Ongewone telescoop onthult zonneraadselen

WIJ hadden een dagje vrij genomen voor een picknick in het koele Lincoln-staatsbos in het zuiden van New Mexico (VS) om even aan de hitte van de woestijn te ontsnappen, toen wij een wegwijzer zagen naar de Sacramento Peak-​sterrenwacht in Sunspot, vlakbij Cloudcroft in New Mexico. Nu onze nieuwsgierigheid was gewekt, reden wij naar Sunspot.

Niemand in ons groepje was gewend aan de grote hoogte van 2800 m, zodat wij allen buiten adem waren toen wij het pad opliepen voor een bezoek aan de telescopen die daar op de top in vreemdsoortige gebouwen waren ondergebracht. Wij verwachtten een koepelvormig gebouw en waren dus niet teleurgesteld toen wij de Hilltop Dome (heuveltopkoepel) zagen, maar wij ontdekten dat bezoekers daar niet binnen mochten. Toen viel ons oog op een vreemd uitziend gebouw.

Het was hoog en driehoekig en rees als een toren uit de grond op, en daar stond de deur wel open voor bezoekers. (Zie foto op bladzijde 23.) Al snel bevonden wij ons in een laboratorium met een lange telescoop die hoog boven ons, in de top van de toren, was opgehangen. Bordjes waarschuwden ons niet op het platform te stappen en daarmee de balans van het instrument te verstoren.

De zon doen ’stilstaan’

In een kleine ontvangruimte lichtten gekleurde diagrammen toe wat er werd bestudeerd, en het was interessant te zien dat dit gebouwencomplex gewijd is aan zonne-onderzoek. Wij vroegen een van de wetenschapsmensen die er werken, of hier onderzocht werd hoe de energie van de zon gebruikt kan worden. Hij legde uit dat het hier niet om dat soort onderzoek ging, maar om een project voor fundamenteel onderzoek met als doel informatie vergaren over de zon en haar uitwerking op de aardatmosfeer en de ruimte in het zonnestelsel. Ook bestuderen geleerden het inwendige van de zon door voortdurend haar oppervlak te observeren.

Onze gids zette uiteen dat het observatorium daar heel gunstig lag vanwege de droge berglucht en het ontbreken van vervuiling. In haar soort was de in 1951 opgerichte sterrenwacht een van de eerste die in de Verenigde Staten ten dienste van het zonne-onderzoek waren gebouwd. Uit een diagram bleek dat deze hoge toren zich ruim 41 m boven de grond verheft, maar dat er zich ook nog bijna 59 m van de telescoop ondergronds bevindt. In totaal is de telescoop dus zo’n 100 m lang, bijna even lang als een voetbalveld! De buis ervan is zo goed als luchtledig, zodat het invallende zonlicht geen storende invloed ondergaat van verwarmde lucht. Zo kunnen gereflecteerde beelden van ongewone scherpte worden verkregen die onderzoekers uitmuntende plaatjes van het zonne-oppervlak verschaffen.

De hele telescoop (een gewicht van meer dan 225 ton) heeft een ophanging die in een grote kwiktank drijft waardoor hij vrij kan draaien ter compensatie van de aardrotatie. Aldus kan de telescoop gedurende lange periodes op de zon gericht worden, zodat voor hem de zon in feite ’stilstaat’. Hij is ontworpen voor het observeren en fotograferen van zeer kleine details op het zonne-oppervlak, de fotosfeer, en in de onderste laag van de zonneatmosfeer, de chromosfeer.

Graansilo

Toen wij naar onze auto terugliepen, kwamen wij langs een ongewoon gebouw dat ons een ronde silo toescheen. En dat was het ook geweest! Het wordt de Grain Bin Dome (graansilo) genoemd en werd, toen de sterrenwacht nog in de kinderschoenen stond, overgenomen van Sears Roebuck & Co, een groot Amerikaans postorderbedrijf; na een verbouwing werd er de eerste telescoop in Sunspot in ondergebracht. In die tijd maakte men plannen voor ruimtevaart, en er was behoefte aan informatie over de invloed van de zon op de aardatmosfeer, vooral waar het het ontstaan van atmosferische storingen betrof als gevolg van ongewone zonneactiviteit.

Later, in 1957, werd in samenwerking met de Kitt Peak Nationale Sterrenwacht in Tucson (Arizona, VS), de Cerro Tololo Interamerikaanse Sterrenwacht in La Serena (Chili) en het Space Telescope Science Institute in Baltimore (Maryland, VS) een organisatie zonder winstoogmerk opgericht, het Universitair Astronomisch Onderzoeksverband, N.V. Het doel was wetenschappers en informatie uit te wisselen zodat allen meer begrip van de zon zouden kunnen verwerven. Wij begonnen te beseffen dat deze afgelegen sterrenwacht connecties had in verschillende delen van de wereld.

De bevende zon

Dr. Bernard Durney, een onderzoeksleider, bood vriendelijk aan enkele vragen over de zon te beantwoorden. Hij legde uit dat zijn werkterrein de zonneseismologie is. Daar hadden wij wel wat uitleg bij nodig. Klaarblijkelijk werd dit voor het eerst daar op Sacramento Peak bestudeerd. Hij verklaarde: „De zon draait niet alleen om haar as maar beweegt op vele andere manieren die bestudeerd kunnen worden door voortdurend haar oppervlak te bekijken en optredende veranderingen op te merken. Uit deze veranderingen kunnen wij ons een denkbeeld vormen van wat er binnen in de zon gebeurt en dan onderzoeken uitstippelen om onze denkbeelden te bevestigen of te weerleggen.”

„Omstreeks 1970”, zo vervolgde hij, „werd voorspeld dat de zon beefde of trilde. Het heeft veel weg van de trilling of vibratie die optreedt als er een grote klok wordt geluid. Ook kan men denken aan de illustratie van een steentje dat in een vijver wordt gegooid — naarmate de golfkringen zich voortplanten wordt het hele oppervlak van de vijver beïnvloed. Het enige verschil is dat de golven in de zon in alle richtingen door de zon heen gaan.”

Het bleek dat deze vibraties op verschillende diepten ontstonden, sommige even onder het oppervlak en andere dieper in de zon. Uit deze onderzoeken weten wij dat de zon ongeveer elk uur iets uitzet en dan weer inkrimpt, alsof ze ademhaalt. Een onderzoeker zag deze bewegingen van de zon voor het eerst in 1975. In 1976 meldden Russische geleerden ook een rijzen en dalen van het zonne-oppervlak.a Maar pas in 1979-’80 werd deze vibratie bevestigd, onder andere op de Sacramento Peak-​sterrenwacht.

„Feitelijk”, vervolgde dr. Durney, „kent de zon veel ongewone bewegingen. Aangezien alles op de zon gasvormig is, kan de rotatiesnelheid van haar oppervlak van plaats tot plaats verschillen. . . . Door de zon continu te observeren, zoals wij hier in de sterrenwacht van Sunspot doen, kunnen wij vaststellen hoe de zon van binnen roteert. . . . Aangezien de zon bij haar equator sneller roteert, wordt haar oppervlak behoorlijk dooreengemengd, en dit leidt tot heel wat vreemde fenomenen. Door deze ongewone beweging ontstaan diep in de zon magnetische velden, die naar de oppervlakte opstijgen. Een manifestatie van deze magneetvelden zijn de zonnevlekken op de zon.”

De zon dag en nacht observeren!

Dr. Durney verklaarde: „Wij moeten de zon echt continu observeren, willen wij al de activiteit en alle veranderingen op het zonne-oppervlak kunnen waarnemen. Gezien de dagelijkse rotatie van de aarde is het onmogelijk dit vanaf één plaats op het aardoppervlak te doen. Dat betekent dat er zonne-observatoria rond de hele aarde nodig zijn.”

Momenteel is dit niet mogelijk, maar dr. Durney vertelde ons dat in 1980-’81 enkele medewerkers van Sacramento Peak naar Antarctica zijn gegaan om gedurende drie periodes van drie maanden de zon te observeren. De zon gaat op Antarctica drie maanden lang niet onder en kan derhalve continu, dag en nacht, door één telescoop worden waargenomen. Het was interessant te vernemen dat bij het vergaren van deze informatie zoveel plaatsen op aarde betrokken waren. Geleerden hopen eens alle zonnevibraties te kunnen classificeren en interpreteren, zodat zij begrijpen wat er zich binnen in de zon afspeelt. Onderzoekers denken er nu over een wereldomvattend netwerk van observatoria te vormen om dit te bereiken.

Zonnevlammen en de corona

„Wat wordt er hier verder op Sacramento Peak bestudeerd?”, was onze volgende vraag aan dr. Durney. Hij vertelde ons iets over zonnevlammen. „Deze reusachtige vlammen schieten vanuit het zonne-oppervlak miljoenen kilometers de ruimte in, daarbij deeltjes uitstotend die de radiocommunicatie storen als ze op aarde aankomen. Andere deeltjes verlaten de zon in een continue stroom, de zonnewind genoemd. Deze vertraagt de rotatie aan het oppervlak van de zon en dat werkt op zijn beurt weer in op de rotatie diep binnen in de zon. Het resultaat is dat de zon, naarmate ze ouder wordt, steeds langzamer gaat draaien. Hoe het inwendige van de zon op de remmende invloed van haar oppervlak reageert, is een van de dingen die wij hier bestuderen.”

In het kader van een ander in het observatorium verricht onderzoek worden dagelijks foto’s van de zonnecorona gemaakt. Deze foto’s onthullen de dagelijkse temperatuurschommelingen rond de zon. Er worden diagrammen gemaakt waarop te zien is tot op welke afstand van de zon de hoge temperaturen zich uitstrekken. Deze diagrammen veranderen elke dag en leveren nuttige informatie voor ruimtevaarders.

De vitale rol van de zon

Energie van de zon is nodig voor het voortbestaan van het leven op aarde. Ze beïnvloedt ons, onze visuele waarnemingen, en de planten en dieren op aarde. Een in 1979 gepubliceerd onderzoek draagt bewijsmateriaal aan voor een 22-jarig cyclisch verloop van droogteperiodes in het westen van de Verenigde Staten dat op de een of andere manier in verband schijnt te staan met de volledige zonnecyclus van ongeveer 22 jaar. Dit is één reden om belang te stellen in de zonneactiviteit en haar mogelijke invloed op het weer.

In de jaren vijftig was de Sacramento Peak-​sterrenwacht een van de eerste die kon bijdragen tot het vaststellen van de zonneconstante; dat is de energiestroomdichtheid ter plaatse van een voorwerp in de ruimte dat zich even ver van de zon af bevindt als de aarde. Misschien nog belangrijker is echter hoeveel de zonneconstante varieert.

Tot de interessantere kenmerken van de zon, die ons op aarde eveneens beïnvloeden, behoren de zonnevlekken. Ze werden het eerst door Galilei waargenomen. Later werd vastgesteld dat een zonnevlekkencyclus elf jaar duurt en dat een volledige zonnecyclus uit twee elfjarige periodes van zonnevlekkenactiviteit bestaat. Zoals dr. Durney verklaarde: „Zonnevlekken zijn magneetvelden. Ze zijn donker omdat ze de energie transporterende bewegingen onderdrukken. Zonnevlammen, zo neemt men aan, ontstaan door het ineenvallen van deze magneetvelden op het zonne-oppervlak, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen die bij ons de radiogolven storen en deeltjes in onze atmosfeer ioniseren. Deze energie veroorzaakt ook het zogenoemde noorder- en zuiderlicht, of het poollicht, iets wat al door de hele geschiedenis heen voor de mens een wonder is.”

Zonne-onderzoek kan de geomagnetische stormen helpen voorspellen die soms tijdens zonnevlekkenactiviteit in onze atmosfeer plaatsvinden. Deze beïnvloeden de communicatie op aarde en dus allerlei activiteiten die van goede radioverbindingen afhankelijk zijn, zoals het luchtverkeer. Vanwege de hoge kosten van satellietverbindingen geschiedt de meeste communicatie nog door middel van radiozenders op de grond. De door zonnevlekken vrijgemaakte energie verstoort de laag van geïoniseerde deeltjes rond de aarde die de radiogolven naar de aarde terugkaatsen. Wanneer deze laag niet functioneert, gaan radioboodschappen verloren.

Het is nodig meer over zonlicht te weten te komen. Planten, onze voedselproducenten, zijn afhankelijk van zonlicht voor de aanmaak van suikers en andere chemische verbindingen in ons voedsel. Door zonlicht veroorzaakte fotochemische reacties stellen ons in staat zowel zwart-wit- als kleurenfoto’s te maken. Velen schijnt het derhalve verstandig toe al het mogelijke over onze dichtstbijzijnde ster te leren.

Ons korte bezoek aan Sunspot en onze gesprekken met deskundigen deden ons beseffen dat onze kennis van de zon erg beperkt is. De meesten van ons waarderen de zon op een koude winterdag en wensen haar iets minder heet in de zomermaanden, en dat is zo’n beetje alles. Wij waren blij de zon eens vanuit een wat technischer oogpunt te hebben mogen zien. Elk van ons moest wel tot de conclusie komen dat de mens eigenlijk nog pas aan het begin staat van het doorgronden van de wonderen van onze weldadige ster, de zon. — Ingezonden.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 24]

Wat wordt er onder zonnetemperaturen verstaan?

Het boek Life and Death of the Sun, door John Rublowsky, verklaart op bladzijde 59 en 60: „Wij moeten iets weten over wat het begrip temperatuur inhoudt. Er zijn twee verschillende soorten temperatuur. De ene wordt de ’kinetische temperatuur’ genoemd; de andere de ’stralingstemperatuur’. De kinetische temperatuur is een maat voor de gemiddelde moleculaire beweging van een deeltje. Hoe sneller deze beweging, hoe hoger de temperatuur. Als wij spreken over de temperaturen in de zonneatmosfeer, hebben wij het over deze kinetische temperatuur. Wat wij dus zeggen, is dat de gemiddelde bewegingssnelheden van de deeltjes in de zonneatmosfeer toenemen als wij vanaf de fotosfeer omhooggaan. Alhoewel deze deeltjes temperaturen van miljoenen graden hebben, kunnen ze geen blaren op uw huid veroorzaken.

De stralingstemperatuur daarentegen is een maat voor de hoeveelheid en aard van de door materie afgegeven straling. Als wij spreken over de temperaturen diep binnen in de zon, gebruiken wij het woord in deze betekenis. De temperatuur van een vlam is ook een stralingstemperatuur.

Wij kunnen het begrip temperatuur echter niet in de laatste betekenis gebruiken wanneer wij over de zonneatmosfeer spreken. Als de temperatuur van de corona een stralingstemperatuur van 1.000.000 graden [Celsius] was, zou de atmosfeer van de zon zo helder zijn dat wij de fotosfeer niet zouden kunnen zien. In dat geval zou de zonneatmosfeer zelfs zo veel straling afgeven dat Pluto, de planeet die het verst van de zon vandaan staat, door de intense hitte zou verdampen. Wij kunnen blij zijn dat de temperatuur van de zonneatmosfeer een kinetische in plaats van een stralingstemperatuur is.

Dit betekent niet dat de zonneatmosfeer in het geheel geen straling afgeeft. Niet alleen is de straling die ze uitzendt aanzienlijk, ze is ook heel bijzonder. De hoogste delen van de corona geven röntgenstralen en wat zichtbaar licht af en de lagere delen ultraviolet licht. Deze straling is erg belangrijk voor de aarde omdat ze de verschillende lagen van de aardatmosfeer doet ontstaan.”

[Kader/Diagram op blz. 25]

De zon — de ster van de aarde

De zon is een enorme oven die het leven op aarde onderhoudt door haar van warmte en licht te voorzien. Deze reusachtige, hoofdzakelijk uit waterstofgas bestaande bal is zo groot dat hij meer dan een miljoen aarden zou kunnen bevatten! Toch hoort de zon onder de sterren echt niet tot de grootste. Zoals wetenschapsmensen ontdekken, zit deze energiebron heel subtiel in elkaar. Om een voorbeeld te noemen, „het grootste deel van het zichtbare licht komt uit een laag in de fotosfeer van slechts ongeveer 100 km dik”. Toch is de straal van de zon volgens berekeningen zo’n 696.000 km. — The Sun, door Iain Nicolson.

De opbouw van de zon

DE KERN — De nucleaire „verbrandings”-zone (met de hoogste temperaturen) in het centrum van de zon.

DE STRALINGSZONE — Het energietransport uit de kern vindt door deze zone heen plaats in de vorm van gamma- en röntgenstraling.

DE CONVECTIEZONE — Een koelere laag waar energie uit de stralingszone zich convectief doorheen beweegt.

DE FOTOSFEER — Praktisch al het zonlicht wordt uitgestraald door dit zichtbare oppervlak van de zon. Het is enigszins doorzichtig en „kan tot op een diepte van enkele honderden kilometers worden bekeken” (The Sun). De temperatuur is ongeveer 6000 °C.

DE CHROMOSFEER — Een ijle laag gas van enkele duizenden kilometers dik die alleen te zien is tijdens een totale zonsverduistering. Met een temperatuur van ongeveer 10.000 °C is ze heter dan de fotosfeer.

DE CORONA — Alleen tijdens een totale zonsverduistering is de corona zichtbaar met haar pluimen en slingers die zich over grote afstanden uitstrekken en erg hoge temperaturen hebben.

[Diagram]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Chromosfeer

Fotosfeer

Convectiezone

Stralingszone

Kern

[Verantwoording]

Naar een tekening van de National Optical Astronomy Observatories

[Diagram/Illustratie op blz. 23]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Spiegels (41 m boven de grond)

Grondniveau

Roterende luchtledige buizen (225 ton)

59 m

67 m onder de grond

[Verantwoording]

Naar een tekening van de National Optical Astronomy Observatories

[Illustratie op blz. 26]

Protuberans

[Verantwoording]

Holiday Films

[Illustratie op blz. 26]

Zonnevlekken

[Verantwoording]

National Optical Astronomy Observatories