Nader tot Uranus

Met de Keck-telescoop op Hawaii kijkt planetair astronoom Imke de Pater naar ons zonnestelsel. Een ruimteschip en een sonde hebben Saturnusmaan Titan bezocht, maar waarnemingen vanaf de aarde kunnen aan die missies nog heel wat toevoegen.

TIJDENS haar presentatie `Titan ontsluierd', vorige week zaterdag in de grote zaal van de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft, laat Imke de Pater, hoogleraar planetaire wetenschap aan de University of California in Berkeley, een intrigerend filmpje zien. Het bestaat uit een serie infrarood-opnamen van Titan, gemaakt met de Keck-telescoop op Mauna Kea in Hawaii. Te zien is hoe de verdeling van de karakteristieke oranje nevels over het oppervlak van Titan verandert naarmate Keck dieper in de atmosfeer van deze grootste maan van Saturnus doordringt. In de stratosfeer, op 150 km hoogte, overheersen de nevels op het noordelijk halfrond, terwijl op hoogtes tussen 30 en 50 km ze juist boven de zuidpool de overhand hebben. Vergelijking met Voyager-plaatjes uit 1980, en met opnames uit de jaren negentig met de Hubble-ruimtetelescoop en Keck, bewijst dat de Titannevels onder invloed van de seizoenen migreren.

Ook toont De Pater plaatjes waarop de oostkant van Titan helderder is, op een moment dat de westkant in zonlicht baadt. Normaal gesproken is dat andersom. Fluctuaties in die oost-westverhouding duiden op nevels waarvan de ruimtelijke verdeling over Titan steeds verandert. Brandnieuw materiaal waarvoor nog geen verklaring is en dat De Pater binnenkort publiceert in een speciaal Titannummer van Journal of Geophysical Research.

Vier dagen na haar Titanlezing is De Pater terug in Delft voor een gastcollege `ringen in het zonnestelsel'. Ze laat er nieuwe Keck-opnames zien van de ringen van Uranus en Neptunus. De buitenste ring van de laatste planeet blijkt een dynamisch systeem van boogjes die permanent veranderen en waarvan er een, Liberté gedoopt, bezig is te verdwijnen.

amerika

Opgeleid in Leiden, vertrok Imke de Pater in 1980 voorgoed naar Amerika, waar ze uitgroeide tot een planetair astronoom van wereldfaam. En dat met waarnemingen die op het eerste gezicht niet vanzelf spreken. Want: vanaf de aarde naar Titan kijken terwijl ruimteschip Cassini ter plekke is en Titan regelmatig aandoet, terwijl de Huygenssonde afgelopen januari met succes een zachte landing op de maan maakte – heeft dat zin?

``Jazeker,'' zegt De Pater terwijl ze haar laptop dichtslaat. ``De Huygenssonde zag een heel klein stukje Titan. Op aarde geven de Sahara of IJsland ook geen totaalbeeld. Verder houdt Cassini het na vier jaar voor gezien, en een Titanjaar is dertig aardse jaren lang. Met Keck volgen we Titan wél gedurende de seizoenen. En vergeet niet: de Cassini-Huygens is zeven jaar naar Saturnus onderweg geweest. In die tijd zijn aardse telescopen er enorm op vooruitgegaan. Wat wij nu met Keck waarnemen is op zijn minst aanvullend. Cassini ziet kleinere details – dat mag ook wel als je zo dichtbij zit – maar onze waarnemingen strekken zich uit over een langere periode.''

In een van haar Titanprojecten hoopt De Pater de atmosfeer zo goed mogelijk van de totaalgegevens af te trekken, teneinde het oppervlak in beeld te krijgen. En op de langere termijn wil ze spectra opnemen, om zo de samenstelling van Titan te achterhalen. Veel is nog onduidelijk. De Pater: ``De foto's die de Huygenssonde afgelopen januari tijdens zijn afdaling naar het Titanoppervlak maakte, tonen kustlijnen en rivierdelta's. Maar vloeistof is niet aangetoond. Intussen is er een `meertje' gezien bij de zuidpool, maar of er vloeibaar methaan inzit is nog de vraag. Het zou best kunnen dat regen op Titan zeldzaam is, maar dat de regenbuien wel extreem zwaar zijn. Hoe en waar de oranje nevels ontstaan en weer vernietigd raken, hoe de seizoensveranderingen hun beslag krijgen: het is nog onbekend.''

tweeling

De Pater werkt veelvuldig met de Keck-telescoop, een tweeling met spiegels van tien meter diameter, de krachtigste ter wereld in het optische gebied (zichtbaar licht) en het nabije infrarood. Keck staat op de slapende vulkaan Mauna Kea op Hawaii en de waarneemcondities zijn ideaal: pikdonkere nachten en in de wijde omtrek thermisch stabiel oceaanwater en een kalme, droge en stofvrije atmosfeer. Juli 1994, kort na de ingebruikname van Keck I, benutte De Pater de telescoop om de inslag in Jupiter van komeet Shoemaker-Levy vast te leggen.

De beeldkwaliteit schoot met een factor tien à twintig omhoog toen in 1999 op Mauna Kea adaptive optics zijn intrede deed, een correctietechniek voor atmosferische fluctuaties die de lichtbeelden `uitsmeren'. Door de 36 zeshoekige glassegmenten waaruit de spiegel bestaat – en die normaliter samen een ideale paraboolvorm aannemen – 670 keer per seconde op de juiste wijze een iets andere oriëntatie te geven, wordt dit uitsmeereffect teniet gedaan. Deze techniek is alleen te gebruiken als het waar te nemen object heel helder is – wat bij de meeste planeten en grote manen het geval is – of als er een heldere ster vlakbij aan de hemelbol staat. De Pater: ``Omdat ik heb samengewerkt met het team op het Lawrence Livermore-laboratorium dat adaptive optics voor Keck ontwikkelde, kon ik er snel gebruik van maken.''

Sinds kort is Keck bovendien voorzien van een laser die 90 kilometer hoog in de atmosfeer een kunstmatige `ster' van natriumlicht induceert, hetgeen de waarneemmogelijkheden sterk uitbreidt. Verder is er een nieuwe infraroodcamera aangebracht, speciaal ontworpen voor adaptive optics en spectrale waarnemingen die het opgevangen licht in zijn kleuren uiteenrafelen.

Imke de Pater, opgegroeid in Hengelo, studeerde sterrenkunde in Leiden. Toen al was ze geïnteresseerd in geofysica en in het zonnestelsel. ``Dat vonden ze maar vreemd, dat deed niemand. Van mijn kant zag ik het helemaal niet zitten om eindeloos sterren of melkwegstelsels te tellen, toen in Leiden normaal. Planeten staan lekker dichtbij, spreken tot de verbeelding en je weet er meer vanaf zodat je betere modellen kan bouwen. Ik ben gepromoveerd op radiowaarnemingen aan Jupiter met de grote Westerborktelescoop. Ik had vijf nachten. Zat ik daar 's nachts in Drenthe de telescoop in de gaten te houden en te hopen dat er niets mis zou gaan.''

Op basis van haar gegevens maakte De Pater een fysisch model van de hoog-energetische elektronen in het magneetveld van Jupiter. ``Die waarnemingen waren lang niet standaard. Nog altijd beleef ik grote schik aan waarnemingen die eigenlijk niet kunnen. Kijken naar vulkanisme op Io terwijl die maan in de schaduw van Jupiter staat en dus geen zonlicht reflecteert. Dat hoor je niet te doen. Maar met de adaptive optics van Keck en de laser hoop ik tientallen actieve vulkanen op Io aan te wijzen via hun warmtestraling.''

halve nacht

Gemiddeld krijgt De Pater per semester vier keer een halve nacht waarneemtijd op Keck. ``Ik ben zo'n beetje de enige van de University of California die naar het zonnestelsel kijkt. Als het zover is ben ik op Mauna Kea, maar naar boven ga ik niet. Er is een snelle verbinding om de data naar beneden te sturen. Het voordeel van ter plekke zijn is dat je mensen spreekt die dagelijks met de telescoop in de weer zijn en die dus weten wat op dat moment goed werkt en wat er kapot is.''

Voor het optische gebied is adaptive optics een stuk lastiger. Het vergt veel meer `veranderpunten' op de spiegel dan bij infrarood, wat de zaak mechanisch compliceert. Op Hawaii proberen ze het uit voor rood licht op een drie meter-telescoop, maar optimaal is het nog niet. Om die reden maakt De Pater voor optische waarnemingen soms gebruik van de Hubble-ruimtelescoop, die heeft geen adaptive optics nodig. De Pater: ``Waar ik echt naar uitkijk is de dertig meter infraroodtelescoop met adaptive optics die in Californië moet komen. Die gaat door zijn superhoge resolutie een heel nieuw gebied ontsluiten.''

De Pater werkt vanaf de aarde; bij recente missies in het zonnestelsel, zoals Galileo (naar Jupiter) en Cassini-Huygens (naar Saturnus), was ze niet direct betrokken. ``Het zijn gescheiden werelden. Gewoonlijk kijken spacecraft-mensen op de ground based-waarnemers neer en negeren zo'n beetje alles wat die gedaan hebben. En dat terwijl je door samen te werken heel wat meer uit zo'n missie haalt.''

Niettemin hoopt De Pater eens een 1,5 meter-ruimtetelescoop het zonnestelsel in te sturen. Lockheed heeft een telescoop ontwikkeld – eigenlijk een kleine interferometer – waarin een groot aantal camera's aan elkaar gekoppeld is. De Pater: ``Met zo'n telescoop kun je heel scherpe plaatjes maken, en ook nog eens op verschillende golflengtes tegelijk. Met Keck heb ik in 2001 vulkanische erupties op de Jupitermaan Io waargenomen, daar zou ik best van dichtbij naar willen kijken. Mocht er een ruimtevaartuig die kant uitgaan, stuur dan zo'n samengestelde ruimtelescoop mee en niet een paar losse camera's. Doe het gelijk goed. Het wachten is nu op een Nasa-missie. Ongetwijfeld zal ons voorstel de selectie de eerste keren niet overleven maar de aanhouder wint. Wel ben ik bang dat de nieuwe Nasa-koers – terug naar de maan, naar Mars – ten koste zal gaan van kleinere wetenschappelijke missies. Ze zijn naar de maan geweest en weten niet meer hoe het moet. Tja, wat schiet je daar nou mee op?''

sierra

Samen met echtgenoot Wil van Breugel, astronoom op zoek naar de rand van het heelal én op dezelfde dag in Leiden gepromoveerd, vertrok Imke de Pater in 1980 naar Amerika, in de hoop er te kunnen blijven. ``Planetair onderzoek bestond in Nederland niet, ik had hier niets te zoeken. Wil en ik konden eerst als postdocs op de University of Arizona in Tucson terecht, aansluitend vonden we beiden een baan in Berkeley. Ik bij de University of California, hij bij het Institute of Geophysics and Planetary Physics van het Lawrence Livermore National Laboratory. 's Morgens moet Wil een uur rijden de ene kant op, ik een half uur de andere. Overigens heeft onze zoon Floris niets met sterrenkunde, hij probeert vliegende vogels te ontwerpen. In Berkeley wilden de studenten een vrouw – die natuurlijk wel minstens zo goed moest zijn als een man – en op het laatste moment kwamen ze erachter dat Imke een meisjesnaam was. Op planetair gebied is in Californië veel te doen. En de natuur is prachtig, in een paar uur zit je in de Sierra. Ik heb het in Amerika beter dan in Nederland ooit mogelijk was geweest.''

Dat gaat misschien veranderen. Inmiddels is Delft bezig een masteropleiding `Earth and Planetary Observation' van de grond tillen. Volgend jaar start een college `Planetary Sciences' waarop het gelijknamige boek van Imke de Pater en Jack Lissauer – hét standaardwerk – als leidraad zal fungeren. Het symposium `Een reis langs Mars, Saturnus en Titan', met De Pater als hoofdspreker, was zaterdag óók bedoeld als startschot. De Pater: ``De mogelijkheden zijn enorm. Je hebt Estec, het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium, de Stichting Ruimte Onderzoek Nederland en ook zijn er bedrijven actief. Wie weet kom ik een tijdje als gasthoogleraar naar Delft om de boel te helpen opbouwen.''