Infraroodastronomie: het heelal bekijken met warmtestraling
Als je 's nachts naar de sterrenhemel kijkt, zie je licht dat je ogen kunnen waarnemen: zichtbaar licht. Maar dat is maar een klein stukje van alle straling die door het heelal reist. Infraroodastronomie kijkt naar een ander deel van dat spectrum: infraroodstraling, ofwel warmtestraling. Elk warm object zendt dit uit, van een mens tot een gloeiende stofwolk tussen de sterren. Door telescopen te bouwen die infrarood kunnen "zien", ontdekken astronomen dingen die met gewoon licht onzichtbaar blijven.
Een goede analogie is een warmtebeeldcamera, zoals brandweerlieden die gebruiken in een rokerige ruimte. Zichtbaar licht wordt tegengehouden door rook, maar warmtestraling dringt er dwars doorheen en toont waar mensen zich bevinden. Zo werkt het ook in de ruimte: sterren worden geboren in dichte wolken van gas en stof die gewoon licht blokkeren, maar infraroodstraling van die pasgeboren sterren komt er wél doorheen. Infraroodastronomie is dus als het afzetten van een warmtebril op het heelal.
Wat is het precies?
Licht is een vorm van elektromagnetische straling met een bepaalde golflengte. Zichtbaar licht heeft golflengtes tussen ongeveer 400 en 700 nanometer (een nanometer is een miljardste meter). Infraroodstraling heeft langere golflengtes, ruwweg van 700 nanometer tot 1 millimeter. Hoe langer de golflengte, hoe "roder" en uiteindelijk onzichtbaar het licht wordt voor het menselijk oog.
Om infrarood te detecteren, gebruiken astronomen speciale sensoren die gevoelig zijn voor deze golflengtes, vaak gemaakt van materialen als kwik-cadmium-telluride of silicium met specifieke toevoegingen. Deze detectoren moeten meestal extreem koud gehouden worden, soms tot bijna het absolute nulpunt (-273,15°C). Dat is nodig omdat de detector zelf, en de telescoop eromheen, ook warmte uitstraalt. Zonder koeling zou die eigen warmte het zwakke signaal van verre objecten volledig overstemmen.
Een tweede complicatie is de aardse dampkring. Waterdamp en kooldioxide in onze atmosfeer absorberen een groot deel van het infrarood dat uit de ruimte komt. Daarom bouwen astronomen infraroodtelescopen bij voorkeur op grote hoogte, op droge plekken zoals de Atacamawoestijn in Chili of de top van Mauna Kea op Hawaï, waar minder waterdamp in de lucht zit. Voor de beste resultaten, vooral bij langere infraroodgolflengtes, is echter een telescoop in de ruimte nodig, ver van de warmte en atmosfeer van de Aarde.
Veel ruimtetelescopen voor infrarood worden bovendien actief gekoeld met vloeibaar helium of geplaatst op grote afstand van de Aarde en de zon, zodat ze passief kunnen afkoelen door warmte uit te stralen naar de koude ruimte. Een zonnescherm helpt daarbij door de telescoop permanent in de schaduw te houden.
Wat wil men ermee bereiken?
Infraroodastronomie bestaat omdat een groot deel van het heelal simpelweg onzichtbaar is in gewoon licht. Sterren worden geboren in stofwolken die zichtbaar licht blokkeren, maar waar infraroodstraling doorheen komt. Door in infrarood te kijken, kunnen astronomen toekijken hoe sterren en planetenstelsels ontstaan, een proces dat anders verborgen blijft.
Ook koude objecten zijn een belangrijk doel. Sterren zijn heet en stralen vooral zichtbaar licht uit, maar koelere objecten zoals bruine dwergen (mislukte sterren die nooit heet genoeg werden om kernfusie te starten), gasplaneten buiten ons zonnestelsel en interstellair stof stralen vooral infrarood uit. Zonder infraroodtelescopen zouden we deze objecten grotendeels missen.
Een derde, kosmologische reden heeft te maken met de uitdijing van het heelal. Licht van zeer verre, oude sterrenstelsels wordt door deze uitdijing "uitgerekt" naar langere golflengtes, een verschijnsel dat roodverschuiving heet. Licht dat ooit als zichtbaar of zelfs ultraviolet licht werd uitgezonden door de allereerste sterrenstelsels, bereikt ons nu als infraroodstraling. Wie de vroegste fases van het heelal wil bestuderen, kan dus niet om infraroodastronomie heen.
Voorbeelden uit de praktijk
IRAS (1983) was de eerste ruimtetelescoop die het hele hemelgewelf in infrarood in kaart bracht, een samenwerking tussen de Verenigde Staten, Nederland en het Verenigd Koninkrijk. De missie duurde slechts tien maanden, maar ontdekte onder meer stofschijven rond sterren en duizenden nieuwe objecten.
Spitzer Space Telescope (2003-2020), van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, bracht onder meer de atmosferen van exoplaneten in kaart en leverde belangrijk bewijs voor het bestaan van zeven aardachtige planeten rond de ster TRAPPIST-1, aangekondigd in 2017.
Herschel Space Observatory (2009-2013) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA was op het moment van lancering de grootste infraroodtelescoop ooit gebouwd. Herschel bestudeerde de vorming van sterren en de chemische samenstelling van moleculaire wolken in de ruimte.
James Webb Space Telescope (JWST), gelanceerd in december 2021 door NASA, ESA en de Canadese ruimtevaartorganisatie CSA, is momenteel de krachtigste infraroodtelescoop ooit. Vanaf een punt op anderhalf miljoen kilometer van de Aarde bestudeert JWST onder meer de allereerste sterrenstelsels na de oerknal en de atmosferen van exoplaneten, zoals in 2023 en 2024 gepubliceerde metingen aan de planeet WASP-96 b en het planetenstelsel rond TRAPPIST-1.
Extremely Large Telescope (ELT), een grondgebaseerde telescoop van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) in aanbouw in de Atacamawoestijn, zal met een spiegel van 39 meter doorsnede ook krachtige infraroodwaarnemingen mogelijk maken zodra hij in gebruik wordt genomen, naar verwachting later dit decennium.
Hoe ver is de techniek?
Infraroodastronomie is een volwassen en actief vakgebied. De basistechnieken zijn decennia oud, maar de gevoeligheid en resolutie van instrumenten zijn de afgelopen twintig jaar enorm verbeterd. JWST vertegenwoordigt de huidige stand van de techniek in de ruimte: een segmentspiegel van 6,5 meter, uitvouwbaar na lancering, gekoeld tot ongeveer -233°C door een vijflaags zonnescherm ter grootte van een tennisbaan.
Een belangrijk obstakel blijft de levensduur van dit soort missies. Infraroodtelescopen die actieve koeling nodig hebben, raken hun koelmiddel op; Spitzer bijvoorbeeld verloor na enkele jaren zijn vloeibare helium en kon daarna alleen nog in twee kortere golflengtes waarnemen. JWST gebruikt vooral passieve koeling en stuwstof voor koersaanpassingen; die stuwstofvoorraad bepaalt uiteindelijk de levensduur van de missie, momenteel geschat op ruim twintig jaar vanaf lancering.
Aan de grond is adaptieve optiek een belangrijke recente ontwikkeling: vervormbare spiegels die honderden keren per seconde corrigeren voor de wazigheid die de dampkring veroorzaakt, waardoor grondtelescopen scherpere infraroodbeelden kunnen maken dan voorheen mogelijk was.
Wie werken eraan?
De grote ruimtevaartorganisaties vormen de kern van dit veld: NASA (Verenigde Staten), ESA (Europa) en JAXA (Japan) hebben elk infraroodmissies gelanceerd of gepland. Het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van NASA, verbonden aan het California Institute of Technology (Caltech), beheert veel Amerikaanse infraroodmissies en het bijbehorende datacentrum IPAC.
In Europa speelt de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), met leden waaronder Nederland, Duitsland en Frankrijk, een grote rol via grondgebaseerde telescopen in Chili. Nederlandse instituten zoals SRON (Netherlands Institute for Space Research) en de sterrenkunde-afdelingen van universiteiten in Leiden en Groningen hebben instrumenten gebouwd voor missies als Herschel en JWST.
Ook particuliere en academische samenwerkingen dragen bij, bijvoorbeeld via universiteiten die instrumenten ontwikkelen voor grote grondtelescopen op Hawaï en in Chili, zoals de Keck-telescopen en de Very Large Telescope van ESO.