Hoe telescopen werken: optische, radio- en ruimteobservatoriums uitgelegd

De basistaken van een telescoop is het verzamelen van meer elektromagnetische straling dan het menselijk oog kan en deze in focus brengen. De diameter van de hoofdspiegel, lens of antenne van een telescoop – de aperture – bepaalt twee dingen: hoeveel zwak licht het kan verzamelen, en hoe fijn het detail kan scheiden, volgens het Amerikaanse National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Een grotere aperture betekent dat zwakkere, verder verwijderde objecten zichtbaar worden en fijnere structuren in beeld komen.

Optische telescopen: lenzen, spiegels en het atmosfeerprobleem

Klassieke optische telescopen verzamelen zichtbaar licht met lenzen (refractors) of spiegels (reflectors). De Hubble-ruimtetescoop gebruikt bijvoorbeeld een reflecterend ontwerp: licht raakt een 2,4-meter concaaf primaire spiegel, stuitert af naar een kleinere secundaire spiegel van ongeveer 0,3 meter in diameter, en keert terug door een gat in de primaire spiegel om de wetenschappelijke instrumenten te bereiken, volgens het NASA Goddard Space Flight Center. Deze twee-spiegelconfiguratie, Ritchey-Chrétien-ontwerp genaamd, is ontworpen om afbeeldingen scherp te houden over een breed gezichtsveld.

Op de grond lijden zelfs de beste locaties onder atmosferische turbulentie, die sterren laat twinkelen en fijne details wazig maakt, volgens de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), die de Very Large Telescope in Chili exploiteert. ESO's oplossing is adaptieve optica: een golfvrontsensor meet hoe het licht van een ster is vervormd, en een computergestuurde vervormbare spiegel corrigeert de vervorming in real-time. Wanneer geen helle natuurlijke ster in de buurt van het doel staat, schiet ESO een krachtige laser in de bovenste atmosfeer om een kunstmatige referencestar te creëren. ESO zegt dat deze correctie grondgestelde afbeeldingen bij zichtbare golflengten bijna zo scherp kan maken als afbeeldingen van ruimtetescopen, tegen een fractie van de kosten van een ruimtetescoop.

Waarom sommige telescopen de Aarde moeten verlaten

De aardse atmosfeer vervaagt niet alleen afbeeldingen – zij blokkeert ook hele golflengten volledig. Volgens de astronomie-onderwijssite Las Cumbres Observatory absorbeert of reflecteert de atmosfeer het meeste ultraviolette licht, röntgenstralen, gammastralen en het meeste infraroodstraling, waardoor voornamelijk zichtbaar licht, enig infrarood en delen van het radiospectrum doorheen gaan. Daarom moeten observatoria die zijn gebouwd om die geblokkeerde golflengten te bestuderen – zoals het röntgenstraal-gerichte Chandra Observatory, de gamma-ray Fermi Space Telescope, en infraroodmissies zoals Spitzer en Herschel – boven de atmosfeer in een baan draaien in plaats van op een bergkam te staan.

Röntgentelescopen hebben ook een volledig ander optisch ontwerp nodig dan zichtbaar-lichttescopen. Volgens het Chandra X-ray Center bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics zijn röntgenfotonen zo energetisch dat zij rechtuit een conventionele spiegel die op hen is gericht doorheen gaan, net zoals een kogel door een muur zou gaan. Chandra's oplossing is zijn spiegels zo te kantelen dat röntgenstralen onder een ondiepe glijdhoek opvallen en in focus afstuiten, vergelijkbaar met een steen die over water stuitert. Chandra gebruikt vier vatsgevormd spiegelparen gepolijst tot een gladheid van enkele atomen en bedekt met iridium, uitgelijnd tot binnen ongeveer 1,3 micrometer – een klein gedeelte van de breedte van een menselijk haar, volgens het Chandra X-ray Center.

Infrarood reuzen: door stof zien en terug in de tijd

De James Webb Space Telescope (JWST) is gebouwd om licht van zichtbaar rood tot infraroodgolflengten in het midden te detecteren, ruwweg 0,6 tot 28,8 micrometer, volgens NASA. Zijn primaire spiegel beslaat 6,6 meter over 18 zeshoekige goudgecoate segmenten, wat hem een verzamelgebied ongeveer 5,6 keer groter dan Hubbles geeft. Goud is gekozen omdat het rood-tot-midden infraroodlicht uitzonderlijk goed reflecteert. NASA zegt dat deze combinatie van grootte en golflengtebereik Webb in staat stelt het zwakke infraroodlicht van sterrenstelsels meer dan 13,5 miljard lichtjaren ver weg te detecteren, en dat infraroodlicht dicht stofwolken kan doorsteken die het meeste zichtbare licht blokkeren dat Hubbles instrumenten kunnen detecteren. Webb draait rond het Sun-Earth L2-punt, ongeveer 1,5 miljoen kilometer van de Aarde, waar het vrij van de warme lichtverstrooiende effecten van zowel de Zon als de Aarde blijft.

Radiotelesopen: schotels die als één reuzenoog fungeren

Radiotelesopen verzamelen de langste golflengten van licht die astronomen gebruiken, van ongeveer 1 millimeter tot meer dan 10 meter, volgens NRAO. Elke antenne heeft een parabolische schotel die inkomende radiogolven op een ontvanger focusseert, die het signaal voor analyse versterkt – een proces dat NRAO beschrijft als functionerend net als een optische telescoop maar afgestemd op veel zwakkere, veel langere golven. NRAO merkt op dat de bestudeerde radiosignalen buitengewoon zwak zijn – naar zijn schatting is een typisch mobiele telefoon signaal ongeveer een miljard miljard keer sterker dan de kosmische radiogolven die deze telescopen detecteren.

Een enkele schotel ondergaat een resolutieprobleem: omdat hoekresolutie afhankelijk is van golflengte gedeeld door antennediameter, en radiogolflengten zo lang zijn, kan zelfs een grote schotel zoals de Green Bank Telescope de fijne detail van een optische telescoop alleen niet bereiken, zegt NRAO. De oplossing is interferometrie – veel schotels uitgespreid over lange afstanden verbinden zodat zij als één veel grotere telescoop fungeren. NRAO noemt de Very Large Array, waarvan de 27 actieve schotels (plus één reserve) in New Mexico over configuraties kunnen worden verspreid met behulp van ruwweg 40 mijl spoorweg, en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), die 66 schotels in Chili verbindt, als voorbeelden van deze benadering, gebruikt om sterrenstelsels in kaart te brengen, zwarte gaten te detecteren en de vroegste kosmische structuren te bestuderen.

Wat verschillende golflengten onthullen

• Zichtbare-lichttescopen, op de grond of in de ruimte geplaatst, leggen sterren, sterrenstelsels en nevels vast zoals het menselijk oog dat zou zien.
• Infrarood-telescopen zoals Webb zien door stofwolken heen en kunnen enkele van de meest verwijderde, oudste bekende sterrenstelsels bereiken, volgens NASA.
• Röntgen-telescopen zoals Chandra zijn gebouwd om ontplofte sterren, sterrenstelselclusters en materie rondom zwarte gaten te bestuderen.
• Radiotelescooparray's zoals de VLA en ALMA brengen koud gas, verre sterrenstelsels en zwarte-gatenmilieus in kaart door veel schotels tot één effectief instrument te combineren, volgens NRAO.