1 HET HEELAL OBSERVEREN

ONDERZOEKSVRAGEN

WAT ZIE JE AAN DE HEMELKOEPEL?

HOE ONDERZOEKT MEN HET HEELAL EN WELKE NIEUWE KENNIS LEVERT

DAT ONDERZOEK OP VOOR DE MAATSCHAPPIJ?

1 Naar De Hemel Kijken

Wanneer iemand ‘s avonds achter een computer-, televisie- of smartphonescherm zit en vervolgens naar buiten wandelt, zal het zicht van die persoon zich eerst moeten aanpassen aan het donker. Het kost onze ogen namelijk zo’n 10 tot 15 minuten om een goed ‘nachtzicht’ te ontwikkelen. In een omgeving met weinig lichtvervuiling (zoals straatverlichting, reclameborden, verlichting van hoge gebouwen, huis- en tuinverlichting) kun je met het blote oog, eventueel versterkt met een goede verrekijker, de sterrenhemel bewonderen, op voorwaarde dat er geen wolken zijn natuurlijk. Hoe langer je in het donker bent, hoe meer je zult zien.

1.1 DE HEMELKOEPEL OVERDAG

Doordat we de aardrotatie niet rechtstreeks waarnemen, lijkt het alsof het de hemelsfeer is die beweegt in plaats van de aarde zelf. Daarom spreken we over de schijnbare beweging van de zon en andere hemellichamen aan de hemelkoepel, waarbij ze opkomen in het oosten, via het zuiden gaan en ondergaan in het westen.

Vanop een korte afstand lijkt het alsof de aarde een platte schijf is, omringd door een koepel die het aardoppervlak omspant. Een waarnemer die naar de horizon kijkt, ziet de aarde en de hemelkoepel daar schijnbaar samenkomen, met zichzelf in het midden van een cirkel. De vier windstreken geven de hoofdrichtingen (fig. 1.1) aan. Het punt loodrecht boven de waarnemer is het zenit

Als we overdag naar de hemel kijken, dan zien we de zon schijnbaar bewegen van oost over zuid naar west. In de zomer zien we een langere dagboog van de zon dan in de winter.

1.2 DE NACHTELIJKE HEMEL

Voor een waarnemer lijken alle sterren op gelijke afstand van de aarde te hangen. Als je op een heldere nacht een foto maakt van de noordelijke sterrenhemel met lange belichting, zul je merken dat de sterren een cirkelvormig spoor trekken in tegenwijzerzin rond een centrale ster, namelijk de Poolster. Dat komt doordat de Poolster zich in het verlengde van de aardas bevindt en dus (schijnbaar) niet meedraait met de aardrotatie.

Op iDiddit vind je een animatie over de hemelkoepel.

Maagd baan van de planeten = ecliptica

In het zuidelijke deel van de sterrenhemel zie je de maan en de planeten die als heldere sterren aan de hemel staan. Wanneer je door een sterke verrekijker kijkt, kun je details, zoals schijfjes en structuren, onderscheiden. Net als de maan weerkaatsen planeten het zonlicht. Door de rotatie van de aarde zien we de hemellichamen in tegengestelde zin, van oost over zuid naar west bewegen. Aan de zuidelijke hemel vormen de tekens van de dierenriem de achtergrond waartegen de zon, de maan en de planeten zich schijnbaar voortbewegen.

1.3 STERRENKAARTEN

Sterrenkaarten zijn handig om de hemel te verkennen. Om een kaart voor een bepaalde locatie te maken, worden alle zichtbare sterren geprojecteerd op een raakvlak aan het zenit van die plaats.

- Het zenit is het middelpunt van de sterrenkaart en sterren die hoog aan de hemel staan, worden dicht bij dit midden weergegeven. Sterren die laag staan, dicht bij de horizon, vind je aan de rand van de kaart.

- Alle sterren, inclusief de zon, lijken in 24 uur in tegenwijzerzin rond de Poolster te draaien. Na 6 uur hebben ze een kwart van hun schijnbare baan afgelegd.

- Wanneer je de sterrenkaart boven je hoofd houdt en ze correct noord-zuid oriënteert, zie je dat oost en west van plaats wisselen. Daarom staat het oosten (E) links op de kaart en het westen (W) rechts.

- De poolshoogte is de hoek tussen de noordelijke hemelpool (of de Poolster) en de noordelijke horizon op de plaats van de waarnemer. Die hoek is gelijk aan de breedteligging van de plaats. Hoe dichter je bij de Noordpool komt, hoe dichter de Poolster bij het zenit staat. Hoe zuidelijker je gaat, hoe dichter de Poolster zich bij de noordelijke horizon bevindt.

- Sterren die dicht bij de Poolster staan, zie je het hele jaar en de hele nacht: het zijn circumpolaire sterren. Ze bevinden zich in de lichtblauwe cirkel.

- Verder van de Poolster staan de niet-circumpolaire sterren, zoals onze zon. Ze komen op aan de oostelijke hemel en gaan onder aan de westelijke.

Om op elk gewenst moment en op elke gewenste locatie de sterrenkaart te kunnen bekijken, zijn er verschillende opties beschikbaar. Zo kun je bijvoorbeeld gebruikmaken van online tools zoals Heavens-Above, Skymania of Stellarium Web. Je kunt ook de bijbehorende apps downloaden op je smartphone, waarmee je meteen je exacte locatie en tijdstip kunt bepalen. Zo wordt sterrenkijken nog leuker en gemakkelijker.

1.4 DE STERRENBEELDEN

Sterrenbeelden zijn verzamelingen van sterren die vanaf de aarde gezien een bepaalde vorm of figuur lijken te vormen. De sterren in een sterrenbeeld lijken vanaf de aarde dicht bij elkaar te staan, maar in werkelijkheid bevinden ze zich op zeer uiteenlopende afstanden van ons en hebben ze niets met elkaar te maken.

1.4.1 ASTRONOMIE

De astronomie (Grieks ‘astèr’ = ster, ‘nomos’ = wetenschap) of sterrenkunde is de wetenschap van alle fysische systemen die in het heelal buiten de aardse dampkring worden aangetroffen, zoals: sterren, sterrenstelsels, gas- en stofwolken, kometen, planeten, enz.

1.4.2 ASTROLOGIE

De astrologie (grieks: ‘astèr’ = ster, ‘logie’ = leer) of sterrenwichelarij is een term die wordt gebruikt om ideeën te beschrijven over veronderstelde verbanden tussen het lot van mensen en gebeurtenissen op aarde en de stand van hemellichamen. Hoewel wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat astrologie niet kan worden bevestigd en wetenschappers de principes van astrologie als pseudowetenschap beschouwen, blijven veel mensen deze praktijk beoefenen en erin geloven. Dit leerboek is dan ook gebaseerd op de principes van de astronomie en niet op die van de astrologie.

De tekens van de dierenriem of de zodiak bevinden zich in het verlengde van het baanvlak van de aarde rond de zon: het eclipticavlak. Aan deze tekens werd een bijzondere betekenis toegekend omdat zij de achtergrond vormen waartegen de zon, de maan en de planeten zich schijnbaar voortbewegen.

Ongeveer 2 800 jaar geleden werd het lentepunt in het sterrenbeeld Ram als startpunt van de dierenriem gekozen. Dit is het tijdstip, omstreeks 21 maart, waarop de zon in het snijpunt van de ecliptica en de hemelevenaar staat. Dat betekende dat iemand die geboren werd in de maand die volgt op 21 maart, het sterrenbeeld Ram toegewezen. Zo’n 500 jaar later merkte de Griekse wetenschapper Ptolemaeus op dat het lentepunt verschuift langs de ecliptica. Als gevolg daarvan staat de zon op 21 maart niet langer in het sterrenbeeld Ram,

Op je verjaardag (bv. 1 augustus, Leeuw) zal de zon niet in datzelfde teken van de dierenriem staan, maar in het teken van de maand ervoor (Kreeft). Je kunt zelf jouw plaats in de dierenriem simuleren door gebruik te maken van de Ecliptica Simulator.

Op iDiddit vind je een animatie over de Ecliptica Simulator.

2 Signalen Uit De Kosmos

2.1 HET ELEKTROMAGNETISCH SPECTRUM

De elektromagnetische straling die door de zon en andere sterren wordt uitgezonden, kan worden onderverdeeld op basis van hun golflengte in het elektromagnetische spectrum (fig. 1.8). Het zichtbare licht is de straling waar je je het meest van bewust bent op aarde, omdat je ze in tegenstelling tot andere vormen van straling met het blote oog kunt zien. Slechts een beperkt deel van de elektromagnetische straling bereikt het aardoppervlak: het zichtbare licht, een deel van de infraroodstraling en een gedeelte van de microgolven en radiogolven. Dat zijn de stralingsvensters van het elektromagnetisch spectrum.

Zichtbaar licht is essentieel voor het leven op aarde. Het vormt de basis voor de fotosynthese van planten, die het noodzakelijke zuurstofgas produceren. Zichtbaar licht wordt omgezet naar warmte in het aardoppervlak. Infrarood- of warmtestraling speelt een belangrijke rol bij het behoud van de temperatuur op aarde. Micro- en radiogolven worden in uiteenlopende toepassingen gebruikt, zoals koken, televisie, gps, smartphone, enz. De overige straling, zoals röntgenstralen, ultraviolette stralen en gammastralen, wordt door de gassen in de atmosfeer geabsorbeerd of gereflecteerd en bereikt het aardoppervlak dus niet. Die vormen van straling zijn schadelijk voor alle levensvormen op aarde.

2.2 WAARNEMING VANAF DE AARDE

2.2.1 OPTISCHE TELESCOPEN

Het menselijk oog heeft als waarnemingsinstrument enkele beperkingen:

- De afmetingen van de ooglens zijn beperkt;

- Factoren zoals mist, nevel en stof verstoren de waarneming;

De persoonlijkheid van de waarnemer kan de waarneming beïnvloeden;

- Het blote oog kan alleen het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum waarnemen.

Iemand met een goed gezichtsvermogen kan bij een kraakheldere hemel, op een plaats ver van storende lichtbronnen, met het blote oog duizenden sterren waarnemen. Bij waarneming door optische telescopen worden nog veel meer hemellichamen zichtbaar. De belangrijkste telescopen staan op bergtoppen, bij voorkeur in droge gebieden. Daar is het aantal gunstige waarnemingsuren per jaar het grootst aangezien de kans op een wolkendek daar klein is. Bovendien hoeft op die hoogte niet meer door de onderste laag van de atmosfeer gekeken te worden. Die laag is namelijk beladen met stofdeeltjes en waterdamp en er komen trillingen en lichtvervuiling in voor die de kwaliteit van het beeld verminderen.

In 2001 werd de VLT (Very Large Telescope) van de ESO (European Southern Observatory) in Chili in gebruik genomen. De VLT, gelegen op 2 600 meter hoogte, bestaat uit vier grote en verschillende kleinere telescopen (fig. 1.9). Die telescopen kunnen zowel individueel als gekoppeld werken, waardoor ze nog scherpere en diepere beelden van het heelal kunnen maken. In 2018 startte de bouw van de ELT (Extremely Large Telescope) op dezelfde site. Die telescoop zal een diameter van 42 meter hebben en operationeel zijn vanaf 2027.

De rotatie van de aarde maakt de waarneming door een vaststaande telescoop lastig. Door hun schijnbare beweging verschuiven de hemellichamen telkens voor het vizier en verdwijnen er snel weer uit. Die beweging wordt echter gecompenseerd door het toestel te wentelen om een as evenwijdig aan de aardas. Een volgmotor zorgt ervoor dat de snelheid van de omwenteling van de telescoop gelijkloopt met de draaiing van de aarde, maar dan in tegengestelde richting (fig. 1.10).

2.2.2 RADIOTELESCOPEN

Radiotelescopen zijn enorme antennes (fig. 1.11) die worden gebruikt om elektromagnetische straling te ontvangen, voornamelijk korte radiogolven. Dat komt doordat die golven door de atmosfeer (het zogenaamde radiovenster) heen kunnen dringen, terwijl langere radiogolven weerkaatst worden. Ze werken onafhankelijk van licht- en weersomstandigheden. Door meerdere radiotelescopen aan elkaar te koppelen, worden de gegevens van verschillende radiotelescopen samengevoegd om zo de resolutie van de samengestelde beelden te verhogen. Het bekendste voorbeeld is de VLA (Very Large Array), die bestaat uit 27 gekoppelde radiotelescopen. Ze staat in het zuidwesten van de Verenigde Staten. Dichter bij huis vinden we de 14 radiotelescopen van Westerbork. Die staan in het noorden van Nederland, op het terrein van een voormalig concentratiekamp. Momenteel wordt de SKA (Square Kilometre Array) gebouwd, die uit meer dan 100 000 telescopen zal bestaan. Het betreft een samenwerking tussen verschillende landen, waaronder Australië, China, Italië, Nederland, Portugal, Zuid-Afrika en het Verenigd Koninkrijk, en de telescopen worden gebouwd in Australië en Zuid-Afrika.

2.3 WAARNEMING VANUIT DE RUIMTE

2.3.1 RUIMTETELESCOPEN

De Kepler-ruimtetelescoop van NASA (National Aeronautics and Space Administration, VS) was van 2009 tot 2018 actief met als doel planeten buiten ons zonnestelsel te ontdekken waar leven mogelijk is. Hij heeft meer dan 2 600 planeten buiten ons zonnestelsel ontdekt en leverde voldoende gegevens om aan te tonen dat ons universum miljarden planeten bevat. De zoektocht naar exoplaneten wordt nu voortgezet door de TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), die sinds 7 augustus 2018 actief is.

De Hubble Space Telescope (HST) is de bekendste ruimtetelescoop die ons sinds 1990 unieke beelden vanuit de ruimte heeft bezorgd en ons begrip van het universum heeft verbeterd. NASA zal deze telescoop blijven gebruiken tot zeker 2026. Ondertussen werd de meer geavanceerde James Webb Space Telescope op 21 december 2021 gelanceerd, in samenwerking met NASA, ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency), om geleidelijk aan de taken van de HST over te nemen.