Maarten Schmidt, de ontdekker van de verste sterrenstelsels; Mister Quasar kan het niet laten

Sommigen noemen hem de belangrijkste speurder naar de grenzen van het heelal. Anderen hebben het kortweg over Mr Quasar. De aanduidingen slaan op de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt, die baanbrekend werk heeft verricht op het gebied van quasars. Schmidt werkt al ruim dertig jaar in de Verenigde Staten. Afgelopen maandag kreeg hij van de Rijksuniversiteit Groningen voor zijn werk de Ubbo Emmiuspenning 1992 (een penning genoemd naar de eerste rector magnificus).

Schmidt maakte naam in 1963, toen hij de afstand wist af te leiden van de raadselachtige objecten die kort daarvoor waren ontdekt. Het bleken geen sterren in ons melkwegstelsel, maar objecten die juist heel ver weg stonden: veel verder dan de bekende sterrenstelsels. De grens van het heelal schoof een heel stuk op en daardoor kon men ook veel verder terug kijken in de tijd. De ontdekking was een van de belangrijkste in de geschiedenis van de sterrenkunde.

Maarten Schmidt werd op 28 december 1929 geboren in Groningen, waar hij ook studeerde. In 1949 werd hij assistent op de Leidse Sterrewacht, waar hij onder Oort onderzoek deed naar de bouw van ons melkwegstelsel. Hij promoveerde in 1956 en drie jaar later werd hij hoogleraar aan het California Institute of Technology in Pasadena. Daardoor kon hij gaan waarnemen met de beroemde Hale-telescoop op Palomar Mountain: een mekka voor astronomen. Van 1977 tot 1980 was Schmidt directeur van de Hale Sterrenwacht en de daarbij behorende sterrenwachten op Mount Wilson en Las Campanas (Chili).

In Pasadena deed Schmidt aanvankelijk onderzoek naar het ontstaan van sterren en naar de afstanden en bewegingen van Cepheïden. Dit zijn pulserende sterren die als "standaardkaarsen' gebruikt worden voor het bepalen van de afstanden van sterrenstelsels. Maar na de ontdekking van de mysterieuze quasars kwam zijn onderzoek in een definitief spoor.

Radiobronnen

De ontdekking van quasars was voortgekomen uit het onderzoek aan de vele radiobronnen die na de oorlog aan de hemel werden ontdekt. Door het combineren van waarnemingen van verschillende radiotelescopen kon hun positie zo nauwkeurig worden bepaald, dat identificatie met zichtbare objecten mogelijk werd. Sommige bronnen waren objecten in ons melkwegstelsel, maar meestal ging het om andere sterrenstelsels.

In 1960 ontdekte de Amerikaanse astronoom Allan Sandage dat een zo'n radiobron op fotografische platen niet te onderscheiden was van een ster. In 1962 werden er nog twee "radiosterren' gevonden. Jesse Greenstein, ook van Caltech, zag dat het spectrum afweek van dat van ieder ander bekend hemellichaam en dat de straling in het ultraviolet zeer sterk was. Niemand wist wat hij er mee aan moest. "De mogelijkheid van sterrenstelsels werd wel genoemd', aldus Schmidt, "maar men dacht toch meer aan vreemde sterren in ons eigen melkwegstelsel'.

Ook Schmidt bestudeerde de spectra van deze radiosterren. Eén van die objecten was 3C273: de 273e bron uit de derde Cambridge-catalogus. "Tijdens het schrijven van een artikel daarover voor Nature keek ik er nog eens naar en toen viel het me op dat de lijnen een toenemende sterkte en onderlinge afstand hadden. Bij het uitwerken van die regelmaat ontdekte ik tenslotte dat het om de lijnen van waterstof ging die alle in dezelfde mate naar het rood waren verschoven'. Het was toen 5 februari 1963, "een uur of twee in de middag'.

Van een tweede "radioster', 3C48, konden Schmidt en Greenstein later die middag het spectrum op dezelfde manier verklaren. Volgens Schmidt kwam het besef dat vrij heldere sterachtige objecten een grote roodverschuiving kunnen hebben als een donderslag bij heldere hemel. "We begonnen direct over de aard van deze roodverschuiving te discussiëren en kwamen binnen enkele dagen tot de toen bijna roekeloze conclusie dat deze zogenaamde sterren zich op afstanden van miljarden lichtjaren moesten bevinden'. Hun publicatie in Nature van 16 maart baarde enorm opzien.

De nieuwe "radiosterren' behoorden dus niet tot ons melkwegstelsel, maar tot het domein van de sterrenstelsels. Hun roodverschuiving was het gevolg van het Doppler-effect dat optreedt doordat zij deelnemen aan de uitdijing van het heelal. De quasi-ster 3C48 zou op een afstand van zo'n 4 miljard lichtjaar moeten staan, veel verder dan de verste sterrenstelsels. De grens van het waarneembare heelal schoof een enorm stuk op en opeens kon men nu ook veel verder terug kijken in het verleden van het heelal.

Schmidt en Greenstein werden in 1965 door de staat Californië uitgeroepen tot "wetenschappers van het jaar' en een jaar daarna prijkte Schmidt op de voorplaat van Time. Tot op heden is hij de enige Nederlandse wetenschapper gebleven die dit genoegen mocht smaken.

Roodverschuiving

Overal waar astronomen nu keken werden er sterachtige radiobronnen met grote roodverschuiving ontdekt, en op steeds grotere afstanden. Ook werden er vele zwakke blauwe "sterren' gevonden die wel een grote roodverschuiving hadden, maar geen radiostraling uitzonden. Tezamen werden al deze verre objecten quasi-stellaire objecten ofwel quasars genoemd.

Lang niet alle astronomen waren overigens direct van die enorme afstanden overtuigd. Sommige quasars vertonen snelle veranderingen in helderheid, soms binnen een dag, zodat hun diameter niet veel groter dan een lichtdag kan zijn. Bij een grotere diameter zouden de helderheidsvariaties elkaar uitdempen. Hun lichtkracht is echter honderden malen die van een compleet sterrenstelsel. Hoe kan een object niet veel groter dan ons zonnestelsel zóveel energie produceren?

Schmidt: "Al drie dagen na de vijfde februari kreeg ik een briefje van Geoffrey Burbidge, waarin hij al iets negatiefs opmerkten over deze kosmologische roodverschuiving. Drie jaar later sloten Halton Arp en Fred Hoyle zich hierbij aan. De laatste omdat onze interpretatie van de roodverschuiving niet strookte met zijn steady-state theorie: de theorie dat het heelal geen begin en geen einde heeft en er overal en altijd hetzelfde uitziet'.

Arp meende op foto's van de hemel samenstanden van quasars en melkwegstelsels te zien en concludeerde daaruit dat quasars op dezelfde, normale afstanden staan als sterrenstelsels. In dat geval behoefden zij dus niet uitzonderlijk lichtsterk zijn. Dit betekende echter dat de roodverschuiving niet altijd een kosmologische oorzaak had en daarmee werd de theorie van de uitdijing van het heelal aangetast.

Gravitatieveld

De contra's brachten verschillende alternatieve verklaringen voor de roodverschuiving naar voren. Quasars zouden door explosies uit naburige sterrenstelsels zijn gestoten. Of de roodverschuiving zou ontstaan doordat licht tijdens het overwinnen van het sterke gravitatieveld van een quasar energie verliest en dus roder wordt. In het eerste geval zouden er echter ook quasars moeten zijn die onze kant uit bewegen en een blauwverschuiving vertonen en die werd nooit waargenomen. En ook het tweede alternatief leidde tot grote moeilijkheden.

"Het heeft lang geduurd voordat we eigenlijk iets van quasars zijn gaan begrijpen', aldus Schmidt. "Dat begon zo'n beetje toen er rond de quasars met kleine roodverschuiving, c.q. afstand, nevelachtige structuren werden waargenomen'. In de jaren tachtig werd aangetoond dat deze nevels dezelfde kenmerken hebben als die rond sterrenstelsels. Zo won de theorie veld dat quasars de superheldere kernen zijn van verre sterrenstelsels, waarvan het grootste deel onzichtbaar is.

Spectaculair was ook de ontdekking dat het beeldje van sommige quasars door het gravitatieveld van een sterrenstelsel op de voorgrond kan worden verplaatst, of in meerdere beeldjes gesplitst. Het sterrenstelsel, dat soms niet eens te zien is, fungeert dan als gravitatielens. Dit is echter alleen mogelijk wanneer de quasar een flink eind verder dan het sterrenstelsel staat: nòg een bewijs dat quasars zeer verre objecten in het heelal moeten zijn.

Andromedanevel

Na die vijfde februari hebben de quasars Schmidt nooit meer losgelaten.

Schmidt: "Vroeger, voor de quasar-tijd, deed ik in feite iedere vijf jaar iets anders. Toen ik een jaar of tien aan quasars had gewerkt, besloot ik dat ik dit terrein maar eens moest gaan verlaten. Maar dan gebeurt er weer iets interessants en zo is het me nooit gelukt om er helemaal uit te komen'.

Het onderzoek aan quasars vergde heel veel tijd en leidde slechts heel langzaam tot nieuwe inzichten. Maar dat is gezien het vóórkomen van deze objecten niet verwonderlijk. Schmidt: "Vergelijk de situatie eens met de Andromedanevel, waar je structuur ziet, rotatie kunt meten en afzonderlijke sterren onderscheiden. Dat alles levert een enorme hoeveelheid informatie op. Maar een quasar is een lichtpunt'.

Alleen bij waarnemingen in het gebied van de radiogolflengten is de situatie gunstiger. Door het combineren van metingen van ver uit elkaar staande radiotelescopen kan men "beelden' samenstellen die veel meer detail tonen dan opnamen met optische telescopen. En dank zij het ruimte-onderzoek kunnen quasars nu in àlle golflengtegebieden worden bestudeerd.

In het begin van de jaren zeventig begon Schmidt met zijn promovendus Richard Green aan een ambitieus onderzoek naar de afstanden en dus leeftijden van quasars, om zo de evolutie van deze objecten op het spoor te komen. Zij fotografeerden de gehele noordelijke hemel, zeefden uit zes miljoen lichtpunten zo'n 1700 objecten die zeer blauw waren en namen hiervan een spectrum om te kijken welke echte quasars waren.

Na tien jaar werk kwamen er 115 exemplaren uit de bus, die een tendens bevestigden die Schmidt en anderen al eerder hadden opgemerkt. Heel dicht bij huis, in onze Lokale Supercluster, zitten geen quasars. Op grotere afstand, ofwel verder terug in de tijd, neemt de quasardichtheid eerst toe tot een bepaald maximum en dan opeens sterk af.

Deze tendens wees op een belangrijk evolutionair verschijnsel. Het betekende dat quasars zich pas een zekere tijd na het ontstaan van het heelal als "soort' gingen manifesteren, later hun grootste bloei bereikten, om nog weer later van het toneel te verdwijnen. Dit inzicht leidde er onder andere toe dat Fred Hoyle, een van de eerdergenoemde opponenten van Schmidt, zijn "steady-state' model van het heelal moest laten varen.

Big Eye

Een kleine tien jaar geleden ging Schmidt met collega's James Gunn en Donald P. Schneider langs een wat andere weg op quasar-jacht. De telescoop was nu voorzien van een elektronische camera en een "objectieftralie', waardoor van elk object in het beeld een klein spectrum ontstond. De aandrijving van de telescoop werd stilgezet, zodat door de aardrotatie iedere nacht een smalle strook van de hemel werd afgetast. Met behulp van een computerprogramma werden vervolgens uit de ontelbare spectra de mogelijke quasars gezeefd. Deze werden dan een voor een met de Hale-telescoop, bijgenaamd "Big Eye', bestudeerd.

In de loop van dit zeer tijdrovende onderzoek werden quasars gevonden met een steeds grotere roodverschuiving, dus op steeds grotere afstand. De recordhouder was een quasar waarvan het licht er 13,9 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Als men aanneemt dat het heelal 15 miljard jaar oud is, dan zou deze quasar dus 1,1 miljard jaar "jong' moeten zijn.

Het totale aantal waargenomen quasars ligt nu bij de 4000. Hoewel dit maar een fractie is van de miljoenen die er in het heelal moeten zijn, kan hiermee al de ontwikkeling van quasars als "soort' worden nagegaan. Het blijkt dat quasars ongeveer een miljard jaar na het ontstaan van het heelal op het toneel verschenen, twee miljard jaar later hun grootste bloei bereikten en sinds die tijd weer langzamerhand van het toneel gingen verdwijnen.

Ook door andere astronomen wordt statistisch onderzoek aan quasars verricht, met name door twee groepen in Engeland. Daar stroopt men met automatische meetmachines fotografische platen af die zijn opgenomen met een telescoop in Australië. Volgens Schmidt vindt de ene groep een resultaat dat min of meer overeenstemt met dat van zijn groep, maar de andere niet. Schmidt: "Misschien doen zij iets verkeerds gedaan, of misschien wij'.

En intussen blijven de aanwijzingen dat quasars de kernen van verre sterrenstelsels zijn zich opstapelen. Quasars zijn waarschijnlijk de manifestatie van een bepaald stadium in de evolutie van sterrenstelsels. Stelsels in onze omgeving hebben in een ver verleden misschien ook een quasarfase doorgemaakt, maar daarvan zijn de sporen nu verdwenen.

Quasars hebben veel gemeen met de kernen van zogeheten Seyfert-stelsels: sterrenstelsels met een heel heldere kern en zwakke buitengebieden. Deze stelsels waren al bekend sinds 1940, maar pas ná de ontdekking van quasars bemerkte men dat hun spectrum op dat van quasars leek en dat hun kern ook snelle veranderingen in helderheid kan vertonen.

Schmidt: "Als we deze feiten eerder hadden geweten, vóór 1963, dan waren de discussies over de ware aard van quasars veel gemakkelijker geweest. De snelle helderheidsveranderingen van quasars zouden dan gelijk in verband zijn gebracht met die van Seyfert-stelsels. Quasars zijn naar mijn gevoel eigenlijk te vroeg ontdekt'.

Zwart gat

De energiebron van een quasar zou een zwart gat kunnen zijn, dat het gas en de sterren er omheen aanzuigt. Deze materie wordt dan zo sterk versneld, dat het zeer veel straling gaat uitzenden: materie wordt op een zeer efficiënte manier omgezet in energie. Drie jaar geleden ontdekten Japanse en Amerikaanse astronomen in een quasar moleculaire waterstof, die deze theorie ondersteunt. Maar een zwart gat is nog nooit echt gezien.

De Groninger astronoom Peter Barthel kwam in 1988 met de theorie dat quasars die radiostraling uitzenden (zo'n tien procent van alle quasars) wellicht niets anders zijn dan krachtige radiostelsels die ongeveer loodrecht van boven worden gezien. Daardoor zouden we op de hete kern van dit stelsel kijken, dat zich daardoor voordoet als quasar. Volgens Schmidt zou de helderheid van zulke radiostelsels en quasars dan echter in het infrarood ongeveer gelijk moeten zijn en dat zou eerst nog eens goed moeten worden uitgezocht.

Absorptielijnen in het licht van verre quasars wijzen er op dat zich vóór de quasar soms donkere materie bevindt die licht absorbeert. Uit de roodverschuiving van die lijnen kan men afleiden op welke afstand die materie zich bevindt, terwijl andere kenmerken iets over de fysische en chemische eigenschappen er van vertellen. Zo zijn quasars als verre "vuurtorens' belangrijk voor het onderzoek naar onzichtbare "oermaterie' diep in het heelal

Schmidt en zijn collega's zijn inmiddels begonnen aan een nieuwe jacht, waarbij men nog grotere roodverschuivingen probeert te vinden. Vorig jaar was het weer raak: een quasar op een afstand van 14 miljard lichtjaar, daterend uit de tijd dat het heelal nauwelijks een miljard jaar oud was.

Zullen er door de jacht van Schmidt en anderen steeds jongere quasars worden gevonden? In dat geval is er nog meer werk aan de winkel voor theoretici die het ontstaan van structuren in het heelal willen verklaren. Die tijd die daarvoor beschikbaar was wordt door de ontdekking van quasars op steeds grotere afstanden steeds korter.

Volgens Schmidt werd vóórdat men quasars kende in het algemeen niet aangenomen dat er al zo vroeg structuren in het heelal konden ontstaan. Nu zijn er astronomen die menen dat het wel kan. "Er is dus een zekere adaptatie van theoretici en die heeft er natuurlijk mee te maken dat men verneemt wat de waarnemers hebben gevonden. Men wordt dan wel gedwongen te zoeken naar andere mogelijkheden'.

Hoe lang blijft Schmidt nog waarnemen? In de Verenigde Staten kan men iemand niet tegen zijn zin met pensioen sturen. Maar aan de andere kant kosten het college geven en de andere zaken die met Caltech te maken hebben veel tijd, waardoor het waarneemwerk soms in de verdrukking komt. Schmidt: "Als ik met pensioen ga, is dat om te verzekeren dat ik kan blijven waarnemen'. Het is duidelijk: de quasars zijn voorlopig nog niet af van Maarten Schmidt.

(bijschrift tekening)

Het verband tussen de roodverschuiving (Z), vluchtsnelheid (V) en afstand (A) van sterrenstelsels en quasars. Er is uitgegaan van een heelal met een straal van 15 miljard lichtjaar, dus een leeftijd van 15 miljard jaar. De roodverschuiving, de mate waarin de straling van een stelsel naar de langere golflengten is verschoven, hangt rechtstreeks samen met de snelheid waarmee het stelsel zich van ons verwijdert (hier in procenten van de lichtsnelheid: 300.000 km/s).

De vluchtsnelheid is een gevolg van de algemene uitdijing van het heelal. Hoe verder een stelsel van ons vandaan staat, des te groter zijn vluchtsnelheid. Het verband ertussen is lineair: de zogeheten "wet van Hubble'. Is dit verband eenmaal geijkt aan een aantal stelsels op bekende afstanden, dan kan daarna bij ieder ander stelsel uit de gemeten roodverschuiving direct de afstand worden afgeleid (de werkelijkheid is wat ingewikkelder, omdat ook het gekozen heelalmodel een rol speelt).

De onderste kromme geeft de grootste, met zekerheid gemeten roodverschuiving (Z) en afstand (A) van sterrenstelsels in de loop van deze eeuw. De bovenste kromme geeft hetzelfde verloop bij quasars. De waarnemingsgrens schoof na 1963 in snel tempo op. In de jaren tachtig leek het even of men bij de verste quasars was aangeland. Maar na 1986 schoof de waarnemingsgrens weer verder. De "echte' grens van het heelal, in dit geval op 15 miljard lichtjaar, zal nooit te meten zijn: de roodverschuiving is dan oneindig groot geworden.

BOVEN: In mei 1983 stond er een lichtpunt bij een quasar die een jaar daarvoor niets bijzonders had vertoond. Deze supernova, de explosie van een ster, bewijst dat de quasar de heldere kern is van een sterrenstelsel dat zich verder niet vertoont.

MIDDEN: De 5 meter Hale-telescoop, bijgenaamd "Big Eye', op Palomar Mountain in Californië. Met dit instrument peilde Maarten Schmidt de afgelopen dertig jaar de verste verten van het heelal.

ONDER: Soms ziet men aan de hemel meerdere quasarbeeldjes vlak bij elkaar. Zij ontstaan door de lenswerking van het zwaartekrachtsveld van een sterrenstelsel dat er precies in de gezichtsrichting vóór staat. Deze viervoudige quasar wordt het "Einstein-kruis' genoemd.

Quasar 3C48, een van de twee eerste quasars waarvan in 1963 het spectrum werd ontrafeld. Van het bijbehorende sterrenstelsel is niets te zien.

Een van de ontelbare sterrenstelsels in het heelal. Quasars zijn waarschijnlijk de uitzonderlijk heldere kernen van verre sterrenstelsels waarvan het grootste deel onzichtbaar blijft. Sommige stelsels zouden zich alleen als quasar manifesteren wanneer we er ongeveer loodrecht op kijken.