riccardo giacconi’s eerste onderzoeksvoorstellen botsten op grote scepsis bij de nasa. gelukkig was hij vasthoudend genoeg om ze door te zetten. vandaag is de röntgensterrenkunde een belangrijke manier om de verste sterrenstelsels op te sporen en zijn de spinn-offs een winstgevende business geworden. de jonge pionier werd rijk en beroemd en mocht vorig jaar de nobelprijs natuurkunde in ontvangst nemen.
Een röntgenfoto van het heelal (#3)
Riccardo Giacconi kreeg in 2002 de Nobelprijs Natuurkunde omwille van zijn ‘pioniersrol in astrofysica, die geleid heeft tot de ontdekking van kosmische röntgenbronnen’. Als pionier heeft hij een grote dosis doortastendheid nodig gehad, want zijn voorstellen om via ballonvluchten röntgenstralen uit de kosmos waar te nemen, werden in eerste instantie door de NASA afgewezen. Vroegere vluchten kort na de Oorlog — met gerecycleerde Duitse raketten — hadden iets laten zien, namelijk röntgenstraling van de zon, maar die straling extrapoleren naar stellaire afstanden leek een onmogelijke zaak.
Enkele woorden van toelichting over het belang van sterrenkunde in de ruimte zijn hier wellicht nodig. Conform de stereotypen van stripverhalen turen sterrenkundigen naar de hemel. Prozaïscher uitgedrukt betekent dit dat zij elektromagnetische straling registreren. Die elektromagnetische golven, die zich voortbewegen aan de lichtsnelheid, kunnen gekarakteriseerd worden door één grootheid, de golflengte, die alle waarden tussen nul en oneindig kan aannemen. Zichtbaar licht, van blauw tot rood, heeft golflengten tussen pakweg vierhonderd en zeshonderd miljardsten van een meter; met onze ogen kunnen wij dus enkel door een smal elektromagnetisch venster naar het heelal kijken. Het is dan meteen duidelijk waarom sterrenkundigen veel van hun creativiteit aanwenden om instrumenten te bouwen om de hemel ook bij die vele andere golflengten te verkennen. Bovendien komt slechts een klein stukje van het totale spectrum, namelijk het zichtbare licht, het nabije infrarood en ook een band van het radiospectrum, door onze aardse atmosfeer.
De rest van het spectrum moeten we dus waarnemen vanuit de ruimte, en dat is niet overbodig, want andere golflengten verkennen andere fysische processen. Hoe korter de golflengte van de straling, hoe groter immers de energie ervan, en dat betekent vaak dat de waargenomen bron dan veel heter is. Met het zichtbare licht komen we al een heel eind, want bij die golflengten stralen de sterren, de talrijkste en daarom voornaamste bakens in het heelal. Gewone sterren stralen nauwelijks bij de kortste golflengten, al blijken de hete media rond sterren als de zon toch ook goed waarneembaar te zijn bij korte golflengten. De hemel bij de kortste golflengten, van gamma- en X-stralen of röntgenstraling, is dan ook een hemel waarin we hete en explosieve gebeurtenissen waarnemen, de spektakelsterrenkunde zowaar. De infrarode hemel staat dan weer voor cool astronomy.
De ballon die Giacconi uiteindelijk met zijn medewerkers mocht lanceren, was niet bepaald krachtiger dan de Peenemünde-raket, een gerecycleerde V2, maar de instrumenten aan boord waren het des te meer. Dat is trouwens een andere — wat prozaïscher — reden waarom de overheid de bevrediging van de nieuwsgierigheid van astronomen gul financiert: hun creativiteit leidt wel eens tot technologische nieuwigheden die elders interessant kunnen zijn. Het geval Giacconi is welbekend in die context. Gevoelige detectoren zijn erg nuttig in bijvoorbeeld een medische context: men bekomt hetzelfde resultaat met een kleinere — minder gevaarlijke — dosisstraling. In die zin had Giacconi zijn Nobelprijs niet echt nodig: het octrooi op zijn detector, die vaak gebruikt wordt in luchthavens om naar wapens te speuren, heeft hem een aardige cent opgebracht.
Al na vijf minuten bleek dat vanuit de hele hemel röntgenstraling op ons afkomt
Hoe dan ook, de eerste poging in 1962 was direct raak. Al na vijf minuten bleek dat vanuit de hele hemel röntgenstraling op ons afkomt, de zogenaamde röntgenachtergrond, die Giacconi gedurende zijn verdere wetenschappelijke carrière zou blijven onderzoeken. Snel werd ook de eerste puntbron gevonden, in het sterrenbeeld de schorpioen, en ze kreeg de naam Scorpius X-1. Dat cijfertje was nuttig, want er zouden er meer volgen, zoals Cygnus X-1, Centaurus X-1 en X-2. Recentere ontdekkingen krijgen nu namen als XTE J1118+480, maar die sterrenbeelden zijn wel vermeldenswaard: wie zijn hemel kent, weet dat Scorpius, Cygnus en Centaurus tot de melkweg behoren. Die bronnen zijn dus verbonden met objecten in ons eigen sterrenstelsel. Het is gebleken dat het dubbelsterren zijn met een compacte — kleine en zware — component, die materie van de begeleider opzuigt in een enorm gravitatieveld en daardoor versnelt tot temperaturen van miljoenen graden. De wereld van de röntgendubbelsterren is een extreem rijk nieuw domein van de sterrenkunde gebleken, omwille van het exotische karakter van de betrokken objecten, hun belang als eindproducten van sterevolutie, maar ook om fysische processen bij hoge energieën te testen. Want waar de sterrenkundige het nadeel heeft dat hij moet kijken en geen laboratoriumexperimenten kan uitvoeren met hetgeen hem interesseert, heeft hij wel toegang tot laboratoria die hier op aarde niet direct kunnen worden geconstrueerd.
Na de eerste ballonnen zijn snel verschillende satellieten gevolgd, en vandaag wordt de röntgenhemel met een arsenaal van instrumenten bestudeerd door enerzijds het Chandra-observatorium van de NASA en anderzijds de XMM-Newton van het Europese Ruimteagentschap ESA. Bij vele van die projecten was Giacconi betrokken en telkens opnieuw interesseerde hij zich vooral voor de röntgenachtergrond. Uiteindelijk is gebleken dat die achtergrond — zowat de helft van de totale flux die op ons toekomt —opgelost kan worden in individuele bronnen, die overeenkomen met de kernen van verre sterrenstelsels. Opnieuw is het de gravitatie van een compact object die hier voor vuurwerk zorgt, maar ditmaal niet van stellaire dimensies, maar eerder een zwart gat met massa’s van miljoenen tot een miljard keer de massa van de zon. Dat zwarte gat zien we — per definitie — niet, maar wel het hete gas net voor het opgezwolgen wordt: de röntgenachtergrond aan de hemel is zowat de noodkreet van materie die uit onze zichtbare einder verdwijnt.
Ook ons melkwegstelsel heeft een centraal zwart gat, van eerder bescheiden dimensies. De massa ervan kon recentelijk vrij nauwkeurig worden bepaald door de beweging te volgen van een ster die er omheen draait met een periode van een twintigtal jaar: drie miljoen zonmassa’s is het resultaat. De beweging volgen van een ster op vijfentwintigduizend lichtjaar is niet evident, maar dat kan tegenwoordig met de grote telescopen van de ESO, en het zal Giacconi als oud-directeur-generaal verblijden dat de massa van het zwarte gat in het melkwegcentrum met de ‘Very Large Telescope’ van de ESO werd gemeten. Ons zwart gat is rustig in het röntgengebied, omdat er heden ten dage weinig gas valt op te slorpen al heeft Chandra in de zomer van 2001 een korte flits van het melkwegcentrum opgevangen: een onvoorzichtige galactische toerist wellicht. Op grote kosmologische afstanden is het geweld echter de regel eerder dan de uitzondering: we kijken daar naar kosmologische epoches toen sterrenstelsels dichter bijeen zaten en het elkaar opslorpen van stelsels vaak gebeurde. Op die manier is de röntgensterrenkunde vandaag een belangrijke manier geworden om de verste en eerste sterrenstelsels en clusters op te sporen. Dat staat toch wel in sterk contrast met Giacconi’s bescheiden eerste voorstel om met zijn ballon naar de maan te kijken om er gereflecteerde röntgenstralen van de zon waar te nemen.
Eens ballonvluchten de zinvolheid van röntgensterrenkunde hadden aangetoond, zijn vele volwaardige satellieten voor X-stralensterrenkunde gevolgd
Eens ballonvluchten de zinvolheid van röntgensterrenkunde hadden aangetoond, zijn vele volwaardige satellieten voor X-stralensterrenkunde gevolgd, vaak met Giacconi als inspirator. De eerste was SAS-1 (voor ‘Small Astronomical Satellite’), die op 12 december 1970 werd gelanceerd, en na de eerste successen werd omgedoopt tot ‘Uhuru’, een Swahiliwoord voor ‘vrijheid’. Deze satelliet bracht voor het eerst de hele röntgenhemel in kaart, waarbij hij 339 bronnen ontdekte die meer dan een duizendste maal helderder waren dan de Krabnevel. Op het einde van dat decennium volgden de ‘High Energy Astrophysics Observatories’, die nog honderd maal gevoeliger waren. Eens de hemel in kaart gebracht, is de volgende fase dan vaak het ontwikkelen van grotere ruimtetuigen om in meer detail individuele bronnen te bestuderen. Giacconi slaagde erin een röntgensatelliet te laten opnemen in het NASA-programma van de ‘Great Observatories’, namelijk AXAF, de ‘Advanced X-ray Astronomical Facility’, de satelliet die werd omgedoopt tot Chandra en vandaag operationeel is. De drie andere ‘great observatories’ zijn de Hubble ruimtetelescoop, het reeds ter ziele gegane `Compton Gamma-Ray Observatory’, en de infrarood-satelliet SIRTF, waarvan de lancering verschillende malen werd uitgesteld. Wanneer u dit nummer van Karakter leest, zou het nochtans zover moeten zijn.
De vertrouwdheid van Giacconi met grote ruimteprojecten maakte van hem een ideale kandidaat om de eerste directeur te worden van het ‘Space Telescope Science Institute’ in Baltimore, waar hij zijn intrek nam in 1981. Hij was het trouwens die de NASA ervan overtuigde dat het nodig en nuttig was een instituut te creëren om de ruimtetelescoop ten volle te kunnen exploiteren. Hij kreeg er ruimschoots de kans om zijn talenten als crisismanager te tonen toen na de lancering van de Hubble Ruimtetelescoop (HST) in 1990 bleek dat een zware fout was begaan bij het testen van de optiek van de telescoop. De bedrukte sfeer die er toen heerste, staat in sterk contrast met de enorme publieke impact die opnames met de inmiddels gecorrigeerde ruimtetelescoop thans telkens opnieuw hebben. Het is dan ook goed te begrijpen dat een Amerikaanse astronoom, die met de wagen vanuit Nederland kwam voor een bezoek aan Leuven, zo onthutst was over al die bordjes ‘HST nee’ langs de snelweg …
Het is omwille van zijn talenten als crisismanager dat Giacconi in 1992 werd gevraagd directeur-generaal te worden van de ESO, waar bij de ontwikkeling van de `Very Large Telescope’ steeds meer bleek dat de complexiteit van een dergelijk project — zowel technisch als inzake management — was onderschat. Vijf eeuwen na die andere uit Genua afkomstige ontdekkingsreiziger stak Giacconi de oceaan over om aan een nieuw succesverhaal te beginnen. Vandaag is die `Very Large Telescope’ het krachtigste en meest veelzijdige instrument voor astronomische waarnemingen vanop het aardoppervlak, en mag men stellen dat voor het eerst na de oprichting in 1918 van de Mount Wilson telescoop — waarmee Edwin Hubble de studie van de extragalactische wereld en de observationele kosmologie deed aanvangen — het zwaartepunt van de observationele sterrenkunde ook in Europa ligt. Edwin Hubble, die eerst rechten studeerde voor hij aan sterrenkunde begon, en ook een verdienstelijk bokser was, heeft door baanbrekende waarnemingen de grenzen van de sterrenkunde verlegd. Zijn motto was `Not before we have exhausted all observational evidence should we turn to the realm of speculation’. Het is dan ook passend dat de ruimtetelescoop naar hem werd genoemd.
In 1999 heeft Giacconi de ESO verlaten, omdat men vond dat 67 jaar te oud is voor een directeur-generaal. Hij is dadelijk de oceaan terug overgetrokken om de leiding te nemen van het Noord-Amerikaanse deel van het Alma-project. Alma staat voor ‘Atacama Large Millimeter Array’, een netwerk van 64 gekoppelde radiotelescopen voor waarnemingen in het submillimeter- en het millimetergebied van het elektromagnetische spectrum. Andere partners zijn opnieuw de ESO, het gastland Chili, en binnenkort wellicht ook Japan. Het Alma-project is de grote volgende ambitie van de ESO, dat gedurende de komende jaren de helft van zijn budget besteedt aan de opbouw van deze grootste radiotelescoop ter wereld. Op die manier volgt Giacconi de roodverschuiving van het heelal dat hij observeert: hij is begonnen bij de grootste energieën en is geëvolueerd over het ultraviolet en het optisch-infrarood naar het radiospectrum. Alleen heeft hij dat aan een sneller tempo gedaan … Hoe dan ook, een specialisatie volgens spectrale band is uit de tijd, en sterrenkundigen moeten meer dan ooit leren alle technieken te gebruiken om de geheimen van de hemel te ontrafelen. De voorbeelden zijn immers legio van objecten die over het hele spectrum stralen, waarbij metingen bij meerdere golflengten telkens complementaire diagnostieken leveren.
Sterrenkundigen moeten meer dan ooit leren alle technieken te gebruiken om de geheimen van de hemel te ontrafelen
Het gebeurt maar nu en dan dat een sterrenkundige de Nobelprijs behaalt. De les is toch wel dat deze prijs vaak toegekend wordt aan degenen die voorbereid zijn op het onbekende en durven erkennen dat het heelal meer verbeelding heeft dan degenen die het bestuderen. De ontdekking van de pulsars in 1967 — waarvoor Antony Hewish de Nobelprijs kreeg in 1974 — gebeurde met een instrument dat eigenlijk ontworpen was om extragalactische radiobronnen te bestuderen. De ontdekking van de kosmologische achtergrondstraling in 1964 — waarvoor Arno Penzias en Robert Wilson de Nobelprijs ontvingen in 1978 — gebeurde met een antenne ontworpen om communicatiesatellieten te volgen. Ook Joseph Taylor en Russell Hulse ― Nobelprijs 1993 ― waren wijs genoeg om in hun project niet te melden dat zij naar dubbele pulsars wilden speuren; anders hadden ze wellicht hun waarnemingstijd niet gekregen …
Waar sciencefiction rond reizen naar de maan op zijn minst teruggaat tot Lucianus in de tweede eeuw, is de vorige eeuw toch bij uitstek deze waarbij de dromen van de verkenning van de ruimte werkelijkheid zijn geworden. Het is dan toch opvallend dat we tot de eenentwintigste eeuw hebben moeten wachten op deze Nobelprijs voor specifiek ruimteonderzoek. Hoewel, in 1936 kreeg de Oostenrijker Victor Hess de Nobelprijs voor de ontdekking van de kosmische straling ook meer dan twintig jaar nadat hij zelf ballonvluchten had gemaakt en de ioniserende straling in de hogere atmosfeer had gevonden. Beide onderscheidingen zijn een hulde aan de talrijke pioniers van het ruimteonderzoek.
Nobelprijs Natuurkunde 2002 voor Riccardo Giacconi.
Christoffel Waelkens is als sterrenkundige verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License