Hoe ruimtetelescopen zien wat aardse observatoria niet kunnen

Licht van sterren en sterrenstelsels reist in vele vormen door het heelal, niet alleen in de zichtbare kleuren die het menselijk oog kan zien. Ultraviolet-, infrarood-, röntgen- en gammastraling dragen informatie over hete jonge sterren, koude stofwolken, geëxplodeerde sterren en zwarte gaten. De atmosfeer van de Aarde absorbeert of verstoort echter het meeste van dat licht voordat het de grond bereikt, volgens NASA Science en het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA).

Waarom de atmosfeer van de Aarde een barrière vormt

ESA legt uit dat de atmosfeer twee afzonderlijke problemen voor infraroodastronomie creëert. Ten eerste absorbeert zij de meeste infraroodgolflengten volledig, zodat slechts enkele smalle banden grondgestelde telescopen bereiken. Ten tweede gloeit de atmosfeer zelf in het infrarood, waarbij zij vaak meer straling uitzendt dan het zwakke kosmische object dat astronomen proberen te bestuderen, wat het signaal in ruis verbergt.

ESA merkt ook op dat de atmosfeer het meeste van de hoogenergetische en ultraviolette straling blokkeert, inclusief röntgenstraling, gammastraling en het meeste ultraviolet licht. NASA merkt op dat Chandra, haar röntgenobservatorium, tot een hoogte van ongeveer 139.000 kilometer (86.500 mijl) boven de Aarde cirkelt — ongeveer 200 keer hoger dan Hubble — specifiek omdat röntgenstraling de oppervlakte nooit bereikt.

Een telescoop boven de atmosfeer of ver weg van de Aarde plaatsen, verwijdert beide problemen tegelijk: er is geen lucht meer om het licht te absorberen, en geen atmosferische gloed om het te overstemmen.

Verschillende telescopen, ander licht

Elk groot ruimteobservatorium is afgestemd op een specifiek deel van het spectrum. Hubble, gelanceerd in 1990, observeert hoofdzakelijk ultraviolet en zichtbaar licht (0,1 tot 2,5 micrometer) en cirkelt ongeveer 300 mijl (483 km) boven de Aarde, nog steeds binnen bereik van af en toe uitgevoerde onderhoudsmissies, volgens NASA Science. De James Webb Space Telescope, gelanceerd in december 2021, is gebouwd voor infrarood licht en bevindt zich veel verder weg, dicht bij het tweede Lagrangepunt (L2) ongeveer een miljoen mijl van de Aarde, waar de eigen warmte ervan en de warmte van de Aarde niet kunnen interfereren met de zwakke infraroodsignalen die het probeert op te vangen.

De primaire spiegel van Webb heeft een diameter van 6,5 meter (21,3 voet), vergeleken met de 2,4 meter (7,9 voet) van Hubble, wat het meer dan zes keer zoveel lichtopvangend oppervlak geeft. NASA Science stelt dat Webb objecten kan detecteren die tot 100 keer zwakker zijn dan wat Hubble kan zien. Omdat de uitdijing van het heelal licht van de meest verre, oudste sterrenstelsels naar infraroodgolflengten uitrekt — een roodverschuivingseffect — stelt Webbs infraroodgevoeligheid het in staat verder terug te kijken in de kosmische tijd dan Hubbles ultraviolet- en zichtbare instrumenten kunnen.

Webb draagt speciale instrumenten mee voor verschillende infraroodreeksen. Zijn Near-Infrared Camera (NIRCam) dekt 0,6 tot 5 micrometer af en dient als Webbs primaire near-infrarood imager, volgens NASA Sciences instrumentenpagina. Het Mid-Infrared Instrument (MIRI) dekt 5 tot 28 micrometer af en combineert een camera, een spectrograaf die licht in een spectrum splitst om de helderheid bij elke golflengte te meten, en een coronagraaf die de glans van een ster blokkeert zodat zwakkere nabijgelegen planeten kunnen worden gezien. MIRI heeft een extra cryokoeler nodig om kouder te blijven dan de rest van het observatorium, zodat de detectoren ervan niet verblind worden door Webbs eigen reststraling.

Niet elk ruimteobservatorium levert afbeeldingen op. De Gaia-ruimtevaartuig van ESA, gelanceerd op 19 december 2013 en gestationeerd dicht bij L2, bouwt een buitengewoon nauwkeurige driedimensionale kaart van meer dan twee miljard sterren in de Melkweg, waarbij hun bewegingen, lichtkracht, temperatuur en samenstelling worden gevolgd, volgens ESAs Gaia-missieblad. ESA stelt dat Gaia de positionaalnauwkeurigheid met een factor honderd heeft verbeterd in vergelijking met zijn voorganger, de Hipparcos-satelliet; de missie ging in 2024 na sensoren- en micrometeoroïdenproblemen de post-operatieve fase in.

Aan het hoogenergetische uiteinde van het spectrum detecteert NASAs Chandra X-ray Observatory, gelanceerd op 23 juli 1999, röntgenstraling van extreem hete verschijnselen: geëxplodeerde sterren, sterrenstelselclusters en materie die rond zwarte gaten tollen, volgens NASAs astrobiologie-missieblad.

De stukjes aan elkaar leggen

Göran Pilbratt, projectwetenschapper van ESAs Herschel, beschreef de waarde van infraroodobservatie specifiek voor het bestuderen van hoe sterren en planeten ontstaan: "Door in het infrarood waar te nemen, kunnen we bestuderen hoe dingen ontstaan, de allereerste stappen, omdat formatieprocessen heel vaak plaatsvinden op koude en stoffige plekken," zei hij, volgens ESA. Infrarood licht gaat door stofwolken heen die zichtbaar licht blokkeren, waardoor instrumenten zoals Webbs NIRCam en MIRI pasgeboren sterren en planeten kunnen zien die verborgen zijn in nevelwolken.

Omdat geen enkele telescoop het hele spectrum bestrijkt, combineren astronomen routinematig gegevens van verschillende observatoria. NASA Science beschrijft Hubble en Webb als complementaire partners in plaats van rivalen: Webbs diepere infraroodvisie doorsnijdt stof en gas, terwijl Hubbles zichtbare en ultraviolette visie Webbs infraroodweergaven aanvult, samen bredere weergaven van dezelfde objecten producerend.