Streven. Jaargang 20

[p. 693]

Het raadsel van de quasars
P.J. Treanor

Men kan zeggen dat de geschiedenis van de moderne astronomie begonnen is op het ogenblik dat, vier eeuwen geleden, Galilei zijn primitieve telescoop op de hemel richtte en uit deze nog ruwe waarneming conclusies wist te halen die nu nog ieders bewondering afdwingen. Sedertdien is het instrumentarium van de astronomen enorm veel rijker geworden, in hoeveelheid en afmeting zowel als kwaliteit en precisie. Toch blijft het een eigen karakteristiek van de astronomische wetenschap dat ze voor haar conclusies is aangewezen op de interpretatie van relatief gesproken schaarse gegevens, omdat de diepte waarin het heelal thans gepeild wordt, zo groot is dat daarnaast zelfs moderne observatie-mogelijkheden haast lachwekkend klein zijn.

Tot 'n vijfentwintig jaar geleden was men voor de kennis van het heelal aangewezen op het licht van verschillende hemellichamen, hetgeen slechts een klein deel vertegenwoordigt van de energie welke zij uitstralen. De ontdekking van de radio-astronomie heeft daarin verandering gebracht, vooral dan in onze kennis van de ver verwijderde galaxieën, die zich met enorme snelheden (een belangrijke portie van de lichtsnelheid) van ons verwijderen. Deze discipline betekende voor de sterrenkunde een zeer grote vernieuwing, die enkele jaren geleden een toppunt bereikte in de ontdekking van de ‘quasars’.

Voorgeschiedenis

Eerst in de jaren onmiddellijk vóór de jongste wereldoorlog werd onze eigen galaxie geobserveerd door het opvangen van stralen in een gamma van veel grotere golflengte dan het zichtbare licht, golven die ook in de gewone radio- en TV-verbindingen gebruikt worden. Na de oorlog ging men dan eigenlijke radio-telescopen bouwen, waarmee het mogelijk werd een gedetailleerd onderzoek van het heelal aan te vatten. In princiep verschillen deze telescopen niet van gewone spiegelkijkers, tenzij juist door hun gevoeligheid voor langere golflengten en hun volkomen blindheid voor het gewone licht. Twee grote voordelen hebben ze ten overstaan van optische kijkers: ze kunnen bepaalde objecten waarnemen die veel meer radio-energie dan licht uitstralen, en dwarsdoor interstellaire stofwolken heen kunnen ze gebieden van het heelal zien die anders door die wolken verduisterd blijven. Ze hebben nochtans ook een groot

[p. 694]

nadeel: aangezien radiogolven ongeveer 1.000.000 maal langer zijn dan zichtbare lichtgolven, zou een radio-telescoop ook een miljoen maal groter moeten zijn dan een optisch instrument om een even sterk gedetailleerd beeld te kunnen weergeven. Daarom zijn radiotelescopen ook zeer grote constructies (zoals de 75 meter-spiegel van Jodrell Bank en het Newton-kruis te Bologna) en is zelfs zó hun mogelijkheid tot het onderscheiden van details (het ‘oplossingsvermogen’, zoals dat in vaktaal heet) minder goed dan die van het blote mensenoog bij gewoon licht.

De belangrijkste en boeiendste ontdekking, gedaan met radiotelescopen, waren de z.g. ‘discrete radio-sources’, welke term we het best met ‘verborgen’ radio-objecten vertalen. Deze objecten, waarvan de radio-astronomen in beide hemisferen er reeds meer dan 3.000 gecatalogiseerd hebben, zijn bronnen van sterke radio-straling, die meestal niet met een of andere betrekkelijk heldere ster van de melkweg, noch met een nabije galaxie samenvallen. Een zorgvuldig onderzoek met optische telescopen binnen de kleine gebieden, door de positie der radio-objecten bepaald, bracht aan het licht dat de helderste radiobronnen kunnen geïdentificeerd worden als ver verwijderde galaxieën. De fysische toestand van deze galaxieën moet echter sterk verschillen van wat we in gewone galaxieën als onze melkweg vinden: deze laatste stralen immers zeer weinig radio-energie uit; ook het ongewone optisch beeld dat ze vertonen bevestigt dit vermoeden. Spoedig bleek dat de meeste radiobronnen dergelijke galaxieën moesten zijn, waarvan de optische straling echter, wegens de enorme afstand, meestal te zwak is om nog waarneembaar te zijn. Dit moeten dan wel de verst afgelegen objecten zijn, door de mens gekend: hun afstand tot de zon loopt immers op tot 7.000.000.000 lichtjaren.

De ontdekking der quasars

Dat was het zeer eenvoudige beeld dat men zich van de verst afgelegen streken van het heelal gevormd had, tot het, ongeveer drie jaar geleden, door een nieuwe ontdekking bijna brutaal gestoord werd. De geleidelijke verbetering van de radiotelescopen had het mogelijk gemaakt met ongewoon grote nauwkeurigheid de positie uit te stippelen van een bepaalde radio-bron, tot dan slechts gekend onder haar cataloognummer 3 C 273. Zorgvuldig onderzoek met een reuzetelescoop bracht op het eerste gezicht geen galaxie te voorschijn die de radiostraling kon veroorzaken. Er bleek echter in het geobserveerde gebied een klein, ster-achtig object te staan, dat totaal anders voorkwam dan om het even welke gekende galaxie. Spectrografische analyse toonde aan dat ook het licht van die ster volkomen verschilde van dat van gewone sterren, speciaal door zijn ongewone, heldere ‘emissielijnen’ (dit zijn heldere lijnen in een lichtspectrum, veroorzaakt door het oplichten van hete gassen). Deze lijnen verschaften het antwoord op het raadsel aan de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt, die ontdekte dat het hier feitelijk om lijnen ging welke normaal in het ultraviolette gedeelte van het spectrum zouden voorkomen dat door de atmosfeer van de aarde geabsorbeerd wordt.

[p. 695]

De verschuiving van die ultraviolette lijnen naar het blauw kon inderdaad uitgelegd worden, als die ‘ster’ in werkelijkheid een verre galaxie was, die het bekende ‘rood-verschuivings’-effect (Doppler-effect) vertoont wegens de grote snelheid waarmede zij zich van ons verwijdert. Deze verwijdering is te wijten aan de expansie van het heelal. Dit ster-achtig object was het eerst gekende exemplaar van een nieuwe klasse van astronomische objecten, die wegens hun quasi-stellair voorkomen de naam ‘quasi stellar objects’ kregen, weldra enigszins barbaars samengetrokken tot ‘quasars’.

De quasar 3 C 273 bleef niet lang enig in zijn soort: door nauwe samenwerking van optische en radio-astronomen in intens doorgevoerde onderzoekingen vond men er een twaalftal binnen het jaar. Op dit ogenblik zijn er verschillende honderden bekend.

Een studie van deze quasar-groep maakt het nu mogelijk hun gemeenschappelijke trekken te omschrijven: het zijn radio-bronnen, die optisch het beeld vertonen van een ster of ongeveer het beeld van een ster: enkele vertonen zwakke sporen van nebulositeit; hun spectrum is eigenaardig, doch karakteristiek: het bevat emissielijnen waarvan de roodverschuiving overeenstemt met grote verwijderings-snelheden; minstens enkele quasars hebben een veranderlijke helderheid.

Wat zijn quasars?

De sleutel tot het antwoord op deze vraag moet hoofdzakelijk gezocht worden door meting en interpretatie van de roodverschuiving in de spectra. Die meting is zeer moeilijk omdat quasars steeds zeer zwakke lichtbronnen zijn; toch is ze, na hardnekkige en herhaalde pogingen en met behulp van de grootste telescopen en de meest moderne beeldversterkers, in bijna honderd gevallen geslaagd. De resultaten waren in hoge mate verbluffend.

De eerste roodverschuiving, door Schmidt gemeten in 1963, kwam overeen met een verwijderingssnelheid van 48.000 km/sec. (dat is ongeveer een zesde van de lichtsnelheid), doch nu reeds kennen we verschillende zwakke quasars met roodverschuivingen die wijzen op meer dan 240.000 km/sec. Indien deze snelheden reëel zijn, zouden deze objecten verschillende miljarden lichtjaren van ons verwijderd zijn, veel verder dus dan de zwakste ‘gewone’ galaxie die ooit werd waargenomen. Is deze gevolgtrekking juist, dan moeten de quasars ongelooflijk heldere objecten zijn, die ongeveer honderdmaal meer energie uitstralen dan gewone galaxieën. Hun ster-achtig uiterlijk wijst er echter op dat ze terzelfdertijd veel kleiner in omvang zijn dan gewone galaxieën. Dat sommige quasars een wisselende helderheid vertonen, maakt de zaak eigenlijk nog raadselachtiger, want dit veronderstelt dat, terwijl de diameter van een gewone galaxie ongeveer 100.000 lichtjaren bedraagt, het grootste deel van het quasarlicht voortkomt uit een gebied van ten hoogste enkele lichtjaren in diameter. Het moeten dan wel galaxieën zijn in een werkelijke staat van explosie!

Dergelijke verbluffende conclusies worden door de astronomen niet gauw aanvaard zonder zeer zorgvuldig kritisch onderzoek. Een eerste voor de hand

[p. 696]

liggend alternatief voor de gegeven interpretatie is, aan te nemen dat de roodverschuiving helemaal niet aan snelheid toe te schrijven is, doch wel aan gravitatie. De lezer weet wellicht dat uit Einsteins veralgemeende relativiteitstheorie volgt, dat een lichtstraal die door een gravitatieveld heen gaat, een roodverschuiving ondergaan moet; deze theoretische gevolgtrekking werd trouwens enkele jaren geleden experimenteel bevestigd door meting van het z.g. Mössbauer-effect bij gamma-stralen in het zwaarteveld van de aarde¹. Een dergelijke roodverschuiving zou dan in het quasarlicht veroorzaakt zijn door voorwerpen met de omvang van een gewone ster, doch met de massa van honderden sterren, gelegen binnen onze eigen galaxie. Deze hypothese tart werkelijk de verbeelding en brengt nog grotere moeilijkheden met zich mee. De aanwezigheid van die enorme massa's in de melkweg zou immers voldoende zijn om zelfs binnen ons zonnestelsel kleine storingen te verwezenlijken, die nog niet werden waargenomen.

Zou een quasar dan wellicht alleen maar een ongewoon type van galaxie zijn met een vrij normale helderheid? In dat geval zouden ze volgens hun schijnbare helderheid ongeveer tweemaal dichterbij staan dan de afstand die blijkt uit hun roodverschuiving. Slechts een klein gedeelte van de roodverschuiving zou dan aan de kosmologische expansie kunnen worden toegeschreven; de rest zou op rekening komen van hun uitzonderlijke hoge gravitatie of van een expansie-snelheid, volkomen verschillend van en veel groter dan die van andere galaxieën.

Uit welke hoek ook bekeken, zijn quasars uiterst ongewone objecten.

1 cfr. H. Jans, Rudolf L. Mössbauer, in Streven, maart 1962, pp. 547-551.

Kosmologische betekenis van de quasars

De waarschijnlijkheid dat quasars uiterst lichtsterke en verwijderde galaxieën zijn, bezorgt ze een belangrijke kosmologische betekenis. Essentieel draait de keuze tussen de verschillende kosmologische modellen van het heelal (‘steady state’, uitdijend of oscillerend) grotendeels rond de meting van de verwijderings-snelheid van verre galaxieën. Daaruit leren we immers in welke fysische en dynamische toestand het heelal verkeerde verschillende miljarden jaren geleden. Daarom juist waren de gewone zwakke ‘radio-galaxieën’ bijzonder interessant: de meeste ervan lagen voorbij de reikwijdte van optische waarnemingen; daarom waren tot voor kort de radio-signalen van deze galaxieën onze enige informatie over de diepste streken van de ruimte (ongeveer 2 miljard lichtjaren). Ongelukkig is het normaal onmogelijk de roodverschuiving van een radio-galaxie te meten, wat de astronomen noodzaakte zich te beperken tot statistische studies van hun distributie; deze studies hadden overigens reeds rijke vrucht afgeworpen.

Het grote belang van de quasars in dit verband is nu dat ze gelegen zijn in gebieden, even ver of zelfs verder verwijderd dan de gewone radio-galaxieën en dat, wegens hun grote helderheid, hun roodverschuiving optisch kan geme-

[p. 697]

ten worden. Zij brengen ons dus een veelbelovende nieuwe mogelijkheid om de expansie van het heelal nauwkeuriger en op groter afstand te onderzoeken dan ooit tevoren. Vele astronomen zien daarin een gewettigde hoop dat we ooit tot een verantwoorde keuze tussen de verschillende kosmologieën zullen komen.

Verwanten van de quasars

In de hoop meer inzicht te krijgen in de natuur van quasars, wijden sommige astronomen speciale aandacht aan sommige soorten van objecten, die geen quasars zijn, maar enkele van hun eigenschappen bezitten.

Eigenlijk waren de bijzondere kenmerken van twee dergelijke objecten reeds ontdekt kort voordat de eerste quasar geïdentificeerd werd. Het eerste was feitelijk een welbekende galaxie met een onregelmatige structuur, lang geleden reeds opgetekend door Messier onder het cataloognummer M82. Reeds enkele jaren stond dit voorwerp bekend als een sterke radio-bron en reeds duizenden malen was het gefotografeerd; doch pas in 1962 bleek uit lang belichte opnamen met een filter die slechts het rode waterstoflicht doorliet, dat de galaxie een uitzetting vertoonde rond het kerngebied. Spectra van deze nieuw-ontdekte uitzetting toonden een werkelijk explosieve expansie vanuit de kern aan. Hier kreeg men het bewijs voor het bestaan van geweldige energie, afkomstig uit de kern van een galaxie. Zouden quasars wellicht een soort explosie van galactische kernen zijn? Over het centrale gebied van een galaxie, dat slechts enkele honderden lichtjaren diameter heeft, is nog weinig bekend. Zelfs de kern van de Melkweg is in mysterie gehuld; wel weten we dat er mysterieuze krachten in verscholen liggen.

Kort voor de ontdekking van de eerste quasar observeerde Minkowski met de 5 m-telescoop van Mount Palomar het spectrum van een zwakke galaxie. Juist als de quasars is deze galaxie een radiobron en vertoont ze spectraallijnen die een grote verwijderingssnelheid aantonen (ongeveer de helft van de lichtsnelheid). Deze snelheid betekent dat de galaxie ongeveer vijf miljard lichtjaren ver staat, d.w.z. in ‘quasar-land’. Nochtans heeft ze niet, zoals de quasars, het uiterlijk van een ster; ze heeft integraal de structuur van een gewone galaxie en schijnt trouwens deel uit te maken van een ‘cluster’ (een zwerm), die voor de rest slechts volkomen normale leden telt.

Nog andere mogelijke aanwijzingen en tussenschakels doken op sedert de ontdekking van de quasars. Aangezien quasars veel ultraviolet licht uitstralen, zijn astronomen juist naar zwakke objecten met dezelfde eigenschappen op zoek gegaan. Dit kan gebeuren door hele gebieden van sterren met verschillende kleurfilters te fotograferen. Daarna onderzoekt men stuk voor stuk interessant lijkende objecten om uit te maken of het wellicht quasars zijn en wordt de roodverschuiving gemeten. Veel van deze objecten, wellicht de helft, blijken dan alleen maar ongewone sterren te zijn; de andere vertonen de heldere emissielijnen met sterke roodverschuiving en het ster-achtig uiterlijk, karakteristiek voor quasars. Toch zijn er daaronder een aantal die aan al deze voorwaarden

[p. 698]

voldoen zonder eigenlijke quasars te zijn, omdat ze geen waarneembare radio-energie uitstralen en dus geen radio-objecten zijn.

Het onopgeloste raadsel

Geen enkel van bovengenoemde objecten is echter de ‘missing link’, de tussenschakel, die ons in staat kan stellen het mysterie van de quasars te ontsluieren. De astronomen beginnen zich pas te realiseren dat de haast toevallige ontdekking van de quasars hun de weg geopend heeft naar de ontdekking van totaal nieuwe soorten van galaxieën, gekenmerkt door de grote energie-bronnen waarover ze beschikken, veel sterker dan diegene welke in onze eigen melkweg aan het werk zijn. Zijn deze krachten latent in alle galaxieën en spelen ze een belangrijke rol in de vorming en de evolutie van de galaxieën? Vele jaren zal het wellicht duren vooraleer men op die vragen het antwoord kent.

Ondertussen mogen de astronomen wel dankbaar zijn dat de natuur deze machtige ‘lantaarns’ aan de grens van de zichtbare kosmos heeft uitgezet als een vriendelijke attentie voor de velen die een glimp van die achteloos weggestraalde energie opvangen en in dat flikkerend lichtje de ouderdom en de geschiedenis van het heelal trachten te ontdekken.