Het elektromagnetisch spectrum en de onvoorstelbare schaal van trillingen
Alle energie‑straling in het universum kunnen we ordenen in één groot elektromagnetisch spectrum, gerangschikt naar energiesterkte en golflengte. Dat spectrum bestaat uit verschillende energievensters of deelspectra. Astronomen onderzoeken het heelal in al deze vensters: het gamma‑venster, röntgen‑venster, ultraviolet‑venster, zichtbaar‑licht‑venster, infrarood‑venster, microwave‑venster en radio‑venster. Elk venster onthult unieke informatie en samen geven ze ons een steeds completer beeld van het universum. Zie het gehele spectrum onder dit tekstblok.
Energie als trillingen
Energie in de natuur — en dus ook in de kosmos — manifesteert zich als trillingen per seconde van deeltjes. Hoe sneller een deeltje trilt, hoe hoger de frequentie (in hertz, Hz) en hoe meer energie het draagt.
In het spectrum zien we dat gamma‑fotonen de hoogste frequenties hebben: zij trillen het snelst van alle bekende vormen van straling. Een gamma‑foton in de kern van de zon heeft een frequentie van ongeveer 10²¹ Hz. Dat betekent dat zo’n deeltje duizend × een miljard × een miljard keer per seconde trilt.
Licht dat ons oog bereikt — zichtbaar licht — heeft een frequentie van ongeveer 5 × 10¹⁴ Hz. Een lichtfoton trilt dus vijfhonderd × duizend × een miljard keer per seconde. Aan de andere kant van het spectrum vinden we radiofotonen: zij hebben de laagste energie en de grootste golflengte. Daarom zijn grote, gevoelige antennes nodig om ze te detecteren. Toch trilt zelfs een radiofoton van 1 MHz nog altijd een miljoen keer per seconde. De golflengte (λ) van één trilling in meters is gelijk aan de lichtsnelheid (c) gedeeld door de frequentie (f): λ = c / f
Kunnen we zulke getallen eigenlijk bevatten?
Wetenschappelijk begrijpen we dat de natuur kan trillen met snelheden van miljoenen, miljarden of zelfs triljarden trillingen per seconde. Maar kunnen we dat ook werkelijk bevatten? We proberen het voorstelbaar te maken:
> Tot 1 miljoen tellen, met één getal per seconde en zonder pauze, kost 11,5 dag.
> Tot 1 miljard tellen kost 31,7 jaar.
Nu keren we terug naar ons zonne‑gammafoton met 10²¹ trillingen per seconde.
> Voor een mens duurt één seconde: je zegt “één”.
> Voor dat foton is in diezelfde seconde dit gebeurd: 1.000.000.000.000.000.000.000 trillingen.
Als wij elke seconde één keer zouden kloppen om die trillingen te tellen, zouden we 31.700 miljard jaar bezig zijn om het aantal trillingen van één seconde bij te houden. Ter vergelijking: het universum bestaat ongeveer 13,7 miljard jaar.
Het tellen zou dus ruim 2300 keer langer duren dan de leeftijd van het universum.
Tijdens één enkele oogknippering heeft een gamma‑foton in de zon meer trillingen uitgevoerd dan er seconden zijn verstreken sinds het begin van de tijd.
De kloof tussen onze wereld en de kwantumwereld
Dit illustreert het enorme verschil tussen onze biologische schaal en de kwantumfysische schaal.
Ons brein is niet gebouwd om getallen als een miljard — laat staan een triljard of meer — intuïtief te begrijpen. We kunnen ze berekenen, maar we kunnen ze niet werkelijk voelen.
Het electromagnetisch stralingsspectrum
De grootste en meest gedetailleerde radiokleurenfoto van de Melkweg tot nu toe
De afbeelding toont een gedetailleerde radio-kleurenfoto van het sterrenstelsel waar wij wonen. Samengesteld door astronoom Silvia Mantovanini van Curtin University in Perth, Australië en het GLEAM-X Team. De radiofoto is genomen vanaf het zuidelijk halfrond van de aarde. De afbeelding is geproduceerd met de MWA-telescoop (Murchison Widefield Array) in West-Australië. Onze Melkweg is een enorm balkspiraalstelsel met ongeveer 100 tot 300 miljard sterren.
De Murchison Widefield Array ( MWA ) of MWA-radiotelescoop
De Murchison Widefield Array (MWA) is een radiotelescoop bestaande uit 8192 spinachtige antennes die zijn afgestemd op het ontvangen van laagfrequente radiosignalen uit de ruimte tussen een frequentie van 70 en 300 MHz.
Een MWA antenne-element bestaat uit een regelmatig raster van vier bij vier geplaatste antennes op een grondvlak van 4m × 4m van stalen gaas. Het zijn 16 spinachtige antennes met een spanwijdte van 74 cm en een hoogte van 55 cm. Elk MWA antenne-element wordt een tegel genoemd. De MWA array bestaat momenteel uit 512 tegels (Fase III september 2025).
De relevante wetenschappelijke doelen van deze telescoop zijn:
* Het in kaart brengen van de melkweg en extragalactische radiohemel.
* Het detecteren van de emissie van neutraal atomair waterstof in het vroege heelal van reïonisatie – De eerste sterren en sterrenstelsels.
* Het bestuderen van de zon, de heliosfeer.
* Onderzoek naar de ionosfeer van de aarde.
* Het zoeken naar zwarte gaten.
De locatie voor de MWA telescoop is bewust gekozen.
De locatie voor de MWA-telescoop in West-Australië is zo afgelegen dat er geen mobiel bereik is.
Zelfs benzineauto’s (die vonken in de bougies hebben) zijn soms niet welkom dicht bij de radioantennes. Dit om die extreem zwakke radiosignalen uit het heelal niet te storen.
Kijk naar deze YouTube video om een indruk te krijgen van deze immense telescoop.
De kleurencodes voor de visualisatie van de Melkweg en de radiohemel
Een korte toelichting bij de groene kleutinten:
In de praktijk zie je groen vaak als een mengkleur omdat het meerdere radiobronnen tegelijk zijn. Met name in de schijf van onze Melkweg zie je veel groen en geel omdat daar verschillende processen door elkaar lopen. De diffuse radiogloed van de Melkweg (roodachtig) vermengt zich met de straling van hete gaswolken (blauwachtig), wat samen een groen/gele gloed geeft.
De zoektocht naar zwarte gaten door de MWA radiotelescoop
Zwarte gaten opsporen met radiogolven
Astronomen kunnen zwarte gaten niet rechtstreeks zien, maar wél de energie die vrijkomt wanneer een zwart gat materie opslokt. Die energie verschijnt onder andere als radiostraling, en juist die radiogolven maken het mogelijk om zwarte gaten op te sporen — zelfs lang nadat ze zijn “uitgedoofd”.
Hoe een zwart gat materie opslokt
Rond een zwart gat vormt zich een accretieschijf: een draaiende schijf van gas en stof die door de enorme zwaartekracht naar binnen wordt getrokken. De materie in deze schijf draait zó snel dat de temperatuur oploopt tot miljoenen graden. Bij zulke temperaturen verliezen atomen hun elektronen en wordt de materie elektrisch geladen plasma.
Jets: materie die ontsnapt
Een zwart gat draait vaak razendsnel — soms tot 30% van de lichtsnelheid. Door die extreme rotatie en de sterke magnetische velden wordt een klein deel van het geladen plasma niet opgeslokt, maar juist langs de magnetische polen de ruimte in geslingerd. Deze smalle bundels heet men jets, en ze worden met bijna lichtsnelheid uitgestoten. In deze jets zenden de elektrisch geladen deeltjes radiostraling uit. Dat maakt actieve zwarte gaten zichtbaar als heldere radiobronnen.
Waarom actieve zwarte gaten wit/geel lijken in radio-opnamen
Gulzig etende zwarte gaten zenden radiogolven uit over een breed frequentiegebied. Wanneer alle kleuren (laagfrequent rood, middenfrequent groen en hoogfrequent blauw) samen zichtbaar zijn, verschijnt de bron in radio-opnamen als wit of geel — een teken van hoge activiteit.
Fossiele radio-emissies: het kerkhof van zwarte gaten
Wanneer een zwart gat minder materie opslokt, neemt de energie van de jets af. De hoogste frequenties (blauw) verdwijnen het eerst. Wat uiteindelijk overblijft is een zwakke, laagfrequente rode gloed: een diffuse vlek van oude radiostraling. Dit zijn de fossiele radio-emissies van zwarte gaten die miljoenen jaren geleden actief waren. Ze vormen een soort kosmisch kerkhof van vroegere activiteit.
De rol van de MWA-radiotelescoop
De MWA (Murchison Widefield Array) is een van de weinige radiotelescopen die gevoelig genoeg is om deze zwakke, laagfrequente fossielen in kaart te brengen. Dankzij dit instrument kunnen astronomen niet alleen actieve zwarte gaten zien, maar ook de resten van zwarte gaten die al lang geleden zijn gestopt met eten.
De zoektocht naar de eerste sterren in het baby-universum
De zoektocht van MWA naar de ‘Dawn of the Universe’. De allereerste sterren die ooit zijn gaan branden – het ‘Eon van de Reïonisatie’, enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal.
De eerste sterren ontstonden al enkel honderden miljoenen jaren na de oerknal in gigantische koude wolken van neutraal waterstofgas. Neutraal waterstof zendt radiogolven uit met een golflengte van 21 cm oftewel 1420 MHz.
Na een reis van meer dan 13 miljard jaar door het heelal zijn de radiogolven aangekomen in Australië en worden opgevangen door de MWA radiotelescoop. Door de uitdijing van het heelal zijn de waterstof-radiogolven na 13 miljard jaar onderweg uitgerekt van 21 cm naar tussen de 1 en 4 meter golflengte. Precies binnen het bereik van de MWA-telescoop (70 – 300 MHz of 4,29 – 1 meter golflengte). Zie onderstaand schema voor de kleurencodes voor de visualisatie van de Melkweg en de radiohemel.
De SKA radiotelescoop: de Square Kilometre Array telescoop
De MWA radiotelescoop is de voorloper van de in aanbouw zijnde SKA radiotelescoop. Dankzij de opgedane ervaring met de MWA-array kon men een vervolgstap – een schaalvergroting – gaan realiseren.
Het SKA wordt het grootste radio-observatorium op aarde gelegen in West-Australië en Zuid-Afrika. De bouw van het Australische onderdeel van ’s werelds grootste radiotelescoopobservatorium, de SKA-Low-telescoop, is begonnen in Wajarri Yamaji Country in de afgelegen woestijn in West-Australië waar ook de MWA-array staat.
De SKA-telescopen, bestaande uit meer dan 131.000 antennes in Australië en bijna 200 schotels in Zuid-Afrika, zullen een ongeëvenaard beeld van het heelal bieden en een van de grootste wetenschappelijke faciliteiten op aarde vormen.
De bouw van de twee grootste telescooparrays ter wereld, gelegen in Zuid-Afrika en Australië is mogelijk gemaakt door een wereldwijde samenwerking. Het SKAO-consortium (de toevoeging O staat voor Observatorium) werd in maart 2019 in Rome opgericht door zeven landen die aanvankelijk lid waren, waarna zich diverse andere landen aansloten.
De Square Kilometre Array ( SKA ) is een intergouvernementeel internationaal radiotelescoopproject dat wordt gebouwd in Australië (lage frequentie) en Zuid-Afrika (middenfrequentie). De kernen van de SKA worden gebouwd op het zuidelijk halfrond , waar het zicht op de Melkweg het beste is en de radio-interferentie het minst is.
In deze video een impressie van het SKA project in Zuid-Afrika.
