Het elektromagnetisch spectrum

geboorte in beeld De Europese infraroodtelescoop vista
brengt pasgeboren sterren in de Orionnevel aan het licht.
Elektromagnetische straling
Stralingssoort
Golflengte
Frequentie
Energie
langer dan 3 cm
lager dan 1010 Hz
lager dan 3 x 10-5 eV**
microgolfstraling
1 mm – 3 cm
1010 – 3 x 1011 Hz
3 x 10-5 – 10-3 eV
infrarode straling
700 nm* – 1 mm
3 x 10 – 4,3 x 10 Hz
10-3 – ca. 2 eV
radiostraling
zichtbaar licht
HFDST 3
36
14
400 – 700 nm
4,3 x 10 – 7,5 x 10 Hz
ca. 2 – ca. 3 eV
ultraviolette straling
10 – 400 nm
7,5 x 1014 – 3 x 1016 Hz
ca. 3 – 102 eV
röntgenstraling
0,01 – 10 nm
3 x 1016 – 3 x 1019Hz
102 – 105 eV
gammastraling
korter dan 0,01 nm
hoger dan 3 x 1019 Hz
hoger dan 105 eV
14
14
* 1 nm = 1 nanometer = een miljoenste millimeter
moderne sterrenkunde
sterrenkunde als wetenschap
11
** 1 eV = 1 elektronvolt = 1,62 x 10-19 joule
deel 1
hfdst 3 moderne sterrenkunde
Het elektromagnetisch spectrum
D
hoogte
(in km)
uizenden jaren lang was sterrenkunde een visuele
breed scala Behalve zichtbaar licht zenden
hemellichamen nog vele andere soorten straling uit.
wetenschap. Astronomen bestudeerden
wat ze met eigen ogen konden zien. Door
langere golflengten binnenkomende straling in aardatmosfeer kortere golflengten
de uitvinding van de telescoop werd het oog een
zicht­ ultra­
micro- infrarood
radio
röntgen
gamma
baar
handje geholpen, maar nog steeds draaide alles
golf
violet
licht
om zichtbaar licht. In de loop van de twintigste
eeuw werd echter duidelijk dat optische sterrenkunde een heel scheef en onvolledig beeld oplevert
van het heelal. Om de kosmos in al zijn facetten te
astronomische satellieten
begrijpen is het nodig het hele elektromagnetische
480
spectrum te bestuderen en de sterrenhemel ook
waar te nemen op andere golflengten.
In de zeventiende eeuw speculeerden natuurkundigen al over de ware aard van licht. Isaac Newton
dacht dat licht uit afzonderlijke deeltjes bestond;
85
Christiaan Huygens geloofde dat het een golfverballon
schijnsel was. De werkelijkheid ligt ergens in het
midden. Licht bestaat uit elektromagnetische
16
velden die zich voortplanten in de lege ruimte
met een bepaalde golflengte en frequentie. Maar
licht bestaat ook uit ondeelbare energiepakketjes
aardse observatoria
(fotonen). Blauw licht heeft een korte golflengte
en een hoge frequentie en bestaat uit energierijke
0
fotonen. Rood licht heeft een lange golflengte en
+ + + Net zoals honden hogere tonen kunnen horen dan mensen, zo kunnen bijen ultraviolet licht zien – straling met een
37
explosief centrum Röntgen­
straling van zwarte gaten en
supernovaresten in het centrum
van het Melkwegstelsel.
een lage frequentie, en rode fotonen hebben minder energie.
Het menselijk oog is slechts gevoelig voor een klein golflengtebereik, maar daar trekt de natuur zich niets van aan. In
het heelal wordt ook elektromagnetische straling geproduceerd met een golflengte die langer is dan die van rood licht
(infrarood) of korter dan die van violet licht (ultraviolet).
Wie het heelal alleen in zichtbaar licht waarneemt, is als de
concertbezoeker die alleen tonen tussen 400 en 410 hertz
kan horen – dan blijft er weinig over van het slotkoor van
Beethovens negende symfonie.
Onzichtbaar licht
William Herschel toonde als eerste het bestaan van onzichtbare infrarode straling aan. Eind negentiende en begin
twintigste eeuw werden ook andere vormen van onzichtbaar licht ontdekt: ultraviolette straling, röntgenstraling en
gammastraling – allemaal met een kortere golflengte dan
zichtbaar licht – en microgolfstraling en radiostraling, die
juist een langere golflengte hebben. Het duurde echter tot
halverwege de twintigste eeuw voordat er ook onzichtbaar
licht uit het heelal werd waargenomen.
hogere frequentie dan zichtbaar licht. + + +
Het elektromagnetisch spectrum is de verzamelnaam voor
al die stralingssoorten. Grofweg kun je stellen dat de straling
met een lange golflengte en een lage frequentie geproduceerd wordt door koele objecten en laagenergetische
verschijnselen, terwijl de straling met een korte golflengte
en een hoge frequentie juist afkomstig is van hete objecten
en hoogenergetische verschijnselen. Zo bestudeert een
astronoom de verdeling van koud waterstofgas in het heelal
met een radiotelescoop en maakt hij voor onderzoek aan
sterexplosies gebruik van een röntgentelescoop.
De dampkring van de aarde houdt veel elektromagnetische
straling uit het heelal tegen. Dat is maar goed ook, want
ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling
zijn vanwege hun hoge energie levensbedreigend. Alleen
zichtbaar licht en vrijwel alle vormen van radiostraling
dringen door tot op het aardoppervlak. Een deel van de
infrarode straling uit het heelal kan worden waargenomen
vanaf hoge bergtoppen, maar voor ultraviolet-, röntgenen gammasterrenkunde zijn astronomen aangewezen op
satellieten in een baan om de aarde.
schotelpark In Chili wordt gewerkt aan de bouw van het almaobservatorium: 64 schotelantennes op 5000 meter hoogte.
gestreepte regenboog Donkere lijntjes in het spectrum van de
zon verraden de samenstelling van het zonnegas.
sterrenkunde als wetenschap
38
Spectroscopie
deel 1
kleuren en lijnen Sterren en gaswolken produceren
elk hun karakteristieke spectrum.
I
saac Newton ontdekte dat wit zonlicht met behulp van
een prisma opgesplitst kan worden in de kleuren van
de regenboog. Zo’n kleurenband wordt een spectrum
continu spectrum
gloeiende lichtbron (ster)
genoemd. Onderzoek aan het spectrum van een hemellichaam (spectroscopie) vertelt je hoeveel straling er op
elke afzonderlijke golflengte wordt uitgezonden. Tegenabsorptiespectrum
ster
koele gaswolk
woordig wordt de term ‘spectrum’ meestal gebruikt voor
een grafiek waarin de stralingsintensiteit is uitgezet tegen
de golflengte.
Elk voorwerp met een bepaalde temperatuur zendt een
ijle, hete gaswolk
emissiespectrum
continu spectrum uit. De golflengte waarop de meeste
straling geproduceerd wordt, is afhankelijk van de temperatuur: koele objecten zenden meer langgolvige, laagenerdat uit een aantal smalle, heldere lijnen bestaat, oftewel
getische radiostraling uit; hete objecten juist meer kortgoleen grafiek met een relatief klein aantal scherpe pieken.
vige, energierijke röntgenstraling.
Het spectrum van een hemellichaam bevat een schat aan
Wanneer zich tussen de lichtbron en de waarnemer koeler
informatie – niet alleen over de scheikundige samenstelling,
gas bevindt, dan worden bepaalde golflengten door dat gas
maar ook over temperatuur, druk en bewegingstoestand van
geabsorbeerd. In de kleurenband ontstaan dan smalle abhet waargenomen object.
sorptielijnen: donkere lijnen op heel specifieke golflengten,
Voor het uiteenrafelen van sterlicht maken astronomen nog
die afhankelijk zijn van de scheikundige samenstelling van
steeds gebruik van speciale prisma’s, maar ook van zogehehet gas. In een grafiek van stralingsintensiteit als functie van ten tralies: glasplaten met een heel fijn patroon van evenwijgolflengte zijn die lijnen zichtbaar als scherpe ‘dalen’.
dige lijnen. Dankzij glasvezeltechnieken is het tegenwoordig
Is het gas heet en ijl, dan zendt het zelf straling uit op precies mogelijk om van honderden objecten tegelijkertijd het
diezelfde golflengten. Zo ontstaat een emissiespectrum
spectrum vast te leggen.
+ + + Het woord ‘spectrum’ komt uit het Latijn. Het betekent letterlijk ‘geestverschijning’. + + + Een kerstboomlampje zou nog
hfdst 3 moderne sterrenkunde
Radioastronomie
39
radio nederland De Westerbork Synthese Radio Telescoop
bestaat uit 14 schotelantennes van 25 meter groot.
D
e Amerikaanse radiotechnicus Karl Jansky (19051950) ontdekte in 1931 radiostraling uit het heelal
met behulp van een grote, roterende antenne. Geïnspireerd door de ontdekking van Jansky bouwde Grote Reber
(1911-2002) in 1937 de eerste paraboolvormige schotelantenne, met een middellijn van 9 meter. Daarmee produceerde
hij in 1941 de eerste radiokaart van de hemel.
In 1944 voorspelde de Nederlander Henk van de Hulst (19182000) dat koel waterstofgas radiostraling uitzendt op een
golflengte van 21 cm. Die 21 cm-straling is in 1951 aangetoond en wordt nu gebruikt om de verdeling van waterstof
in het heelal in kaart te brengen. Van de Hulsts leermeester
Jan Oort (1900-1992) onderkende al vroeg het grote belang
van de radiosterrenkunde en was de initiatiefnemer van
de Nederlandse radiotelescopen in Dwingeloo (1956) en
Westerbork (1970).
Vanwege de lange golflengte moet een radiotelescoop veel
groter zijn dan een optische telescoop om een vergelijkbare
beeldscherpte te bereiken. Gelukkig worden er minder hoge
eisen gesteld aan de oppervlaktenauwkeurigheid van de
paraboolreflector. Interferometrie – het koppelen van afzonderlijke telescopen om een enorm hoge beeldscherpte te
bereiken – is op radiogolflengten ook veel gemakkelijker. De
bekendste radio-interferometers zijn de Karl G. Jansky Very
Large Array (vla) in New Mexico en de Westerbork Synthese
Radio Telescoop (wsrt) in Drenthe.
De meeste radiotelescopen zijn gevoelig voor straling met
een golflengte tussen 3 en 50 cm. In Chili wordt echter een
grote radio-interferometer gebouwd voor korte microgolflengten (ca. 1 mm): de Atacama Large Millimeter Array
(alma). In Noord-Nederland ligt de kern van een enorm
uitgestrekt antennepark voor radiostraling met golflengten
van een paar meter tot enkele tientallen meters: de Low
Frequency Array (lofar). lofar is een van de voorlopers van
de toekomstige Square Kilometer Array (ska), een radiotelescoop met een antenneoppervlak van een vierkante
kilometer.
geen minuut kunnen branden op de energie van alle radiostraling die de afgelopen 50 jaar met aardse telescopen is opgevangen. + + +