Als scherven van gebroken glas die in de schijnwerpers worden gevangen, lijken de sterren bedrieglijk passief aan de nachtelijke hemel. Stellaire oppervlaktetemperaturen kunnen 50.000 graden Celsius bereiken - meer dan tien keer heter dan onze zon - en bij een paar zelfs meer dan een miljoen graden! De warmte binnen een ster bereikt zelfs nog hogere niveaus die doorgaans enkele miljoenen graden overschrijden - genoeg om atoomkernen uit elkaar te halen en ze te transformeren in nieuwe soorten materie. Onze terloopse blikken naar boven onthullen niet alleen deze extreme omstandigheden, maar duiden alleen op de enorme verscheidenheid aan sterren die er zijn. Sterren zijn gerangschikt in paren, drielingen en kwartetten. Sommige zijn kleiner dan de aarde, terwijl andere groter zijn dan ons hele zonnestelsel. Omdat zelfs de dichtstbijzijnde ster 26 biljoen mijl ver verwijderd is, is bijna alles wat we over hen weten, inclusief die op de bijgaande foto, alleen uit hun licht gehaald.
Onze technologie is vandaag de dag nog steeds niet in staat om een persoon of een robot zelfs maar naar de dichtstbijzijnde ster te sturen binnen een transittijd van minder dan enkele duizenden jaren. Daarom blijven de sterren nu en voor vele jaren fysiek ontoegankelijk zonder een ongekende doorbraak in de voortstuwing van de ruimte. Hoewel het niet praktisch is om de berg te bezoeken, is het mogelijk geweest om delen van de berg te bestuderen die naar ons zijn gestuurd in de vorm van sterrenlicht. Bijna alles wat we weten over de sterren is gebaseerd op een techniek die bekend staat als spectroscopie - de analyse van licht en andere vormen van straling.
Het begin van spectroscopie komt van Isaac Newton, de zeventiende-eeuwse Engelse wiskundige en wetenschapper. Newton was geïntrigeerd door het toen vreemde idee, voorgesteld door eerdere denkers zoals Rene Descartes, dat wit licht alle kleuren van de regenboog vasthoudt. In 1666 experimenteerde Newton met een glazen prisma, een klein gaatje in een van zijn luiken en de witte muur van de kamer. Toen het licht van het gat door het prisma ging, werd het als bij toverslag verspreid in een reeks lichtjes overlappende kleuren: van rood tot violet. Hij beschreef dit als eerste als een spectrum, het Latijnse woord voor verschijning.
Astronomie omvatte niet meteen de ontdekking van Newton. Ruim in de achttiende eeuw dachten astronomen dat de sterren slechts een decor waren voor de beweging van de planeten. Een deel hiervan was gebaseerd op het wijdverbreide ongeloof dat de wetenschap ooit de ware fysieke aard van de sterren zou kunnen begrijpen vanwege hun verre afstand. Maar dat werd allemaal veranderd door een Duitse opticien genaamd Joseph Fraunhofer.
Vijf jaar nadat hij bij een optiekbedrijf in München kwam, werd Fraunhofer, toen 24 jaar oud, partner vanwege zijn vaardigheid in glas maken, lensslijpen en ontwerpen. Zijn streven naar ideale lenzen die in telescopen en andere instrumenten worden gebruikt, bracht hem ertoe te experimenteren met spectroscopie. In 1814 zette hij een landmeetkundige telescoop op, monteerde er een prisma tussen en een klein stukje zonlicht en keek vervolgens door het oculair om het resulterende spectrum te observeren. Hij zag een verspreiding van kleuren, zoals hij had verwacht, maar hij zag iets anders - een bijna ontelbaar aantal sterke en zwakke verticale lijnen die donkerder waren dan de rest van de kleuren en sommige leken bijna zwart. Deze donkere lijnen zouden later voor iedere natuurkundestudent bekend worden als de Fraunhofer-absorptielijnen. Newton had ze mogelijk niet gezien, omdat het gat dat in zijn experiment werd gebruikt groter was dan de spleet van de Fraunhofer.
Gefascineerd door deze lijnen en zeker dat het geen artefacten van zijn instrument waren, bestudeerde Fraunhofer ze aandachtig. In de loop van de tijd bracht hij meer dan 600 lijnen in kaart (vandaag zijn dat er ongeveer 20.000) en richtte zijn aandacht vervolgens op de maan en de dichtstbijzijnde planeten. Hij ontdekte dat de lijnen identiek waren en concludeerde dat dit kwam omdat de maan en planeten zonlicht reflecteerden. Vervolgens bestudeerde hij Sirius, maar ontdekte dat het spectrum van de ster een ander patroon had. Elke ster die hij observeerde, had daarna een unieke set donkere verticale lijnen die elkaar als een vingerafdruk van de anderen onderscheiden. Tijdens dit proces heeft hij een apparaat dat bekend staat als een diffractierooster enorm verbeterd en dat kan worden gebruikt in plaats van een prisma. Zijn verbeterde traliewerk leverde veel meer gedetailleerde spectra op dan een prisma en maakte het hem mogelijk kaarten van de donkere lijnen te maken.
Fraunhofer testte zijn spectroscopen - een term die later werd bedacht - door het licht van een gasvlam te observeren en de spectraallijnen te identificeren die verschenen. Deze lijnen waren echter niet donker - ze waren helder omdat ze het resultaat waren van een materiaal dat was verhit tot gloeiing. Fraunhofer merkte het samenvallen op tussen de posities van een paar donkere lijnen in het zonnespectrum met een paar heldere lijnen uit zijn laboratoriumvlammen en speculeerde dat de donkere lijnen kunnen worden veroorzaakt door de afwezigheid van een bepaald licht alsof de zon (en de andere sterren) hadden hun spectra van smalle kleurstrepen beroofd.
Het mysterie van de donkere lijnen werd pas rond 1859 opgelost, toen Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen experimenten uitvoerden om chemische materialen te identificeren aan de hand van hun kleur bij verbranding. Kirchhoff suggereerde dat Bunsen een spectroscoop gebruikte als de duidelijkste methode om onderscheid te maken en al snel werd duidelijk dat elk chemisch element een uniek spectrum had. Zo produceerde Sodium de lijnen die Fraunhofer enkele jaren eerder voor het eerst zag.
Kirchhoff ging verder met het correct begrijpen van de donkere lijnen in de zonne- en stellaire spectra: licht van de zon of een ster passeert een omringende atmosfeer van koelere gassen. Deze gassen, zoals natriumdamp, absorberen hun karakteristieke golflengte van het licht en produceren de donkere lijnen die Fraunhofer eerder die eeuw voor het eerst zag. Dit ontsloot de code van de kosmische chemie.
Kirchoff ontcijferde later de samenstelling van de zonne-atmosfeer door niet alleen natrium, maar ook ijzer, calcium, magnesium, nikkel en chroom te identificeren. Enkele jaren later, in 1895, bevestigden astronomen die een zonsverduistering bekeken de spectraallijnen van een element dat nog niet op aardhelium was ontdekt.
Terwijl het detectivewerk doorging, ontdekten astronomen dat de straling die ze bestudeerden door middel van spectroscopen zich uitstrekte tot voorbij de bekende zichtbare kleuren tot elektromagnetische gebieden die onze ogen niet kunnen waarnemen. Tegenwoordig is veel van het werk dat de aandacht van professionele astronomen trekt niet met de visuele kenmerken van deep space-objecten, maar met de aard van hun spectra. Vrijwel alle nieuw ontdekte extra zonneplaneten zijn bijvoorbeeld ontdekt door stellaire spectrumverschuivingen te analyseren die worden geïntroduceerd terwijl ze rond hun moederster cirkelen.
De enorme telescopen die op extreem afgelegen locaties over de hele wereld draaien, worden zelden met een oculair gebruikt en maken zelden foto's zoals in deze discussie. Sommige van deze instrumenten hebben spiegeldiameters van meer dan 30 voet en andere, die zich nog in ontwerp- en financieringsfase bevinden, hebben mogelijk lichtopvangoppervlakken van meer dan 100 meter! Over het algemeen zijn ze, degenen die bestaan en die op de tekentafel, geoptimaliseerd om het licht dat ze verzamelen te verzamelen en te ontleden met behulp van geavanceerde spectroscopen.
Momenteel worden veel van de mooiste deep space-afbeeldingen, zoals hier afgebeeld, gemaakt door begaafde amateurastronomen die zich aangetrokken voelen tot de schoonheid van objecten die door de diepe ruimte zweven. Gewapend met gevoelige digitale camera's en opmerkelijk precieze maar bescheiden optische instrumenten, blijven ze een inspiratiebron voor mensen over de hele wereld die hun passie delen.
De kleurrijke foto rechtsboven werd in augustus van dit jaar gemaakt door Dan Kowal vanuit zijn privé-observatorium. Het toont een scène in de richting van het noordelijke sterrenbeeld Cygnus. Deze complexe massa van moleculaire waterstof en stof is ongeveer 4000 lichtjaar van de aarde verwijderd. Veel van het licht dat in het grootste deel van deze nevel te zien is, wordt gegenereerd door de massieve heldere ster nabij het centrum. Foto's met een brede hoek en lange belichtingstijd laten zien dat de nevel zeer uitgestrekt is - in wezen een enorme rivier van interstellair stof.
Deze foto is gemaakt met een zes-inch apochromatische refractor en een astronomische camera van 3,5 megapixels. De afbeelding vertegenwoordigt bijna 13 uur belichting.
Heeft u foto's die u wilt delen? Plaats ze op het astrofotografieforum van Space Magazine of e-mail ze, en misschien plaatsen we er een in Space Magazine.
Geschreven door R. Jay GaBany
