Spectroscopie
Als er ooit tekenen van leven worden ontdekt op een andere planeet, zal dat met een spectrograaf zijn
Spectroscopie is een van de favoriete hulpmiddelen van de astronoom om het heelal te leren begrijpen. Planeten, sterren en sterrenstelsels zijn gewoon te ver weg om ze in een laboratorium te kunnen onderzoeken. Gelukkig bevat het licht dat we van deze verre hemellichamen met een telescoop opvangen veel belangrijke informatie.
Maar dat licht geeft zijn geheimen niet zomaar prijs. Om de informatie te kunnen lezen, moet het licht in zijn afzonderlijke kleuren (of golflengten) worden gesplitst, net zoals regendruppeltjes het licht van de zon uiteenrafelen tot een regenboog. Newton noemde deze regenboog van kleuren een spectrum, het Latijnse woord voor ‘verschijning’.
Een prisma splitst wit licht tot de kleuren van de regenboog.
Een natuurlijk prisma dat iedereen kent.
De eerste astronomische toepassing van de spectroscopie was de analyse van zonlicht door Fraunhofer en Kirchhoff aan het begin van de 19de eeuw. De verwachting was dat het witte licht van de zon een smetteloze regenboog zou opleveren als je het door een prisma liet schijnen. Maar toen werd voor de allereerste keer ook een patroon van donkere lijnen opgemerkt. Deze onverwachte lijnen waren ‘vingerafdrukken’ die verschillende chemische elementen in het licht hadden achtergelaten: zogeheten absorptielijnen.
Het mooie van de interactie tussen chemische elementen en licht is dat elk element zijn eigen unieke signatuur in het spectrum achterlaat – een soort streepjescode waaraan je een element kunt herkennen. Met spectroscopie laten deze streepjescodes zich ontcijferen, wat belangrijke informatie oplevert over de eigenschappen van het object dat het licht heeft uitgezonden of geabsorbeerd.
De streepjescode van de zon: een zeer lang spectrum dat in stukken is geknipt, waarna de strookjes onder elkaar zijn gezet.
Afbeelding: NOAO/AURA/NSF
Een ster zendt licht uit over het hele spectrum – een continuüm. Wanneer wit licht door een prisma gaat, vormt het een regenboog: zijn spectrum. En wanneer licht van een ster door het gas van een nevel gaat – of zelfs maar door de atmosfeer van een ster – worden specifieke kleuren (of golflengten) ervan geabsorbeerd door elementen in het gas, waardoor donkere lijnen in het continuüm ontstaan. Dit is een absorptiespectrum. De energie die door het gas wordt geabsorbeerd, wordt vervolgens alle kanten op gestraald, wederom in de specifieke kleuren van de elementen die in het gas aanwezig zijn, waardoor op bepaalde golflengten heldere lijnen ontstaan. Dat is een emissiespectrum.
Een spectrograaf is een onmisbaar astronomisch hulpmiddel dat veel ingewikkelder is dan een prisma. In plaats van een eenvoudige regenboog produceert het een spectrum waarin het licht veel verder uiteengerafeld is dan in een regenboog. De aldus verkregen spectra worden vastgelegd met een ccd-detector en ten slotte opgeslagen in computerbestanden. Het spectrum van een ster of een ander hemelobject openbaart niet alleen de aanwezigheid van bepaalde chemische elementen, maar bevat ook informatie over de fysische omstandigheden ter plaatse, zoals de temperatuur en dichtheid. Spectra kunnen ons ook iets vertellen over beweging: via het dopplereffect kan de snelheid van een ster of een sterrenstelsel ten opzichte van de aarde worden gemeten. Dit effect wordt gebruikt om exoplaneten te ontdekken, en een vergelijkbaar effect stelt astronomen in staat om de afstanden van sterrenstelsels te meten. Spectra bevatten ook informatie over het magnetische veld dat een object kan hebben, over de samenstelling van de materie en nog veel meer.
De meeste telescopen van de sterrenwachten van ESO hebben spectrografen of een spectroscopische modus. Deze hebben uiteenlopende golflengtebereiken – van het nabij-ultraviolet tot het mid-infrarood – en bieden uiteenlopende spectrale resoluties (hoe hoger de spectrale resolutie, des te sterker wordt het licht uiteengerafeld en des te meer details zijn er in het spectrum te zien).
Afbeelding van een spectrum dat met X-shooter is vastgelegd. Dit instrument kan meerdere spectra van een object tegelijk vastleggen over een breed bereik aan kleuren (of golflengten) – van het ultraviolet tot het infrarood.
De meeste spectrografen selecteren het licht dat gesplitst moet worden met behulp van een spleet, die lang of kort kan zijn, of zelfs met een klein gaatje. Alleen dat licht wordt naar de spectrograaf (niet afgebeeld) gestuurd en produceert een spectrum van die spleet.
Sommige spectrografen van de Very Large Telescope op Paranal, zoals UVES en CRIRES, produceren hoge-resolutie spectra. Andere, zoals FLAMES en VIMOS, verkrijgen spectra van vele objecten tegelijk. En sommige, zoals KMOS, MUSE en SINFONI, kunnen zelfs spectra over hun complete beeldveld maken (zie Integral Field Spectroscopy).
Op de La Silla-sterrenwacht behoren de instrumenten van de New Technology Telescope (NTT), EFOSC2 (en zijn voorganger EMMI) en SOFI ook tot de spectrografen. Maar het beroemdst is ongetwijfeld HARPS, die op de ESO 3,6-meter telescoop is geïnstalleerd. Deze laatste speelt een voortrekkersrol bij de detectie van exoplaneten.
De volgende generatie van spectrografen, zoals die welke gepland zijn voor de Extremely Large Telescope (ELT), zal de grenzen nog verder verleggen. In tegenstelling tot hun huidige voorgangers zullen astronomen daarmee naar verwachting in staat zijn om naar sporen van leven te zoeken in de atmosferen van exoplaneten die op de aarde lijken. Als er ooit tekenen van leven worden ontdekt op een andere planeet, zal dat waarschijnlijk met een spectrograaf zijn.
Wetenschappelijke hoogtepunten
ESO-spectrografen hebben een belangrijk aandeel gehad in een aantal significante ontdekkingen op verschillende astronomische terrein:
- ESO Top 10 Astronomical Discoveries (Engelstalig)
- Objecten in het zonnestelsel, exoplaneten en bruine dwergen: zie wetenschappelijke hoogtepunten CRIRES;
- Exoplaneten: zie wetenschappelijke hoogtepunten HARPS;
- Sterpopulaties: zie wetenschappelijke hoogtepunten FLAMES;
- Kosmologie: zie wetenschappelijke hoogtepunten UVES;
- Het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg: zie wetenschappelijke hoogtepunten SINFONI;
- De evolutie van sterrenstelsels: zie wetenschappelijke hoogtepunten VIMOS.