Supertelescopen

De geschiedenis van hele grote telescopen - waarvan de spiegel middellijn meer dan één meter bedraagt - begint in de 18e eeuw bij William Herschel (1738-1822). Herschel was van beroep organist en muziekleraar. Zijn enthousiasme voor de sterren kunde had hij van zijn vader gekregen. William Herschel zou uitgroeien tot een geweldig telescoopbouwer. Bovendien ont wikkelde hij zich tot een van de belangrijkste astronomische waarnemers van zijn tijd. In 1781 had hij met zijn zelfgebouw de telescoop, als eerste in de geschiedenis, een nieuwe planeet ontdekt: Uranus. Hierdoor was hij op slag beroemd geworden. Hij moest zijn telescoop, met een spiegelmiddellijn van 30 centimeter, naar het koninklijk paleis brengen om de Engelse koning, George III, zijn instrument te laten zien.

Op aandringen van zijn vrienden maakte Herschel kort daarop van de gelegenheid gebruik, de koning om financiële steun voor zijn astronomisch onderzoek te vragen. En niet zonder succes, want hij werd benoemd tot koninklijk astronoom met een jaarwedde van 200 pond.

Enkele jaren later begon hij dankzij een gift van de koning aan de bouw van een spiegeltelescoop met een brandpuntafstand van 12 meter en een spiegelmiddellijn van 120 centimeter. Dit ondanks een vroegere mislukking bij het gieten van een spiegel met een 30 centimeter kleinere diameter. Toen was de gietvorm opengebarsten, waardoor het gesmolten metaal op de vloer terecht was gekomen. De tegels waren aan stukken gesprongen en een mengsel van steensplinters en roodgloeiend metaal was door de kamer gespetterd.

Herschel was echter een enorme doorzetter. De eerste spiegel voor de nieuwe telescoop werd in 1785 door een professionele metaalgieter uit Londen gegoten. Hoewel de spiegel dunner was dan gevraagd, woog hij bijna een halve ton. Herschel organi seerde een groep arbeiders, die hem bij het slijpen en po lijsten van de spiegel zou helpen. Maar hoe hard er ook ge slepen en gepolijst werd, een goed resultaat bleef uit. Daarom moest een tweede spiegel gegoten worden, maar die barstte. Een derde spiegel was dikker en zwaarder dan beide vorige en er waren dit keer zelfs 24 arbeiders nodig om hem op de polijst tafel te hijsen. Na lange en moeizame arbeid produceerde de spiegel nog steeds geen goede beelden. Herschel zocht een andere oplossing en gebruikte bijna een volledig jaar om een polijstmachine te ontwikkelen, die heel wat nauwkeuriger en makkelijker te bedienen was dan een onhandige groep ongeïn teresseerde arbeiders. Op 27 augustus 1789 was het dan zover.

De nieuwe spiegel werd goed genoeg bevonden om hem in de telescoop, die er speciaal voor ontworpen was, in te bouwen.

Met het nieuwe instrument had Herschel vrijwel onmiddellijk succes. Tijdens de tweede nacht ontdekte hij de Saturnusmaan Enceladus en zag hij duidelijker dan ooit tevoren de vlekken op de planeet.

De reusachtige telescoop kende dus een geweldige start. Toch werd hij lang niet zo vaak gebruikt als de kleinere kijkers van Herschel. Dat zijn grote telescoop toch geen succes werd kwam voor een groot deel omdat de hemel boven zijn woonplaats Slough slechts zo'n honderd uur per jaar echt geschikt was voor het doen van zinvolle waarnemingen. Zijn enorme telescoop was moeilijk te hanteren om zulke korte gelegenheden volledig te kunnen benutten. In 1815 werd de laatste waarneming met deze telescoop verricht.

William Parsons (1800-1867), de derde Graaf van Rosse, was een enthousiast amateur-astronoom en telescoopbouwer. Hij bouwde zijn telescopen op het domein van het familiekasteel te Birr in het midden van Ierland. Voordat hij de grafelijke titel van zijn vader erfde, werd hij in 1823 als afgevaardigde gekozen van King's Country in het Engelse Lagerhuis. Dat ge beurde nog voor de hervorming van het parlement. Zijn zetel moet daarom meer als een geschenk van zijn vader worden ge zien. Dat is weliswaar niet erg democratisch, maar daar stond tegenover, dat deze latere Graaf van Rosse bekend stond als een van de zeer weinig eerlijke mensen in de Ierse politiek.

William Parsons was een verwoed kijkerbouwer. De grootste telescoop die hij gebouwd heeft - zijn Leviathan-telescoop had een spiegelmiddellijn van 182,9 cm. Deze enorme, tien ton wegende buis, kwam in 1845 gereed. Het was in die tijd de grootste telescoop op aarde. Hij gebruikte zijn telescoop om de structuur van nevels te onderzoeken. Hij is ook de ontdekker van de Krabnevel en degene die deze nevel zijn naam gaf. De oorspronkelijke spiegel van William Parsons is nu te bewonderen in het Science Museum in Londen. De kijkerbuis en de resten van het gebouw zijn nog steeds te bezichtigen in Birr.

Zijn vierde zoon, Charles, ontwikkelde de stoomturbine en nam in 1925 Howard Grubbs telescoopbedrijf over. Hierdoor ontstond de firma Grubb-Parsons, die tot 1984 telescopen heeft gebouwd. In 1918 verhuisde de firma van Dublin naar St. Albans in het graafschap Hertfordshire. Zeven jaar later, in 1925, werd een nieuwe fabriek gebouwd in Newcastle-upon Tyne. Het bedrijf bouwde onder meer de spiegels voor de Engels-Australische 3,9 meter telescoop in Siding Spring en de 3,8 meter infraroodkijker op Mauna Kea op Hawaii. De 4,2 meter William Herschel-telescoop op La Palma op de Canarische Eilanden werd de laatste die door dit bedrijf is gebouwd.

Meer dan zeventig jaar is de 182,9 cm-telescoop van William Parsons in grootte niet overtroffen. In 1918 werd in het zuiden van de Amerikaanse staat Californië de Mount Wilson sterrenwacht in gebruik genomen. De 2« meter telescoop op deze sterrenwacht was, op aandringen van de astronoom George : ’ Ellery Hale, gefinancierd door zijn vriend en zakenman J.D. Hooker. Daarom wordt deze telescoop vaak de Hooker telescoop genoemd. Het totale gewicht van het instrument bedraagt zo'n 100 ton! Oorspronkelijk was er sprake van een wat kleinere telescoop van 2,1 meter middellijn. Hale kon zijn vriend Hooker echter overhalen nóg meer geld ter beschikkng te stellen. Hierdoor kon de 2« meter telescoop worden gebouwd. Dat was een geweldige sprong voorwaarts ten opzichte van de 91-cm telescoop van Common, die op dat moment de grootste telescoop was waarmee ook daadwerkelijk astronomisch onderzoek werd verricht. De Mount Wilson sterrenwacht bevatte naast de 2« meter-telescoop ook nog een 1« meter-telescoop. Deze was ontworpen door George Ritchey, die door het polijsten van spiegels uit de 20e eeuw een even grote roem verwierf als de Amerikaan Alvan G. Clark (1832-1897) met het slijpen en polijsten van lenzen uit de 19e eeuw.

Hale werd de directeur van de nieuwe sterrenwacht. Hij trok twee vooraanstaande astronomen aan om met de instrumenten van de sterrenwacht onderzoek te doen.

Harlow Shapley (1885-1972) onderzocht, meestal met de 1« meter telescoop, sterhopen en met de grote Hooker-telescoop bestudeerde Edwin Hubble{.two} (1889-1953) de spiraalnevels, hetgeen leidde tot een classificatie van sterrenstelsels en de ontdekking van de uitdijing van het heelal (zie constante van Hubble{.two}).

Tegen het einde van de jaren dertig kwamen twee verbeteringen de ontwerpers van supertelescopen een handje helpen. De eerste verbetering was een methode om een laagje aluminium op een spiegel aan te brengen. Deze laag bleek heel wat duur zamer dan de zilverlaag die tot dan toe werd gebruikt. Dat was een belangrijk winstpunt, omdat de grote en breekbare spiegels nu minder vaak dan voorheen voor een nieuwe re flecterende laag uit hun montering genomen hoefden te worden. De tweede verbetering was een nieuw soort glas - pyrex - dat veel minder gevoelig was voor temperatuur schommelingen dan het gebruikelijke spiegelglas. Omdat de spiegels nu meerdere tonnen zwaar waren duurde het ont zettend lang voordat ze waren afgekoeld. Dat betekende dat de temperatuurgevoeligheid van spiegelglas een daadwerke lijke beperking was voor de grootte van de telescoop.

Het nieuwe glas werd voor het eerst gebruik in de 1,9 meter telescoop bestemd voor de Canadese David Dunlap-sterrenwacht.

Die werd al snel gevolgd door een 2,1 meter-kijker voor het McDonald-observatorium in de Amerikaanse staat Texas.

Door deze ontwikkelingen ondernam Hale voor de vierde keer een geslaagde poging om de grootste telescoop ter wereld te bouwen. Ditmaal verdubbelde hij gewoon de afmetingen van de grote Hooker-telescoop en waagde hij zich op een specta culair onbekend gebied: een telescoop met een spiegeldoor snede van maar liefst 100 inch ofwel 508 centimeter. De telescoop zou de zwanezang van Hale worden. Zelf had hij de supervisie over het ontwerp en zocht tevens naar een betere locatie dan Mount Wilson. Deze sterrenwacht ondervond al in 1930 te veel hinder van de verlichting in Los Angeles.

Uiteindelijk werd als plaats voor de nieuwe sterrenwacht de ruim 1700 meter hoge Mount Palomar gekozen. De sterrenwacht ligt ongeveer 100 kilometer ten noordoosten van de stad San Diego.

De 5-meter spiegel was al in 1934 gegoten in de Corning Glass Works in New York. Een jaar later was de spiegel in een speciaal ontworpen houder in Pasadena afgeleverd. George E. Hale heeft de voltooiing van zijn sterrenwacht niet mogen meemaken. Hij overleed in 1938, tien jaar voor de opening van de sterrenwacht.

Na de oorlog nam de verlichting van Los Angeles geweldig toe. Hierdoor kwam er een eind aan de veertigjarige supre matie van de Mount Wilson-sterrenwacht. In Europa waren veel grote sterrenwachten door de oorlog zwaar beschadigd. De hoop voor de toekomst lag in de afgelegen delen van Californië, waar de 5 meter-telescoop op Mount Palomar zijn voltooiing naderde, terwijl op Mount Hamilton een 3 meter-telescoop voor het Lick-observatorium werd ontworpen.

Het vooroorlogse ontwerp van de 5 meter-telescoop op Mount Palomar bleef ook voor de na-oorlogse telescopen richting gevend. Door het enthousiasme van Hale voor zijn 5 meter-kijker, was het team dat het ontwerp maakte, genoodzaakt geweest drie moeilijkheden op te lossen. Het eerste probleem was de ontwikkeling van een steunsysteem dat voldoende stabiel was, maar waarmee de telescoop toch de hele hemel zou kunnen af speuren. Dat kon met de 2« meter Hooker-telescoop van Mount Wilson namelijk niet. Met deze telescoop kon het gebied in de omgeving van de Poolster niet waargenomen worden. De tweede moeilijkheid die overwonnen moest worden was dat het draagsysteem de zachte gelijkmatige beweging moest garanderen van een telescoop die toch verscheidene honderden tonnen zou wegen. Tenslotte moest de secundaire spiegel, die zelf een diameter had van meer dan één meter, steeds dezelfde opstelling behouden ten opzichte van de hoofdspiegel, wan neer de telescoop het hemelruim afspeurde. Al deze pro blemen konden opgelost worden met een korte en daarom steviger telescoopbuis Šn met een zo licht mogelijke spiegel. Een lichtgewicht spiegel biedt het enorme voordeel, dat hij een lichter steunsysteem en ook een lichtere totale constructie mogelijk maakt. Daarom werd de 5 meter-spiegel niet als een volle schijf gegoten, maar als een zeshoekige cellulaire structuur. Zijn gewicht kon hierdoor tot de helft van een normale spiegel worden teruggebracht. Desondanks woog de spiegel nog 14« ton. De vermindering van de totale lengte van de telescoop kon worden bereikt door de openings verhouding (de verhouding tussen spiegeldiameter en brand puntafstand) veel kleiner te maken dan bij vroegere spiegels.

Voor de nieuwe spiegel bedroeg die verhouding 1:3,3. Dit resulteerde in een brandpuntafstand van 16« meter. Deze be perking van de totale lengte van de telescoop was erg be langrijk. Het betekende namelijk ook forse vermindering van de kostprijs van de koepel van de sterrenwacht. Een nadeel was wel dat de instellingstoleranties van de secundaire spiegel in het gedrang kwamen. Maar ook hiervoor werd een oplossing bedacht.

In 1948 werd de Mount Palomar sterrenwacht in gebruik ge nomen. De sterrenwacht is eigendom van het California Institute of Technology. Ter ere van George E. Hale werd de grote 5-meter telescoop naar hem vernoemd.
Tot 1976 zou de 5 meter Hale-telescoop de grootste kijker ter wereld blijven. In dat jaar werd in het zuiden van Rusland het astrofysisch observatorium van Zelenchukskaya in gebruik genomen. Deze sterrenwacht heeft als grootste telescoop een 6 meter-spiegel en bevindt zich op de 2080 meter hoge Mount Pastukhov in de Kaukasus. De reusachtige spiegel van deze telescoop was al in 1974 gereed en heeft een gewicht van maar liefst 70 ton. De complete telescoop weegt zelfs 840 ton. Ondanks de grotere spiegeldoorsnede van deze telescoop zijn de resultaten niet merkbaar beter dan die van de Hale-telescoop - integendeel zelfs! De Russische technici hebben erg veel tegenslag met de con structie gehad. Ook de kwaliteit van de spiegel laat veel te wensen over.
Tot dusver hebben we het alleen maar over spiegeltelescopen gehad. De grootste lenzenkijker die ooit is gebouwd, heeft een lens met een doorsnede van 101 centimeter. Het is een gigantisch grote telescoop met een lengte van bijna 20 meter en staat op de Yerkes-sterrenwacht in Williams Bay in de Amerikaanse staat Wisconsis. De sterrenwacht is eigen dom van de universiteit van Chicago. De telescoop werd in 1897 in gebruik genomen. De vloer van de sterrenwacht stijgt en daalt als één geheel. Hierdoor blijft het oculair van de telescoop altijd bereikbaar. De openingsplechtigheid moest worden uitgesteld, doordat de ruim 37 ton zware vloer van haar stellage schoof en vijftien meter dieper terecht kwam. Toen al was duidelijk dat deze lenzenkijker wel de grootste in zijn soort zou blijven. De grote lenzen waren zó dik, dat ze een aanzienlijk deel van het verzamelde licht absorbeerden. Bovendien waren ze zó zwaar dat het nauwelijks voldoende was ze enkel aan de randen te onder steunen. De grote spiegels daarentegen konden over de gehele achterzijde worden ondersteund. Het sterlicht hoeft daar per slot van rekening niet doorheen te bewegen.

Ook bij de realisatie van de Yerkes-sterrenwacht heeft George E. Hale een belangrijke rol gespeeld. Hij was destijds 24 jaar en assistent en docent aan de universiteit van Chicago. Hij was niet alleen een uiterst bekwaam en origineel sterrenkundige, maar verstond bovendien de kunst om rijke mensen, die van sterrenkunde bijna niets afwisten, zodanig te bepraten dat ze bereid waren enorme telescopen te financieren. In dit geval werd Charles Yerkes, een spoorwegmagnaat uit Chicago, overtuigd, bepraat, gesmeekt en op allerlei manieren bewerkt tot hij met meer dan driehonderdduizend dollar over de brug kwam, waarmee de grote telescoop kon worden gebouwd. De Yerkes-sterrenwacht ligt niet op een eenzame berg zoals zo veel sterrenwachten.

Dit is onder meer te wijten aan het feit dat Hale tijdens zijn bezoeken een Mount Etna en Pikes Peak, telkens op hevig onweer werd onthaald. Het observatorium werd daarom gebouwd aan Lake Geneva, 130 kilometer ten noorden van Chicago. De 101 cm-telescoop bleek uitzonderlijk geschikt voor het bepalen van sterparallaxen. De combinatie van een grote brandpuntafstand, bijna 19 meter, met de eenvoudiger constructie van de lenzentelescoop, bleek ideaal voor dit onderdeel van de sterrenkunde.

De laatste jaren zijn nieuwe enorme telescopen in gebruik genomen. De 508 cm Hale-telescoop en de Russische 6 meter telescoop in de Kaukasus behoren al lang niet meer tot de grootste telescopen ter wereld.

Het laatste decennium van de 20e eeuw is men begonnen met de bouw van telescopen die uit meerdere spiegels bestaan.

Dit soort telescopen worden multiple-mirror telescopen (MMT) genoemd. De eerste multiple-mirror telescoop die werd ge bouwd staat op de Whipple-sterrenwacht op de ongeveer 2300 meter hoge Mount Hopkins in de Amerikaanse staat Arizona.

De telescoop bestaat uit zes spiegels die elk een doorsnede van 183 centimeter hebben. Hierdoor is het totale lichtver garend vermogen van de telescoop gelijk aan dat van een 4« meter telescoop. Het systeem bleek uitstekend te werken zodat nóg grotere MMT's werden gebouwd.

De grootste spiegeltelescoop die momenteel in gebruik is bevindt zich in de McDonald-sterrenwacht in het westen van Texas. Het is de « Hobby-Ebberly Telescope» (de «HET») die op 8 oktober 1997 in gebruik is genomen. De telescoop heeft een spiegelmiddellijn van maar liefst elf meter. De spiegel van deze telescoop is opgebouwd uit 91 kleine, zeshoekige segmenten, die tezamen één reuzenspiegel vormen. Het bij zondere aan de Hobby-Ebberly-telescoop is dat de kijker vast staat gericht op 55° boven de horizon. Wel kan hij 360° draaien in azimut. Aldus kan men met de telescoop de hemel waarnemen tussen -10 en +71° declinatie. Maar hij is sferisch van vorm en door de aanwezige correctiespiegels is de effectieve diameter slechts ruim 9 meter. De kostprijs van de Hobby-Ebberly-telescoop bedraagt slechts 13,5 miljoen dollar. Dat is slechts een fractie van de Keck-telescopen die 100 miljoen dollar per stuk hebben gekost.

Ook de twee 10 meter Keck-telescopen (om precies te zijn 982 cm) zijn opgebouwd uit kleine zeshoekige segmenten. In dit geval 36 segmenten die tezamen één reuzenspiegel vormen.

Beide telescopen staan op de W.M. Keck-sterrenwacht op Mauna Kea op Hawaii. De eerste Keck-telescoop kwam al in 1990 gereed. Deze sterrenwacht is eigendom van de Universiteit van Californië en het California Institute of Technology.

Op Mauna Kea staan inmiddels tal van reusachtige telescopen.

Het is dan ook een ideale waarnemingsplaats op 4205 meter boven de zeespiegel op een uitgedoofde vulkaan. Er wordt momenteel gebouwd aan een nóg grotere telescoop. Dat wordt de US National New Technology Telescope. Dat wordt een multiple-mirror telescoop (MMT) met een effectieve middel lijn van 15 meter. Deze MMT-telescoop zal bestaan uit vier spiegels van ieder 7« meter middellijn. Elk van deze spiegels zal weer uit kleinere segmenten bestaan.

De OSO bouwt in Chili aan de Very Large Telescope. Dat is eveneens een MMT-telescoop. Hiervan zal de effectieve middellijn zelfs 16 meter bedragen. De Very Large Teles cope zal uit vier telescopen van 8 meter middellijn bestaan, die ieder weer uit kleinere segmenten zijn opgebouwd.

De grootste enkelvoudige telescopen hebben middellijnen van acht meter. Zo heeft de Mount Graham-sterrenwacht in Arizona een 8 meter-spiegeltelescoop en de McDonald Sterrenwacht van de Universiteit van Texas een spiegeltelescoop van 7,6 meter doorsnede.

Grote telescoopspiegels hebben twee belangrijke voordelen: er zijn bijzonder zwakke (en dus ver verwijderde) objecten mee waar te nemen en ze hebben een enorm groot scheidend vermogen. Hierdoor leveren ze superscherpe beelden. Die beeldscherpte wordt overigens wel nadelig beïnvloed door trillingen in de atmosfeer. Met behulp van zeer ingewikkelde correctietechnieken kan die luchtonrust tegenwoordig wel worden «weggefilterd». Maar de ideale telescoop bevindt zich natuurlijk boven de aardse dampkring. Daarom moeten we in dit verhaal zeker ook de Hubble Space Telescope (HST) noemen. Sinds 1990 draait deze ruimte-telescoop in een baan om de aarde. Ondanks het feit dat dit een relatief vrij kleine telescoop is (de spiegelmiddellijn bedraagt «slechts» 2,4 meter), levert hij toch scherpere beelden op dan de meeste grote telescopen op het aardoppervlak.