Luchtige kijker naar de zon

Op het Sterrenkundig Instituut van de Rijksuniversiteit Utrecht is een telescoop ontwikkeld speciaal voor het bestuderen van de zon. Qua grootte is het een bescheiden instrument, met een spiegel van 45 centimeter diameter, maar wat de constructie betreft gaat het om een noviteit. De telescoop wordt zodanig geconstrueerd en opgesteld dat de luchtonrust een minimale invloed heeft op de beeldkwaliteit, waardoor heel kleine details op de zon kunnen worden waargenomen.

De zon is de enige ster waarvan het oppervlak gedetailleerd kan worden bestudeerd. Zij staat als het ware model voor alle andere sterren en daarom is zij in de astronomie een belangrijk waarnemingsobject. Het probleem is echter dat het bij het waarnemen overdag veel moeilijker is scherpe beelden te krijgen dan bij het waarnemen 's nachts. Dit komt doordat de zonnewarmte luchtturbulenties rond en zelfs in de telescoop veroorzaakt. Deze turbulenties bepalen uiteindelijk hoe klein de details zijn die men nog kan zien.

Telescopen voor speciaal het waarnemen van de zon kan men koelen en soms gebeurt dat met het gehele gebouw waarin het instrument staat. Bij de Vacuum Tower Telescope op Sacramento Peak in de Verenigde Staten, een der grootste zonnetelescopen ter wereld, is de telescoopbuis luchtledig. Hiermee wordt echter het probleem geïntroduceerd dat de afsluiting (een glasplaat) buiging en verstrooiing van licht kan veroorzaken.

Dit heeft men bij de Zweedse vacuümtelescoop op La Palma ondervangen door als afsluitplaat een lens te nemen. Deze buigt bij een drukverschil van één atmosfeer precies zo ver door dat hij zijn optimale afbeelding geeft.

Een andere oplossing is het vullen van de telescoopbuis met helium, waarin minder snel turbulenties optreden. Dat zal worden gedaan bij de Europese zonnetelescoop die over enkele jaren op La Palma wordt gebouwd: de LEST (Large Earth based Solar Telescope): een project waaraan Nederland overigens niet deelneemt.

Op het Sterrenkundig Instituut in Utrecht heeft men gekozen voor een radicaal andere oplossing. Onder leiding van C. Zwaan en R.H. Hammerschlag wordt gewerkt aan een geheel open telescoop die in de buitenlucht staat, zodat de wind er dwars doorheen waait en het instrument goed wordt gekoeld. Warme, turbulente luchtmassa's worden op die manier vermeden. De telescoop komt bovendien te staan op een 15 meter hoge, open vakwerk-toren, die evenmin veel aanleiding tot luchtturbulenties geeft.

Wind kan echter wel tot vervormingen en trillingen leiden. De Open Toren Telescoop (OTT) is daarom zo zwaar gebouwd dat hij een zeer grote stijfheid heeft. Een gewicht van 12 ton is voor een 45 cm telescoop erg veel! Bovendien zijn alle onderdelen zodanig geconstrueerd en bevestigd, dat trillingen door de wind geen kans hebben. Zo hebben de staven van de telescoop verschillende diameters, en dus ook verschillende eigenfrequenties, zodat geen resonanties kunnen optreden.

Windvlagen

Het platform waarop de telescoop staat is zodanig geconstrueerd dat het door winddruk alleen iets in horizontale richting beweegt en vrijwel niet kantelt. Op het terrein van de Radiosterrenwacht Westerbork heeft men deze bewegingen met behulp van laserbundels gemeten. Bij windvlagen tot 10 meter per seconde (windkracht 5) bedroeg de horizontale verplaatsing van het platform (de translatie) 0,1 mm en de kanteling (rotatie) slechts 0,001 mm. Dit laatste komt overeen met een hoekje van nog geen tiende boogseconde, ruim onder de waarnemingsgrens die door de optiek wordt gedicteerd.

De beweging van de telescoop gebeurt met behulp van een tandwielaandrijving zonder stick-slip. Hieronder verstaat men de schokkerige beweging die vaak optreedt bij langzame draaiingen. De oorzaak daarvan is het feit dat de wrijvingsweerstand tijdens een beweging iets kleiner is dan tijdens stilstand. Verder wordt een soepele draaiing bevorderd door het gebruik van twee zelf-instellende tandwielstelsels die enigszins tegen elkaar in werken. In feite is de telescoop een zware robot-arm die met micro-precisie kan bewegen.

Momenteel wordt de telescoop afgebouwd in de Centrale Werkplaats van de Technische Universiteit Delft, waar ook de toren is gebouwd. Verder zijn onderdelen gebouwd op het Sterrenkundig Instituut in Utrecht, de Werkplaats Fysica van de Rijksuniversiteit Utrecht en door verschillende bedrijven. De spiegel, van het glaskeramische materiaal Cervit (dat bij verwarming vrijwel niet uitzet), is van Amerikaanse makelij. Ter voorkoming van warmte-cumulatie wordt overigens rond het hoofdbrandpunt van de spiegel waterkoeling toegepast en ook kan warm geworden lucht worden weggezogen.

De Stichting Technische Wetenschappen (STW) heeft een subsidie van 1,3 miljoen gulden gegeven om dit stukje mechanische high tech te kunnen voltooien en beproeven. De STW heeft als doelstelling de bevordering (door subsidiëring) van technisch-wetenschappelijk onderzoek en de toepassing ervan. Men verwacht dus dat de ervaring die wordt opgedaan met de bouw van deze nieuwe telescoop- en torenstructuur en de hierbij gebruikte meettechnieken ook op andere terreinen van de technologie toepasbaar zullen zijn.

Ontwerp en eerste bouwfase zijn gefinancierd door de Faculteit Natuur- en Sterrenkunde van de Rijksuniversiteit Utrecht. Met de STW-subsidie kan de telescoop worden afgebouwd (hopelijk dit jubileumjaar: 350 jaar sterrenkunde in Utrecht), van instrumenten worden voorzien en op La Palma worden getest. Op dit Canarische Eiland bevindt zich het Observatorio del Roque de Los Muchachos, een Europese sterrenwacht waarvan de drie grootste telescopen worden beheerd door Engeland en Nederland. Hier kunnen de prestaties van de zonnetelescoop worden vergeleken met die van de telescopen die 's nachts waarnemen.

De zonnetelescoop krijgt een elektronische camera, waarvan de beelden in digitale vorm naar een waarnemingsruimte op de grond worden gestuurd. Men hoopt een waarnemingsscherpte van 0,5 boogseconde te bereiken, wat overeenkomt met een afstand van 360 km op het zonsoppervlak. Het Lockheed Palo Alto Research Laboratory (VS) zal voor het doen van wetenschappelijke waarnemingen randapparatuur en programmatuur ter beschikking stellen. Telescoop en toren zijn overigens zodanig geconstrueerd dat de 45-cm spiegel in de toekomst kan worden vervangen door een 80-cm spiegel. Dan zou de Utrechtse zonnetelescoop een der grootste ter wereld worden.

Voor de verdere exploitatie van het instrument op La Palma moeten echter eerst nog fondsen worden gevonden, misschien middels samenwerking met andere instituten in binnen- en/of buitenland. Veel zal afhangen van de eerste resultaten die met het instrument worden bereikt.