de samenvatting (word-doc)

Universiteit Derde Leeftijd Leuven – Cyclus ‘De Wetenschap van de Kosmos’
Christoffel Waelkens
I. Het Heelal van binnenuit bekeken
Onze Aarde is een vrij kleine planeet, die zich beweegt rond een modale ster, die zich
met vele andere bevindt in een modaal sterrenstelsel, één van de vele stelsels in ons
heelal. De plaats waar we wonen is onooglijk klein in vergelijking met de diepten van het
heelal. Hoe kan het dan dat wij iets over dat heelal kunnen zeggen, over plaatsen waar
we nooit geweest zijn en nooit zullen komen?
Omdat we het heelal kunnen zien! Dat klinkt triviaal, maar is eigenlijk wonderbaar.
Inderdaad, zien is licht meten, en licht is een elektromagnetisch fenomeen. Kennen de
sterren dus elektromagnetisme? Het antwoord is ja. De ultieme reden waarom we iets
over het heelal kunnen zeggen, is omdat de wetten van de fysica overal dezelfde zijn.
Dat heeft Newton eerst gevonden voor de gravitatiewet, maar het geldt voor alle wetten,
die van Maxwell incluis.
Meten is interageren. De fysica brengt alle interactie terug op vier fundamentele types:
gravitatie, elektromagnetisme, zwakke en sterke nucleaire wisselwerking. De twee laatste
dragen niet ver, op grote schaal domineren gravitatie en elektro-magnetisme. Het is de
laatste die de grote informatiedrager is in het heelal. De gravitatie is zoveel zwakker,
maar zodra de materie evenveel positieve als negatieve ladingen telt, domineert zij.
Om te begrijpen wat we meten van het heelal, moeten we elektromagnetisme kennen.
We komen al een heel eind met enkele basiswetten. Eén daarvan is de stralingswet van
Planck, die beschrijft bij welke golflengten een lichaam met een bepaalde temperatuur
uitstraalt. De curves die bij verschillende temperaturen horen, lijken op elkaar, maar ze
zijn verschoven in golflengte. Een simpele wet komt te voorschijn: hoe heter een object,
hoe korter de golflengte van de straling die het uitzendt. Het verband tussen de
golflengte  waarbij de straling haar maximum bereikt en de temperatuur T, is eenvoudig:
T = 2900 m K, het product van beide is constant; als we de golflengte uitdrukken in
micrometer en de temperatuur in Kelvin, is die constante ongeveer 2900. Vullen we de
temperatuur van de Zon (5800 K) in, dan vinden we dat de zon het meeste uitstraalt
rond 0.5 m. Klopt, de Zon is geel!
De stralingswet van Planck leert ons dat hete en koude objecten in andere delen van het
elektromagnetische spectrum stralen. Kijken we naar hete bronnen, dan geven die stralen, X-stralen of UV-straling af; koele bronnen stralen in het infrarode (IR) gebied.
Daartussenin, in het optische deel van het spectrum en het nabije UV en IR, hebben we
de temperaturen van sterren. Vermits sterren de voornaamste energiebronnen in het
heelal zijn, hebben we geluk: met onze ogen kunnen we heel wat van het heelal
verkennen. Die andere golflengten zien we niet. En velen ervan zijn ook niet te zien,
want ze geraken niet door onze atmosfeer. Meteen is duidelijk hoeveel de sterrenkunde
te danken heeft aan ruimtetuigen die van boven de atmosfeer de kosmos kunnen
waarnemen.
De optische hemel en infrarode hemel
De lichtende band aan de hemel die wij de melkweg noemen, is een gebied waar veel
meer sterren voorkomen dan elders. Het blijkt dat wij ons bevinden in een schijf van
sterren, en dat boven en onder die schijf minder sterren voorkomen. Dat lokale
afgeplatte systeem van sterren noemen we ons Melkwegstelsel. Het meest juiste beeld
van onze melkweg verkrijgen wij in het infrarode licht, dat door het stof tussen de
sterren kan heen kijken. Het wordt dan duidelijk dat we eerder aan de kant van de schijf
staan, op ongeveer 25,000 lichtjaren van het centrum. Ons sterrenstelsel gelijkt zeer sterk
op andere stelsels die wij waarnemen.
Tussen de sterren zien wij in het infrarood ook vele uitgebreide bronnen aan de hemel.
Het zijn koele gebieden van gas en stof, die tot op ongeveer kamertemperatuur worden
opgewarmd door jonge sterren die zich in die gebieden bevinden. Het infrarood is het
golflengtegebied bij uitstek om de geboorte van sterren te bestuderen.
De hemel bij hoge energieën: roentgen- en gamma-straling
De hoge-energie-bronnen aan de hemel zijn vaak niet alleen heet, maar ook compact:
veel materie samengedrukt in een klein volume. Het is het gas dat erop invalt dat verhit
wordt en X- en -straling uitzendt. Die compacte bronnen kunnen de eindstadia van
sterren zijn, maar ook de zwarte gaten met gigantische massa’s die zich in de kernen van
vele sterrenstelsels – ook het onze – bevinden. Ook het gas tussen sterrenstelsels straalt
in het roentgengebied; de radioactiviteit van het interstellaire gas zorgt voor -straling.
Zelfs ordinaire sterren als onze zon zijn waarneembaar aan de roentgenhemel. De zon is
immers omgeven door een ijle maar hete corona, die wij enkel in optisch licht kunnen
zien gedurende een totale zonsverduistering. Het grote mysterie van de -straalsterrenkunde was tot voor kort de aard van de zogenaamde -uitbarstingen. Dit zijn
plotse bijzonder intense en eenmalige flitsen, blijkbaar uit willekeurige richtingen. Wij
weten nu dat dergelijke flitsen meestal komen van supernova-uitbarstingen van zeer
grote sterren diep in het heelal.
De hemel bij lage energieën: microgolf- en radiostraling
De koelste thermische straling uit het heelal situeert zich in het mm-gebied.
Merkwaardig genoeg blijkt deze koele straling heel intens te zijn, en ook bijzonder
uniform: uit alle richtingen is ze nagenoeg identiek. Deze achtergrondstraling werd in
1964 toevallig ontdekt door Arno Penzias en Robert Wilson van de Bell Laboratories in
New Jersey, maar ze kregen er in 1978 wel de Nobelprijs Natuurkunde voor. Ze hadden
immers niets minder dan de nagloed van de oerknal gevonden.
Bij nog langere golflengten dan deze van de achtergrondstraling zien wij geen thermische
straling meer: inderdaad kan niets kouder zijn dan het heelal zelf. Nochtans straalt het
heelal toch bij golflengten van de orde van centimeters, en bij die golflengten zien wij de
structuur opnieuw opduiken. Het is dan wel straling die door andere mechanismen
wordt veroorzaakt, vooral door de kleine magnetische velden waarin sterrenstelsels, ook
het onze, ingebed zijn. Waarnemingen van sterrenstelsels bij die golflengten zijn
bijzonder vruchtbaar gebleken om de eigenschappen van die stelsels te bestuderen: dit is
het domein van de radiosterrenkunde.