eerste is er een telescoop, die dient als “emmer” voor het opvangen van zichtbaar licht (of straling op andere golflengten, zoals te zien is in figuur 1. Net zoals je met een vuilnisbak meer regen kunt opvangen dan met een koffiekopje, verzamelen grote telescopen veel meer licht dan je oog kan opvangen. Ten tweede is er een instrument aan de telescoop bevestigd dat de binnenkomende straling op golflengte sorteert. Soms is de sortering vrij grof. We willen bijvoorbeeld blauw licht van rood licht scheiden om de temperatuur van een ster te bepalen. Maar op andere momenten willen we afzonderlijke spectraallijnen zien om te bepalen waar een voorwerp van gemaakt is, of om de snelheid ervan te meten (zoals uitgelegd in het hoofdstuk Straling en spectra). Ten derde hebben we een soort detector nodig, een apparaat dat de straling in de door ons gekozen golflengtegebieden waarneemt en de waarnemingen permanent registreert.
Figuur 1: De regio Orion op verschillende golflengten. Hetzelfde deel van de hemel ziet er anders uit wanneer het wordt waargenomen met instrumenten die gevoelig zijn voor verschillende banden van het spectrum. (a) Zichtbaar licht: dit toont een deel van het Oriongebied zoals het menselijk oog het ziet, met stippellijnen toegevoegd om de figuur van de mythische jager, Orion, aan te geven. (b) Röntgenstraling: hier benadrukt het beeld de puntvormige röntgenbronnen in de buurt. De kleuren zijn kunstmatig, en veranderen van geel naar wit naar blauw met toenemende energie van de röntgenstraling. De heldere, hete sterren in Orion zijn nog steeds te zien in dit beeld, maar dat geldt ook voor veel andere objecten die zich op zeer verschillende afstanden bevinden, waaronder andere sterren, sterrenlijken, en sterrenstelsels aan de rand van het waarneembare heelal. (c) Infrarode straling: hier zien we vooral het gloeiende stof in dit gebied. (credit a: modificatie van werk van Howard McCallon/NASA/IRAS; credit b: modificatie van werk van Howard McCallon/NASA/IRAS; credit c: modificatie van werk van Michael F. Corcoran)
De geschiedenis van de ontwikkeling van astronomische telescopen gaat over hoe nieuwe technologieën zijn toegepast om de efficiëntie van deze drie basiscomponenten te verbeteren: de telescopen, de golflengtesorteerinrichting, en de detectoren. Laten we eerst eens kijken naar de ontwikkeling van de telescoop.
Vele oude culturen bouwden speciale plaatsen om de hemel te observeren (figuur 2). In deze oude observatoria kon men de posities van hemellichamen meten, meestal om de tijd en datum bij te houden. Veel van deze oude observatoria hadden ook een religieuze en rituele functie. Het oog was het enige beschikbare apparaat om licht te verzamelen, alle kleuren in het licht werden in één keer waargenomen, en de enige permanente registratie van de waarnemingen werd gedaan door mensen die opschreven of schetsten wat zij zagen.
Figuur 2: Twee pre-telescopische observatoria. (a) Machu Picchu is een vijftiende-eeuwse Inca-site in Peru. (b) Stonehenge, een prehistorische site (3000-2000 v. Chr.), bevindt zich in Engeland. (credit a: bewerking van werk van Allard Schmidt)
Weliswaar worden Hans Lippershey, Zaccharias Janssen en Jacob Metius rond 1608 allemaal genoemd als de uitvinders van de telescoop – binnen enkele weken na elkaar vroegen ze octrooi aan – maar het was Galileo die in 1610 deze eenvoudige buis met lenzen (die hij een verrekijker noemde) gebruikte om de hemel te observeren en meer licht te verzamelen dan zijn ogen alleen konden. Zelfs zijn kleine telescoop – die hij vele nachten gebruikte – bracht een revolutie teweeg in de ideeën over de aard van de planeten en de positie van de aarde.
Hoe telescopen werken
Telescopen hebben sinds Galileo’s tijd een lange weg afgelegd. Nu zijn het vaak enorme apparaten; de duurste kosten honderden miljoenen tot miljarden dollars. (Om een referentiepunt te geven: alleen al het renoveren van voetbalstadions kost honderden miljoenen dollars – de duurste recente renovatie van Kyle Field van de Texas A&M University kostte 450 miljoen dollar). De reden waarom astronomen steeds grotere telescopen bouwen, is dat hemellichamen – zoals planeten, sterren en sterrenstelsels – veel meer licht naar de aarde sturen dan een menselijk oog (met zijn kleine opening) kan opvangen, en dat grotere telescopen zwakkere objecten kunnen waarnemen. Als je ooit met een groep vrienden naar de sterren hebt gekeken, weet je dat er genoeg sterrenlicht is voor iedereen; ieder van jullie kan alle sterren zien. Als er nog duizend mensen zouden kijken, zou ieder van hen ook een beetje van het licht van elke ster opvangen. Maar wat jou betreft, is het licht dat niet in je oog schijnt verspild. Het zou geweldig zijn als een deel van dit “verspilde” licht ook zou kunnen worden opgevangen en naar je oog zou kunnen worden gebracht. Dat is precies wat een telescoop doet.
De belangrijkste functies van een telescoop zijn (1) het opvangen van het zwakke licht van een astronomische bron en (2) het bundelen van al dat licht tot een punt of een beeld. De meeste objecten die interessant zijn voor astronomen zijn extreem zwak: hoe meer licht we kunnen verzamelen, hoe beter we zulke objecten kunnen bestuderen. (En vergeet niet, ook al richten we ons eerst op zichtbaar licht, dat er veel telescopen zijn die ook andere soorten elektromagnetische straling opvangen.)
Telescopen die zichtbare straling opvangen, gebruiken een lens of spiegel om het licht op te vangen. Andere soorten telescopen kunnen gebruik maken van opvanginrichtingen die er heel anders uitzien dan de lenzen en spiegels waarmee we vertrouwd zijn, maar die dezelfde functie hebben. Bij alle soorten telescopen wordt het lichtverzamelvermogen bepaald door het oppervlak van het apparaat dat als “bak” voor het licht fungeert. Aangezien de meeste telescopen spiegels of lenzen hebben, kunnen we hun lichtverzamelvermogen vergelijken door de aperturen, of diameters, van de opening waardoor het licht reist of weerkaatst, te vergelijken.
De hoeveelheid licht die een telescoop kan opvangen, neemt toe met de grootte van de apertuur. A telescope with a mirror that is 4 meters in diameter can collect 16 times as much light as a telescope that is 1 meter in diameter. (The diameter is squared because the area of a circle equals πd2/4, where d is the diameter of the circle.)
Example 1: Calculating the Light-Collecting Area
What is the area of a 1-m diameter telescope? A 4-m diameter one?
Check Your Learning
Show that the ratio of the two areas is 16:1.
Nadat de telescoop een beeld vormt, hebben we een manier nodig om dit beeld te detecteren en op te nemen, zodat we het op verschillende manieren kunnen meten, reproduceren, en analyseren. Vóór de negentiende eeuw bekeken astronomen beelden gewoon met hun ogen en schreven ze beschrijvingen van wat ze zagen. Dit was zeer inefficiënt en leidde niet tot een erg betrouwbare registratie op lange termijn; u weet van misdaadprogramma’s op televisie dat ooggetuigenverslagen vaak onnauwkeurig zijn.
In de negentiende eeuw werd het gebruik van fotografie wijdverbreid. In die tijd waren foto’s een chemische registratie van een beeld op een speciaal behandelde glasplaat. Tegenwoordig wordt het beeld meestal gedetecteerd met sensoren die vergelijkbaar zijn met die in digitale camera’s, elektronisch geregistreerd en opgeslagen in computers. Deze permanente opname kan vervolgens worden gebruikt voor gedetailleerde en kwantitatieve studies. Professionele astronomen kijken zelden door de grote telescopen die zij voor hun onderzoek gebruiken.
Vorming van een beeld door een lens of een spiegel
Figuur 3: Vorming van een beeld door een eenvoudige lens. Parallelle stralen van een verre bron worden door de bolle lens zo gebogen dat ze allemaal op één plaats (het brandpunt) samenkomen om een beeld te vormen.
Of u nu een bril draagt of niet, u ziet de wereld door lenzen; het zijn belangrijke elementen van uw ogen. Een lens is een doorzichtig stuk materiaal dat de lichtstralen die er doorheen vallen buigt. Als de lichtstralen evenwijdig zijn wanneer ze binnenkomen, brengt de lens ze samen op één plaats om een beeld te vormen (figuur 3). Als de krommingen van de lensoppervlakken precies goed zijn, worden alle parallelle lichtstralen (van bijvoorbeeld een ster) zodanig gebogen of gebroken dat ze samenkomen in de richting van een punt, dat het brandpunt van de lens wordt genoemd. In het brandpunt verschijnt een beeld van de lichtbron. In het geval van parallelle lichtstralen wordt de afstand van de lens tot de plaats waar de lichtstralen zich achter de lens concentreren, de brandpuntsafstand van de lens genoemd.
Als je naar figuur 3 kijkt, kun je je afvragen waarom twee lichtstralen van dezelfde ster evenwijdig aan elkaar zouden zijn. Immers, als je een tekening maakt van een ster die in alle richtingen schijnt, zien de lichtstralen die van de ster komen er helemaal niet evenwijdig uit. Maar vergeet niet dat de sterren (en andere astronomische objecten) allemaal extreem ver weg staan. Tegen de tijd dat de weinige lichtstralen die op ons gericht zijn daadwerkelijk bij de aarde aankomen, zijn ze, voor alle praktische doeleinden, evenwijdig aan elkaar. Met andere woorden, alle lichtstralen die niet evenwijdig waren aan de lichtstralen die op de aarde zijn gericht, gaan nu een heel andere kant op in het heelal.
Om het beeld te bekijken dat door de lens in een telescoop wordt gevormd, gebruiken we een extra lens die een oculair wordt genoemd. Het oculair stelt het beeld scherp op een afstand die ofwel direct zichtbaar is voor een mens of op een geschikte plaats voor een detector. Door verschillende oculairen te gebruiken, kunnen we de vergroting (of grootte) van het beeld veranderen en ook het licht naar een meer toegankelijke plaats richten. Sterren lijken lichtpuntjes en een vergroting maakt weinig verschil, maar het beeld van een planeet of een sterrenstelsel, dat structuur heeft, kan vaak baat hebben bij een vergroting.
Veel mensen denken bij een telescoop aan een lange buis met een grote glazen lens aan één uiteinde. Dit ontwerp, waarbij een lens als belangrijkste optische element wordt gebruikt om een beeld te vormen, zoals we hebben besproken, staat bekend als een refractor (figuur 4) en een telescoop op basis van dit ontwerp wordt een brekingstelescoop genoemd. De telescopen van Galileo waren refractoren, net als de huidige verrekijkers en veldkijkers. Er is echter een grens aan de grootte van een brekingstelescoop. De grootste refractor die ooit is gebouwd, was een 49-inch refractor die werd gebouwd voor de Parijse tentoonstelling van 1900, en die na de tentoonstelling werd ontmanteld. Momenteel is de grootste refractietelescoop de 40-inch refractor van het Yerkes Observatory in Wisconsin.
Figuur 4: Brekings- en spiegeltelescopen. Licht komt een brekingstelescoop binnen door een lens aan de bovenkant, die het licht naar de onderkant van de telescoop stuurt. Een oculair vergroot vervolgens het beeld, zodat het met het oog kan worden bekeken, of er kan een detector zoals een fotografische plaat op het brandpunt worden geplaatst. Het bovenste uiteinde van een spiegeltelescoop is open, en het licht wordt doorgelaten naar de spiegel die zich onderaan de telescoop bevindt. De spiegel stelt het licht vervolgens scherp aan de bovenkant, waar het kan worden gedetecteerd. Een andere mogelijkheid is dat, zoals in deze schets, een tweede spiegel het licht weerkaatst naar een plaats buiten de telescoopstructuur, waar een waarnemer er gemakkelijker bij kan. De telescopen van professionele astronomen zijn ingewikkelder dan dit, maar zij volgen dezelfde principes van weerkaatsing en breking.
Eén probleem met een brekingstelescoop is dat het licht door de lens van een refractor moet gaan. Dat betekent dat het glas helemaal perfect moet zijn, en het is erg moeilijk gebleken om grote stukken glas te maken zonder gebreken en luchtbellen erin. Ook veranderen de optische eigenschappen van transparante materialen een beetje met de golflengten (of kleuren) van het licht, zodat er enige extra vervorming optreedt, die chromatische aberratie wordt genoemd. Elke golflengte stelt op een iets andere plaats scherp, waardoor het beeld wazig lijkt.
Daar komt nog bij dat, omdat het licht door de lens moet, de lens alleen aan de randen kan worden ondersteund (net als het montuur van onze brillen). De zwaartekracht zorgt ervoor dat een grote lens doorzakt en de baan van de lichtstralen vervormt als ze er doorheen vallen. En omdat het licht er doorheen gaat, moeten beide kanten van de lens precies de juiste vorm hebben om een scherp beeld te krijgen.
Een ander type telescoop gebruikt een holle hoofdspiegel als belangrijkste optische element. De spiegel is gebogen als het binnenoppervlak van een bol, en hij weerkaatst het licht om een beeld te vormen (figuur 4). Telescoopspiegels worden gecoat met een glanzend metaal, meestal zilver, aluminium, of soms goud, om ze zeer reflecterend te maken. Als de spiegel de juiste vorm heeft, worden alle evenwijdige stralen teruggekaatst naar hetzelfde punt, het brandpunt van de spiegel. Een spiegel produceert dus precies dezelfde beelden als een lens.
Figuur 5. Scherpstelling voor spiegeltelescopen: Bij spiegeltelescopen zijn er verschillende mogelijkheden voor de plaats waar het licht naar het brandpunt wordt gebracht. Bij primair brandpunt wordt het licht gedetecteerd op de plaats waar het tot een brandpunt komt na weerkaatsing van de primaire spiegel. Bij Newtoniaans brandpunt wordt het licht gereflecteerd door een kleine secundaire spiegel aan de zijkant, waar het kan worden waargenomen (zie ook ). De meeste grote professionele telescopen hebben een Cassegrain focus, waarbij het licht door de secundaire spiegel naar beneden wordt weerkaatst door een gat in de primaire spiegel naar een waarneemstation onder de telescoop.
Telescopen die met spiegels zijn ontworpen, vermijden de problemen van refracterende telescopen. Omdat het licht alleen van het voorste oppervlak wordt gereflecteerd, hebben gebreken en luchtbellen in het glas geen invloed op de weg van het licht. Bij een telescoop die met spiegels is ontworpen, hoeft alleen het voorvlak precies in vorm te worden gebracht en kan de spiegel aan de achterkant worden ondersteund. Om deze redenen gebruiken de meeste astronomische telescopen tegenwoordig (zowel voor amateurs als voor professionals) een spiegel in plaats van een lens om een beeld te vormen; dit type telescoop wordt een spiegeltelescoop genoemd. De eerste succesvolle spiegeltelescoop werd in 1668 gebouwd door Isaac Newton.
In een spiegeltelescoop wordt de holle spiegel op de bodem van een buis of open raamwerk geplaatst. De spiegel weerkaatst het licht in de buis om een beeld te vormen in de buurt van het voorste uiteinde op een plaats die het brandpunt wordt genoemd. Het beeld kan worden waargenomen in het brandpunt, of extra spiegels kunnen het licht onderscheppen en omleiden naar een plaats waar de waarnemer het gemakkelijker kan zien (figuur 5). Omdat een astronoom bij het brandpunt veel van het licht dat op de hoofdspiegel valt, kan blokkeren, kan door het gebruik van een kleine secundaire spiegel meer licht door het systeem vallen.
Kies je eigen telescoop
Als je door de sterrenkundecursus die je volgt, zin krijgt om de hemel verder te verkennen, denk je er misschien over om je eigen telescoop te kopen. Er zijn veel uitstekende amateurtelescopen beschikbaar, en er is wat onderzoek nodig om het beste model voor jouw behoeften te vinden. Enkele goede bronnen van informatie over persoonlijke telescopen zijn de twee populaire Amerikaanse tijdschriften voor amateurastronomen: Sky & Telescope en Astronomy. In beide staan regelmatig artikelen met advies, recensies en advertenties van gerenommeerde telescoopverkopers.
Een aantal van de factoren die bepalen welke telescoop voor jou geschikt is, hangt af van je voorkeuren:
- Zal je de telescoop op één plek opstellen en daar laten staan, of wil je een instrument dat draagbaar is en mee kan op excursies buitenshuis? Hoe draagbaar moet het zijn, in termen van grootte en gewicht?
- Wilt u de hemel alleen met uw ogen waarnemen, of wilt u ook foto’s maken? (Voor fotografie met lange belichting is bijvoorbeeld een goede klok nodig om uw telescoop te kunnen draaien om de draaiing van de aarde te compenseren.)
- Wat voor soort objecten gaat u waarnemen? Ben je vooral geïnteresseerd in kometen, planeten, sterrenhopen of sterrenstelsels, of wil je allerlei soorten hemellichamen waarnemen?
Op sommige van deze vragen weet je misschien nog geen antwoord. Daarom wil je misschien eerst een paar telescopen “uitproberen”. De meeste gemeenschappen hebben amateur-astronomieclubs die starparty’s organiseren die open zijn voor het publiek. De leden van die clubs weten vaak veel over telescopen en kunnen hun ideeën met je delen. Je docent weet misschien waar de dichtstbijzijnde amateur-astronomieclub bijeenkomt; of, om een club bij jou in de buurt te vinden, kun je de websites gebruiken die in bijlage B worden voorgesteld.
Daarnaast heb je misschien thuis al een instrument zoals een telescoop (of je hebt er toegang toe via een familielid of vriend). Veel amateurastronomen raden aan om je onderzoek van de hemel te beginnen met een goede verrekijker. Die kun je gemakkelijk meenemen en je veel objecten laten zien die met het blote oog niet zichtbaar (of helder) zijn.
Als je klaar bent om een telescoop te kopen, zijn de volgende ideeën misschien nuttig:
- Het belangrijkste kenmerk van een telescoop is de opening van de hoofdspiegel of -lens; als iemand zegt dat hij een 6-inch of 8-inch telescoop heeft, bedoelt hij de diameter van het opvangoppervlak. Hoe groter de opening, hoe meer licht je kunt opvangen, en hoe zwakker de objecten zijn die je kunt zien of fotograferen.
- Telescopen met een bepaalde opening die gebruik maken van lenzen (refractors) zijn doorgaans duurder dan die met spiegels (reflectors), omdat beide zijden van een lens zeer nauwkeurig moeten worden gepolijst. En omdat het licht er doorheen gaat, moet de lens volledig van hoogwaardig glas zijn gemaakt. Van een spiegel daarentegen hoeft alleen de voorkant nauwkeurig te worden gepolijst.
- De vergroting is niet een van de criteria waarop je je keuze voor een telescoop moet baseren. Zoals we hebben besproken, wordt de vergroting van het beeld gedaan door een kleiner oculair, dus de vergroting kan worden aangepast door van oculair te wisselen. Een telescoop vergroot echter niet alleen het astronomische object waarnaar u kijkt, maar ook de turbulentie van de atmosfeer van de aarde. Als de vergroting te hoog is, zal het beeld glinsteren en schudden en moeilijk te bekijken zijn. Een goede telescoop wordt geleverd met verschillende oculairen die binnen het bereik van de nuttige vergroting blijven.
- De montering van een telescoop (de structuur waarop hij rust) is een van de meest kritische elementen. Omdat een telescoop een klein gezichtsveld toont, dat sterk wordt vergroot, kan zelfs de kleinste trilling of schokken van de telescoop het object dat je bekijkt verplaatsen of uit je gezichtsveld halen. Een stevige en stabiele montering is essentieel voor serieus kijken of fotograferen (hoewel het duidelijk invloed heeft op hoe draagbaar je telescoop kan zijn).
- Een telescoop vereist enige oefening om op te zetten en effectief te gebruiken. Verwacht niet dat alles perfect gaat bij je eerste poging. Neem de tijd om de instructies te lezen. Als er een plaatselijke amateur-astronomieclub in de buurt is, gebruik die dan als hulpbron.
Een telescoop verzamelt het zwakke licht van astronomische bronnen en brengt het naar een focus, waar een instrument het licht kan sorteren op golflengte. Het licht wordt dan naar een detector geleid, waar een permanente opname wordt gemaakt. Het vermogen van een telescoop om licht op te vangen wordt bepaald door de diameter van het diafragma of de opening, dat wil zeggen door het oppervlak van de grootste of primaire lens of spiegel. Het primaire optische element in een telescoop is een bolle lens (bij een brekingstelescoop) of een holle spiegel (bij een spiegeltelescoop) die het licht naar een brandpunt brengt. De meeste grote telescopen zijn reflectoren; het is gemakkelijker om grote spiegels te vervaardigen en te ondersteunen omdat het licht niet door glas hoeft te gaan.
Glossary
apertuur: diameter van de primaire lens of spiegel van een telescoop
chromatische aberratie: vervorming die een beeld wazig doet lijken wanneer elke golflengte die in een doorzichtig materiaal binnenkomt op een andere plaats scherpstelt
detector: Apparaat dat gevoelig is voor elektromagnetische straling en dat een verslag maakt van astronomische waarnemingen
oculair: vergrotende lens die wordt gebruikt om het beeld te bekijken dat door de objectieve lens of primaire spiegel van een telescoop wordt geproduceerd
focus: (van telescoop) punt waar de lichtstralen die door een spiegel of lens worden samengebracht, samenkomen
prime focus: punt in een telescoop waar de objectieflens of primaire spiegel het licht scherp stelt
reflecterende telescoop: telescoop waarin de belangrijkste lichtverzamelaar een holle spiegel is
refracterende telescoop: telescoop waarin de belangrijkste lichtverzamelaar een lens of een stelsel van lenzen is
telescoop: instrument voor het verzamelen van zichtbaar licht of andere elektromagnetische straling