Een `camera`

30-31_Hubble 11-02-10 08:40 Pagina 30
30
PF 2-2010 HEMELS
Een ‘camera’
van 11 duizend kilo
[tekst] Bas de Meijer
De camera in de Hubble is er een van uitzonderlijke getallen,
op het aantal pixels na. Met spiegels kunnen we diep in het
heelal kijken. Maar van de zon wordt de telescoop te warm.
H
et heelal bekijken via een telescoop en dat fotograferen, is op zich niet zo heel opzienbarend; dat gebeurt al heel erg lang. Wat de Hubble zo waardevol maakt, is dat deze telescoop in de ruimte hangt (al 15 jaar) en dus geen last heeft van atmosferische ruis, zoals
luchttrillingen en absorptie van licht door deeltjes in de atmosfeer. Nadeel van een ruimtetelescoop is dat de ontwikkeling ervan nogal wat tijd vergt, veel meer dan van een aardse
telescoop. De eisen die worden gesteld, zijn hoog. Niet alleen moet de lancering overleefd
worden, de hoge energetische straling, de grote temperatuursverschillen en het vacuüm
stellen hoge eisen aan ieder schroefje. De Hubble heeft dan ook niet de laatste stand van
zaken aan boord, al kan de telescoop wel in de ruimte onderhouden en verbeterd worden.
Optisch
Om zoveel mogelijk licht op te vangen in de donkere ruimte, wordt niet van lenzen gebruikgemaakt, maar van spiegels. Optisch is de Hubble als een zogenaamde Ritchey-Chrétien gebouwd. Licht valt op een primaire holle spiegel, die het licht reflecteert naar een secundaire
kleinere bolle spiegel, waarna het weer door een gat in de primaire spiegel valt. Daarachter
zit het scherptevlak met de meetinstrumenten. Het is te vergelijken met een spiegelobjectief
uit de fotografie. Groot voordeel is dat je relatief compact kunt bouwen en toch een behoorlijke brandpuntsafstand kunt halen. De Hubble heeft een brandpuntsafstand van 57,6 meter.
Daarvoor is een primaire spiegel nodig met een diameter van 2,4 meter en een gewicht van
828 kg; de secundaire spiegel is met een diameter van 30 cm en een gewicht van ruim 12 kg
een stuk minder imposant. De hele telescoop is overigens 13,2 meter lang en heeft een maximale diameter van 4,2 meter. In totaal weegt de Hubble 11.100 kg, niet iets voor je fototas.
Sferische aberratie
De beelden van de Hubble worden gebruikt voor de wetenschap en dus moet alles haarscherp
zijn. Mede daarom is gekozen voor het Ritchey-Chrétien principe; daarmee is de sferische aberratie goed op te heffen. Mits je de spiegel goed bouwt, en daar ging het bij de Hubble mis. De
primaire spiegel was namelijk niet goed gepolijst, waardoor de spiegel aan de randen 2,2 micrometer (0,0022 mm, op een diameter van 2,4 meter dus) te vlak was. De Hubble stuurde onscherpe foto's naar de aarde, voor de astronomen onbruikbaar. Om het probleem op te lossen,
werd een tweede versie van de belangrijkste camera gebouwd. Optisch was die nieuwe camera aangepast door vier kleine spiegels te plaatsen die de effecten weer zouden compenseren. Voor de andere instrumenten werd een speciale optische module, de COSTAR (Corrective
Optics Space Telescope Axial Replacement), gebouwd als tijdelijke oplossing. Een operatie die
overigens ongeveer 8 miljoen dollar heeft gekost. Om de spiegel in de goede vorm te houden,
wordt die op een constante temperatuur van ongeveer 15 graden Celsius gehouden. De zon fotograferen kan de Hubble dan ook niet, dat is te warm en er komt te veel licht vandaan.
Pixels
De meest belangrijke camera tot 2002 was de Wide Field and Planetary Camera 2 (WF/PC2).
Eigenlijk zijn het twee camera's in één: de Wide Field Camera (WFC) en de Planetary Camera
Een doorsnede van de Hubble, hier nog met de WF/PC2. Via de baffle wordt
het licht van de secundaire spiegel naar de camera gestuurd.
© ESA
(PC). De eerste heeft drie CCD's in een L-vorm en heeft een wat wijdere kijkhoek dan de Planetary Camera, die één CCD heeft. Iedere
CCD van de WF/PC2 bestaat uit 800x800 pixels, dus in totaal 2,56
miljoen pixels. Dat klinkt niet schokkend, maar je moet beseffen
dat de WF/PC2 in 1993 de ruimte in ging, ver voordat digitale fotografie gemeengoed was. Wat veel belangrijker is voor de astronomen, is dat de CCD's gevoelig zijn voor een heel groot bereik: van
120 tot 1100 nanometer, een vele malen breder spectrum dan de
sensoren van de digitale camera (zichtbaar licht valt tussen de 380
en 780 nanometer). Daarnaast zijn de CCD's veel lichtgevoeliger
dan de sensoren voor gewone fotografie en hebben ze een groter
dynamisch bereik. Vanaf 2002 is een tweede camera voor zichtbaar
licht en nabij-infrarood op de Hubble geplaatst, de Advanced Camera for Surveys (ACS). Deze heeft twee CCD's met in totaal 16 miljoen pixels. Een hele vooruitgang ten opzichte van de WF/PC2.
Belangrijk voor de wetenschap is ook dat de ACS een iets grotere
kijkhoek heeft, waardoor je wat meer van de ruimte ziet. Helaas
was de ACS tussen 2007 en 2009 buiten dienst door storingen.
Ook de Wide Field Camera 3 (WFC3), die de WF/PC2 in 2009 verving, heeft twee CCD's met in totaal 16 miljoen pixels. Daarnaast
heeft deze camera een tweede sensor van exotisch materiaal met
1 miljoen pixels voor registratie in het nabij-infrarood (850-1700
nm). Opnieuw niet schokkend, zeker niet als je beseft dat een EOS
7D van 1500 euro al meer pixels heeft. De CCD's van de WFC3 en de
ACS zijn wel een stuk groter, de pixels meten 15 micrometer. Ter
vergelijking: de pixels van de EOS 7D zijn 4,3 micrometer groot en
die van de Nikon D3S 8,45 micrometer.
Resolutie
Astronomen zijn net als fotografen, ze willen zoveel mogelijk detail
zien. In de fotografie drukken we het scheidend vermogen uit in lijnen per millimeter, in de astronomie praat men over boogseconden per pixel. Daarmee wordt aangegeven onder welke hoek je
nog twee punten kunt onderscheiden. De ruimtelijke resolutie
wordt vooral bepaald door de diameter van de spiegel, en is afhan-
30-31_Hubble 11-02-10 08:40 Pagina 31
HEMELS PF 2-2010
De Hubble heeft van het heelal de diepste opname ooit gemaakt. Je kijkt naar ongeveer 10.000 sterrenstelsels in een diameter van 11 boogminuten. De foto laat het heelal op een afstand van
13 miljard lichtjaar ver weg zien, dat betekent dus ongeveer 400-800 miljoen jaar na de Big Bang. Juist voor dit soort studies is de Hubble geschikt. De foto is een combinatie van beelden uit
de ACS en de NICMOS, die vooral infrarood waarneemt.
kelijk van de golflengte. Een boogseconde is 1/3600 van een graad
en een mens kan ongeveer 60 boogseconden aan detaillering zien,
een goede grondtelescoop iets minder dan 1 boogseconde. Bij de
WFC3 van de Hubble ziet elke pixel een stukje hemel van 0,04
boogseconde. Dat is te vergelijken met twee vliegen op een meter
van elkaar in San Francisco van elkaar onderscheiden, terwijl je zelf
in New York staat. Dat de Hubble daartoe in staat is, komt voor een
belangrijk deel ook doordat hij geen last heeft van de atmosfeer.
Meer pixels, met dezelfde grootte, levert een grotere beeldhoek op.
Kijkhoek
Minstens zo belangrijk als de resolutie is de kijkhoek. De Hubble is
voorzien van wide field camera's, zeg maar de groothoek voor de
ruimtevaart. Maar waar je in de fotografie bij een groothoek praat
over 84 graden (24mm-objectief), heb je het bij de WFC3 over 164
boogseconden, 0,046 graden dus. Dat is ongeveer gelijk aan 8,5%
van de diameter van de maan, gezien vanaf de aarde. De ACS is
nog net wat groothoekiger met een beeldhoek van 202 boogseconden, oftewel 0,056 graden. Voor astronomen is dat heel breed,
met licht dat van ver komt heb je het al snel over lichtjaren breed
beeld. Bovendien kun je minder detail waarnemen als je een breder beeld hebt bij dezelfde resolutie.
© NASA/ESA/S. Beckwith (STScl)/HUDF team
Kleur
De CCD legt in principe alleen zwartwitbeelden vast; dat is in de digitale camera eigenlijk
niet anders. Door filters kan kleur waargenomen worden. Bij de digitale camera wordt daar
meestal het Bayer-patroon gebruikt, waarbij vier pixels de kleur bepalen. In de ruimtevaart
worden verschillende filters voor de CCD geplaatst om alleen bepaalde spectrale gevoeligheden door te laten. De WFC3 heeft zo'n 48 filters die voor de CCD kunnen worden gedraaid.
Op aarde worden de verschillend gefilterde zwartwitfoto's gecombineerd om een kleuren-
foto samen te stellen. Je kunt het vergelijken met de ondertussen oude multishotcamera's,
waarbij na elkaar drie opnamen worden gemaakt met een verschillend filter. De kleur wordt
niet alleen gebruikt om te tonen hoe wij het zouden zien als we in de ruimte zouden zijn.
Meer nog wordt de kleur gebruikt om details te verhelderen. Als een gaswolk verschillende
soorten rood uitzendt, kunnen door filteren de kleurverschillen groter worden gemaakt en
naar RGB worden getrokken. Zo kunnen de astronomen de gaswolk beter bestuderen.
Kosten
De Hubble draait nu al twintig jaar in een baan om de aarde, zo'n 570 km hoog met een
snelheid van 7500 m/s. In al die jaren heeft de Hubble prachtige foto's gemaakt van het
heelal. Mooi om naar te kijken, onschatbaar voor de wetenschap. De kosten van de Hubble
zijn er dan ook naar. Bij de lancering heeft de Hubble 1,5 miljard dollar gekost. In 2014 gaat
de Hubble met pensioen; hij heeft dan in totaal naar schatting 6 miljard dollar gekost. Een
schijntje, zeggen astronomen.
Met dank aan Nick Cox, onderzoeker Institute of Astronomy KU Leuven.
31