De McDonald sterrenwacht – op zoek naar donkere energie

Koepel van de Hobby Eberly telescoop
De koepel van de Hobby-Eberly telescoop. Door EricandHolli, CC BY-SA 3.0, Koppeling

De McDonald sterrenwacht  bevindt zich in de Amerikaanse staat Texas. De sterrenwacht heeft tijdens zijn bestaan al een belangrijke bijdrage geleverd aan onderzoek en opleiding. De sterrenwacht wordt beheerd door de universiteit van Texas in Austin. De McDonald bevindt zich op een hoogte van 2070 meter op de toppen van Mout Locke en Mount Fowlkes. De beide bergen behoren tot de Davis Mountains in het westen van Texas op ongeveer 725 kilometer van Austin.

De Hobby-Eberly telescoop met een spiegel van 11 meter maakt deel uit van de sterrenwacht. De HET is een van de grootste telescopen ter wereld. Er is een bezoekerscentrum dat mensen wegwijst maakt in de sterrenkunde en er worden waarnemingsavonden georganiseerd. Ook verzorgt de sterrenwacht het radioprogramma StarDate dat dagelijks op meer dan 300 radiostations in de Verenigde Staten wordt uitgezonden.

Een sterrenwacht als erfenis

Harlan J. Smith telescoop
De Harlan J. Smith telescoop van de McDonald sterrenwacht. CC BY-SA 3.0, Link

Toen de universiteit van Texas de erfenis opende van William Johnson McDonald, een bankier uit Paris in Texas, waren ze nogal verrast. McDonald stierf overigens in 1926. Hij had een groot deel van zijn fortuin nagelaten aan de universiteit met als opdracht er een sterrenwacht mee te bouwen. De universiteit kreeg uiteindelijk ongeveer 850.000 dollar (dat is tegenwoordig ongeveer 11 miljoen dollar waard). McDonald was van mening dat een sterrenwacht zou bijdragen aan verbeterde weersvoorspellingen en die zouden dan ook weer boeren ten goede komen die hun oogsten beter konden plannen.

Maar voordat de wens van McDonald uitgevoerd kon worden moesten er eerst twee grote uitdagingen worden overwonnen. De erfenis was voldoende voor de bouw van een sterrenwacht maar onvoldoende om die langere tijd te beheren. De universiteit moest dus aan meer geld zien te komen. Daarnaast had de universiteit van Texas in die tijd helemaal geen astronomen in dienst. Die zouden dus ook eerst aangetrokken moeten worden.

Gelukkig waren er aan de universiteit van Chicago astronomen die op zoek waren naar andere telescopen die ze als aanvulling op de grote refractor van de Yerkes sterrenwacht, zouden kunnen gebruiken. De twee universiteiten sloten een deal: Texas zou de nieuwe sterrenwacht bouwen en Chicago zou de expertise leveren om die draaiende te houden.

De telescopen van de McDonald sterrenwacht

In 1939 werd de eerste telescoop in gebruik genomen. Deze werd later vernoemd naar Otto Struve, de eerste directeur van de sterrenwacht. Deze telescoop is nog steeds in gebruik. De Otto Struve telescoop heeft een spiegel met een doorsnede van 2,08 meter. De telescoop werd voornamelijk ingezet om aan de hand van sterspectra de chemische samenstelling van sterren en andere objecten te bepalen. De telescoop is daarvoor uitgerust met een spectrograaf. Dit instrument scheidt het licht in zijn verschillende kleuren. Om dit te kunnen doen staat de telescoop op een speciale constructie.

Otto Struve telescoop
De Otto Struve telescoop van de McDonald sterrenwacht in Texas. By Jason Quinn (talk) – Own work (Original text: I created this work entirely by myself.), Attribution, Link

De Struve telescoop heeft astronomen geholpen bij het verzamelen van bewijs dat de door Gerard Kuiper ontdekte maan Titan van Saturnus, een atmosfeer heeft. Gerard Kuiper ontdekte in 1944, geholpen door Otto Struve zelf, hiervoor het bewijs. Het spectroscopische artikel werd in 1944 gepubliceerd in het tijdschrift “the Astrophysical Journal”.

The two large domes in the foreground house the 2.1-meter (82-inch) Otto Struve Telescope (left) and the 2.7-meter (107-inch) Harlan J. Smith Telescope (right). Between these two, the Hobby-Eberly Telescope (HET) can be seen, atop neighboring Mt. Fowlkes. (Image credit: Tim Jones/McDonald Observatory)

In 1956 werd de sterrenwacht uitgebreid met een 90 cm telescoop. Deze telescoop was ontworpen om de helderheidsveranderingen van sterren te meten. De telescoop wordt niet meer gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek maar wordt nu ingezet bij publieksactiviteiten.

In 1968 werd de Harlan J. Smith telescoop in gebruik genomen. Deze telescoop heeft een spiegel met een doorsnede van 2,7 meter en werd door de NASA gebrouwd om er andere planeten mee te bestuderen als voorbereiding op hun ruimtemissies. Bij de in gebruik name was de Harlan J. Smith de op twee na grootste telescoop ter wereld.

Tussen 1969 en 1985 werd de Smith telescoop ook gebruikt om een laserstraal te richten op spiegels die door de astronauten op de Maan waren achtergelaten. Door het meten van de tijd die de lichtbundel nodig had om terug te keren op Aarde kon men de afstand tussen de beide hemellichamen tot op 3 centimeter nauwkeurig bepalen. Deze metingen gaven meer inzicht over de draaiing van de Aarde, de samenstelling van de Maan en de lange termijnveranderingen in de baan van de Maan. Ook gaf het inzicht in het gedrag van de zwaartekracht en de kleine effecten die Einstein had voorspeld in zijn Algemene Relativiteitstheorie.

Toen de Smith telescoop werd gebouwd werd er een rond gat in het midden van de spiegel gemaakt met een doorsnede van 80 cm. Dit gat was nodig om het licht naar achter het instrument te leiden. Van het stuk uitgesneden glas werd een nieuwe telescoop gemaakt die eenvoudigweg de 80 cm telescoop wordt genoemd. Deze telescoop heeft een ongebruikelijk groot beeldveld.

De grootste telescoop van de McDonald sterrenwacht

Momenteel is de Hobby-Eberly Telescope (HET) de grootste telescoop van de sterrenwacht. De HET is gebouwd op de naburige Mount Fowlkes die ongeveer 1,3 kilometer is verwijderd van de oorspronkelijke koepels op Mount Locke. De HET is een samenwerkingsproject tussen de universiteit van Texas, de Pennsylvania State University en twee Duitse universiteiten: De Ludwig-Maxmilians Universität in München en de Georg-August Universität in Göttingen.

De HET is in 1997 in gebruik genomen. De telescoop heeft niet één grote spiegel zoals de klassieke telescopen maar bestaat uit een verzameling van 91 onafhankelijk van elkaar bewegende zeshoekige delen die samen fungeren als een spiegel van 11 meter groot. Naast de koepel staat een paddenstoelvormige toren van waaruit de laserstralen worden aangestuurd die er voor zorgen dat de 91 spiegels onder controle gehouden kunnen worden.

De telescoop kan 360 graden rond zijn as draaien maar maakt een gefixeerde hoek van 55° met de horizon. Instrumenten die het licht verzamelen worden op verschillende plekken boven de hoofdspiegel geplaatst waardoor men een effect kan creëren dat er verschillende delen van de hemel worden bekeken. Dit zorgde voor een sterk vereenvoudigd ontwerp van de HET waardoor die veel goedkoper gebouwd kon worden dan een conventionele telescoop van die grootte. Men kan ongeveer 70% van de sterrenhemel bestrijken met deze constructie.

De HET werd ontworpen voor spectroscopie. Met behulp van spectroscopie kan men de beweging van objecten in de ruimte meten, maar ook afstanden tot sterrenstelsels en de geschiedenis van het heelal sinds de Oerknal bestuderen.

Bewoonbare planeten en donkere energie

In 2017 werd de HET voor 40 miljoen dollar gemoderniseerd. Het volgsysteem werd vervangen met een nieuw systeem dat meer dan een spiegel gebruikt en een groter beeldveld heeft. Ook werden er nieuwe instrumenten geplaatst.

Een van die instrumenten is de Habitable Zone Planet Finder (HPF) die in samenwerking met het National Institute of Standards and Technology werd gebouwd. De HPF is geoptimaliseerd om infrarood licht van nabije rode sterren te bestuderen. Deze sterren kunnen erg oud worden en ze vormen een constante bron van energie voor planeten die er om heen draaien. De HPF maakt het mogelijk om heel precies de radiale snelheid van een ster te meten. Dit wordt gedaan door hele kleine veranderen van de kleur in het spectrum van de ster te meten. Die veranderingen worden veroorzaakt door planeten die aan de ster trekken.

Een andere vernieuwing is het Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX). Dit is het eerste experiment dat zoekt naar de mysterieuze kracht die verantwoordelijk is voor de uitdijing van het heelal. HETDEX moet astronomen gaan vertellen of de zwaartekrachtswetten wel goed zijn. Ook moet het instrument nieuwe details over de Oerknal onthullen.

Een ander belangrijk nieuw instrument in de zoektocht naar Donkere Energie is de Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs, oftewel VIRUS. Dit is een set van 156 spectrografen die naast de telescoop zijn gemonteerd en die licht krijgen via 35.000 optische vezels die vanuit de telescoop komen. Met deze instrumenten kan de HET enkele honderden sterrenstelsels gelijktijdig onderzoeken en bepalen hoe hun licht wordt beïnvloed door hun eigen bewegingen en de uitdijing van het heelal.

De HETDEX zal in een tijdsspanne van ongeveer drie jaar minstens een miljoen sterrenstelsels bestuderen en daarmee een grote kaart samenstellen die de uitdijingssnelheid van het heelal in verschillende periodes weer moet geven. Dit zal ook moeten leiden tot meer inzichten over donkere energie.

Vechten voor een donkere sterrenhemel

In 2019 kreeg de McDonald sterrenwacht een geeft van de Apache Corporation. Dit is een olie- en gaswinningsbedrijf. De gift is bedoeld om het belang van een donkere sterrenhemel te promoten. De schenking maakt het mogelijk om educatieve programma’s op te zetten en een nieuw tentoonstelling op te zetten in het bezoekerscentrum. Apache staat model voor andere bedrijven in het westen van Texas doordat ze het licht van hun installaties afschermen en alleen verlichten daar waar dat echt nodig is.

 

Eerste publicatie: 22 december 2019
Bronnen: McDonald Sterrenwacht, space.com, wikipedia