De Hubble Space Telescope heeft niet meer het alleenrecht op superscherpe beelden. Meerdere op aarde gestationeerde telescopen kunnen samenwerken volgens het principe van de apertuur synthese. Een moeilijk woord voor een oude truc, die bij radio telescopen al lang gebruikelijk was. Pas recent komen gewone telescopen ook in aanmerking voor deze techniek, die de haalbare beeldscherpte enorm doet toenemen.

8 april 2010

De lenzen van de eerste telescopen hadden de afmetingen van een brilleglas. Toch ging er voor de gebruikers ervan, waaronder Galileo Galilei, een wereld open. Er bleken veel meer sterren te zijn dan men tot dan toe had gezien, de maan bleek bezaaid met kraters en ook andere planeten dan de aarde bleken manen te hebben. Aangemoedigd door deze verrassende resultaten nam de jacht naar grotere en betere telescopen een aanvang. Het einde ervan is nog niet in zicht.

Bij een telescoop draait het om drie zaken: Haalbare beeldscherpte, lichtgevoeligheid en waarnemingslocatie. Vergroting is vreemd genoeg niet zo'n item. Door keuze van het oculair (1) of adapter-lens (2) kan met iedere telescoop elke willekeurige vergroting worden verkregen (3). Er zijn dan ook goedkope telescopen in de handel die aangeprezen worden met een vergroting van bijvoorbeeld 500 x. Over het algemeen vallen de resultaten van zo'n telescoop erg tegen. De maximaal zinvolle vergroting is namelijk 20 x de doorsnede van de grootste lens of spiegel (4) (objectief) in cm. Nog verder vergroten leidt alleen maar tot vage, uitgebleekte beelden.

Voor een grote haalbare beeldscherpte, en daarmee een hoge vergroting, is dus een groot objectief nodig, dat bovendien van goede kwaliteit moet zijn. Wil men 1000 x kunnen vergroten dan is de minimaal benodigde doorsnede van het objectief 1000 : 20 = 50 cm. Als men op een willekeurige avond in Nederland door een dergelijke telescoop kijkt, blijkt die theoretisch haalbare 1000 x toch nog te veel van het goede. Boven de 200 a 300 x wordt het beeld zowieso vaag en beverig. Dit komt doordat de lucht in ons natte, platte landje met z'n ontstuimige weer zelden stabiel is. De wervelingen van de atmosfeer, veroorzaakt door o.a. temperatuurverschillen, gooien roet in het eten. Wel vangt een telescoop met een groot objectief meer licht dan eentje met een klein objectief, waardoor bijvoorbeeld lichtzwakke (5) sterrenstelsels kunnen worden waargenomen. Eén ding is aan de Hubble Space Telescoop moeilijk te overtreffen: De waarnemingslocatie, buiten de atmosfeer in het diepe zwart van het heelal.

Doe, als u een verrekijker heeft, eens het volgende experiment: Houdt een vinger dwars voor één van de frontlenzen, deze als het ware in twee helften verdelend, zonder hem aan te raken. Kijk met die vinger voor de lens naar een verre boom of een ver gebouw kijkt. Het merkwaardige is, dat het beeld geen onderbreking vertoont, maar alleen iets minder helder wordt. Blijkbaar mag een lens uit twee gescheiden helften bestaan, zonder dat dit het beeld sterk beinvloedt. Dit nu is het principe van de apertuur-synthese (6): De frontlens is niet één hele grote lens, maar is opgebouwd uit meerdere kleine lenzen die op enige afstand van elkaar mogen staan, als de beelden die ze maken maar samenvallen. Hetzelfde principe werkt ook bij spiegeltelescopen.

Dit laten samenvallen van de beelden is nu precies het probleem. De nauwkeurigheid waarmee de beelden moeten samenvallen ligt in de orde van grootte van de golflengte van licht, enkele honderden nanometers. Een nanometer is een miljardste meter. Zo nauwkeurig moeten de spiegelsegmenten die samen het objectief vormen, ten opzichte van elkaar uitgelijnd zijn. Bij een radiotelescoop is de zaak veel simpeler, omdat de radiogolven waar het om draait een golflengte van centimeters hebben en de uitlijning niet nauwkeuriger hoeft te zijn dan dat. Toch slaagt men er de laatste tijd ook bij licht in, de beelden exact te laten samenvallen, zodat de lichtgolven elkaar versterken. De plaats van de deelbeelden wordt steeds gemeten en bijgeregeld, waarbij tevens atmosferische storingen worden gecorrigeerd. Een voorbeeld van een dergelijke groep als één instrument samenwerkende telescopen is de CHARA telescoop. De zes telescopen van CHARA bootsen samen een telescoop na met een spiegeldiameter van 300 m. De haalbare scherpte is 50 x wat tot nu toe haalbaar was. Voor waarneming van zeer lichtzwakke objecten biedt een dergelijk instrument weinig voordelen. Welliswaar wordt het licht van zes telescopen gecombineerd maar bij de lenzen en spiegels die voor het combineren worden gebruikt gaat aardig wat licht verloren. Maar wat betreft beeldscherpte is het een superieur instrument.

Er bestaan ook plannen om een dergelijke groep telescopen vanuit de ruimte te laten werken. Ze moeten dan exact in formatie vliegen zoals op bovenstaande foto. De bedoeling is met een dergelijke zwerm telescopen details te kunnen waarnemen op planeten bij andere sterren. Liefst zien we dan het blauw van oceanen en het groen van begroeiing.

JdeH

(1) Kleine lensgroep aan de achterkant van de telescoop waar de waarnemer door kijkt

(2) Kleine lensgroep aan de achterkant van de telescoop die het beeld in de eraan gekoppelde camera vormt

(3) Voor de technici: de vergroting die met een bepaald oculair wordt verkregen is simpelweg de brandpuntsafstand van het objectief, gedeeld door die van het oculair.

(4) Veel moderne telescopen werken niet met lenzen maar met spiegels. Spiegeltelescopen hebben geen last van kleurfouten (gekleurde randjes in het beeld) en zijn makkelijker te construeren omdat een spiegel in tegenstelling tot een lens van achteren kan worden ondersteund tegen doorzakken.

(5) Een lichtzwak sterrenstelsel is een sterrenstelsel waarvan maar weinig licht in de telescoop valt, meestal omdat het zo ver weg staat.

(6) Apertuur betekent doorsnede van de frontlens, synthese betekent opbouw uit onderdelen

Foto: Terrestrial Planet Finder (Aardachtige Planeet Zoeker), toekomstig project van NASA waarbij een zwerm ruimte telescopen samenwerkt via apertuur synthese