Nobelprijs natuurkunde voor
theorie over de oerknal
ZATERDAGS Bi jVOEGSEL
HEELAL
20
door Chriet Titulaer
door Chriet Titulaer
Atomen bekijken
Het raadsel van de ringen
De manen van saturnus
Passage al begonnen
Andere ruimtevaartuigen
Nobelprijs
Het onbemande ruimtevaartuig Voyager-1 zal op woensdag 12 november de
planeet Saturnus passeren. Tijdens die scheervlucht is de afstand tot het
wolkendek van de planeet met de ringen 124.200 kilometer. Dit lijkt niet zo erg
weinig, maar het is een peuleschilletje vergeleken bij de 1,5 miljard kilometer die
Saturnus dan scheidt van de planeet Aarde. De spectaculaire foto's die de
Voyager-1 in 1979 maakte van Jupiter, hebben tot hooggespannen
verwachtingen over deze Saturnuspassage geleid.
De toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1980 aan
James W. Cronin en Val L. Fitch zal Nobel weinig vreugdevol stemmen.
Nobel was een van de zeer weinigen die een echte hekel hadden aan
astronomen en aan de astronomie. Er is door hem dan ook zeer bewust
gekozen voor het niet instellen van een Nobelprijs voor de sterrenkunde.
De oerknal
Specialisten
0 u.
G.
nis,
lan,
Opnamen voor Teleac voor een model op ware grootte van de Voyager.
lag
ter-
jur
JSt,
lur
.00
ds.
82,
net
v James W. Cronin
i-
Val. L. Fitch
f-
Voyager 1
nadert
Saturnus
■ir Op 17 september 1980, acht weken voor de passage, maakte de Voyager 1 op 76 miljoen
kilometer afstand deze fraaie opname van Saturnus.
za-
on
der
De planeet Saturnus draait op een
afstand van 1426 miljoen kilometer om de
zon. De aarde draait op 150 miljoen
kilometer afstand om de zon. Dit betekent
dat de afstand tussen ons en Saturnus
altijd schommelt tussen de 1376 en 1576
miljoen kilometer. Saturnus is een planeet
die vooral bekend is om de ringen. Deze
ringen zijn al door een kleine telescoop te
zien. De Italiaanse astronoom G. Cassini
merkte in 1675 als eerste op dat er meer
dan één ring te onderscheiden was.
Tussen de twee goed zichtbare ringen zag
hij een donkere band, die naar hem werd
genoemd: de Cassini-verdeling.
Intussen zijn er meerdere ringen
ontdekt, de C- en de D-ring en zelfs een E-
en F-ring, die allemaal lichtzwakker zijn
en daarom moeilijker te zien. Met een
kleine amateurkijker kan men echter al
twee ringen onderscheiden en zelfs met
een goede verrekijker die op een statief
staat, is het mogelijk de Cassini-verdeling
te zien.
Wat wij van Saturnus zien is de
zichtbare buitenkant van een zeer dicht
wolkendek. Het is overigens de vraag of er
onder dat wolkendek wel een vaste kern
zit. Het is heel opmerkelijk dat het
soortelijk gewicht van de planeet
Saturnus slechts 0,7 is, dat wil zeggen dat
Saturnus op water zou blijven drijven als
we een gigantische oceaan hadden waar
wij de planeet in konden leggen. Die
oceaan moet dan wel erg groot zijn, want
de middellijn van Saturnus aan de
evenaar is 120.000 kilometer, dat is
berekend tot aan de buitenkant van het
wolkendek. Als wij de ringen van
Saturnus mee gaan rekenen is de planeet
ruim twee keer zo groot. Het Voyager-
ruimtevaartuig passeert net buiten de
heldere ringen, maar het gaat door een
gebied waar zich misschien nog zwakke
ringen bevinden.
Lange tijd was Saturnus de enige
planeet waarbij ringen waren
aangetoond. Die ringen waren blijkbaar
zo typerend dat wij ze toch in alle
mogelijke tekeningen zouden ontmoeten.
Er bestaat welhaast geen enkele
In grote lijnen is de bouw van de
materie bekend. We weten dat het atoom
de bouwsteen is van de materie. Er zijn
inmiddels iets meer dan honderd ver
schillende atomen bekend, daarom zijn
er iets meer dan honderd elementen. De
atomen blijken allemaal opgebouwd te
Wiskundig is wel aan te tonen dat het
niet mogelijk is om binnen een bepaalde
afstand van een planeet een maantje te
handhaven. De afstand waarbinnen dat
niet kan is berekend door de Franse
wiskundige E. Roche en wordt naar hem
de Roche-limiet genoemd. Voor Saturnus
ligt die Roche-limiet op ongeveer 2,5 keer
de straal van de planeet en inderdaad, de
Satumus-ringen liggen hier keurig
binnen.
fantasietekening uit de sterrenwereld
waar geen bolletje met ringen in
voorkomt. Achteraf gezien is dat helemaal
niet zo gek, want er zijn inmiddels ook bij
Uranus en Jupiter ringenstelsels ontdekt.
De ringen bij Jupiter werden ontdekt
door hetzelfde ruimtevaartuig dat nu op
weg is naar Saturnus, de Voyager-1 en het
op dezelfde koers liggende zusterschip
Voyager-2.
Ringen om een planeet moeten we ook
niet voorstellen als de ringen die wij om
een vinger dragen. In feite bestaan de
ringen uit kleine brokken steen, ijs en
gruis, die allemaal in een baan om de
planeet draaien. Samen geven die
miljarden brokstukjes het beeld van een
ring. Een interessante theorie zegt dat
zulke ringen vroeger een maantje zijn
geweest, doch dat dat maantje door de
getijdenwerking, het steeds vervormd
worden door een eb- en vloedbeweging, is
verbrijzeld.
Op het ogenblik zijn er officieel tien
manen van Saturnus bekend, althans tien
manen hebben een naam gekregen. In
werkelijkheid zijn er minimaal elf
bekend, omdat er bij de maan Dione nog
twee satellieten, die Dione A en B worden
genoemd, op ongeveer dezelfde afstand
van Saturnus zijn ontdekt. Bovendien
wordt het bestaan van maan nummer
tien, Janus, in twijfel getrokken. Janus is
ontdekt door de Franse astronoom
Dollfus in 1966, maar helaas is het bestaan
ervan nooit werkelijk bevestigd door
andere astronomen. Toen er werd
getracht om Janus opnieuw te
gemaakt, zo gedetailleerd zijn dat een
aantal individuele deeltjes in de ringen te
zien zullen zijn. Men hoopt ook dat uit de
Voyager-foto’s de dikte van de ringen
gewoon gemeten kan worden.
worden is het mogelijk verder in het
wezen van de materie door te dringen.
fotograferen werd er echter wel een
nieuwe maan gevonden. De Voyager-1 zal
op dit punt duidelijkheid gaan opleveren.
Het is erg waarschijnlijk dat er op de
Voyager-opnamen ook weer nieuwe
Saturnus-manen worden ontdekt. Het
probleem met al die satellieten van
planeten is dat ze vaak te klein zijn om
vanaf de aarde gezien te worden. Als je
met een ruimtevaartuig van dichtbij gaat
kijken, zie je natuurlijk kleinere
satellieten en zo worden de ontdekkingen
gedaan.
De Voyager-1 zal niet alleen de planeet
Saturnus van dichtbij bekijken, maar ook
een aantal manen onder de loep nemen.
Zo zullen er op de dag van de passage, op
12 november, foto’s worden gemaakt van
de manen Tethys, Mimas, Enceladus en
Dione. Eén dag eerder is het
ruimtevaartuig al langs de maan Titan
gevlogen. Titan wordt gepasseerd op een
kers hebben zich beziggehouden met het
zoeken naar (het ontstaan van) een be
paald soort elementaire deeltjes. Cronin
en Fitch zijn in de eerste plaats fysici.
Hun experimentele werk, dat al 15 jaar
geleden werd uitgevoerd, is thans van
veel belang voor de astronomie. De moti
vatie om hun metingen uit te voeren was
echter een puur fysische, geen astrono
mische.
afstand van slechts 4000 km (het maantje
zelfheeft een straal van 2916 km).
Titan is meteen de meest interessante
maan van de planeet Saturnus. In
beschouwingen over de mogelijkheid van
leven in het heelal wordt Titan vaak
genoemd. Op Titan worden wolken
waargenomen die donkerrood van kleur
zijn en die mogelijk veel organisch
materiaal bevatten. De Amerikaanse
astronoom Carl Sagan heeft een model
gemaakt voor de atmosfeer van Titan. In
dat model is er een oceaan van vloeibare
methaan en ammoniak, dat is een ideale
omgeving voor de vorming van
aminozuren.
Aminozuren zijn op hun beurt de
bouwstenen voor alle levensvormen die
wij kennen. Het zou best kunnen zijn dat
Titan zich nu in de fase bevindt waarin de
aarde 4 miljard jaar geleden verkeerde,
de fase waarin de meest primitieve
levensvormen ontstaan. De passage van
Titan is daarom opvallend spannend.
Op 12 november zal er een
koortsachtige activiteit heersen in het
vluchtleidingscentrum van NASA in
Pasadena. Om acht uur in de morgen
bevindt de Voyager-1 zich op een afstand
van 1.524.380.000 km van de aarde. De
afstand is zo gigantisch dat het licht, dat
reist met een snelheid van 300.000
kilometer per seconde, er 1 uur, 24
minuten en 47 seconden voor nodig heeft
om de afstand te overbruggen. Het
betekent ook dat een foto pas 1 uur, 24
minuten en 47 seconden nadat ze bij
Saturnus is genomen, op aarde arriveert.
Omdat wij met dat tijdstip te maken
hebben worden de tijden gemeten in de
plaatselijke tijd en gaat men uit van het
moment dat de signalen arriveren op
aarde. De echte passage, dus de kleinste
afstand tot de planeet, zal plaatsvinden
om 03.45 uur in de middag. Bij ons is het
dan inmiddels de zeer vroege ochtend van
13 november geworden. Commando’s om
te corrigeren kunnen er nauwelijks aan de
Voyager worden gegeven. Ze zouden pas
na bijna anderhalf uur bij het
ruimtevaartuig arriveren. Het
ruimtevaartuig heeft een computer aan
boord die alle handelingen zal besturen.
In het vluchtleidingscentrum bevinden
zich groepen wetenschapsmensen die elk
verantwoordelijk zijn voor een bepaald
experiment. De ruimtesonde zal niet
alleen foto’s maken, maar ook
wetenschappelijke metingen doen aan
temperaturen, aan geladen deeltjes, aan
elektrische en magnetische velden. De
vluchtleiders staan in voortdurend
contact met de groepen
wetenschapsmensen die in een
aangrenzend gebouw 24 uur per dag in de
Op 22 augustus 1980 begon officieel het
waarnemen van Saturnus door de
Voyager-1. Er worden nu al iedere dag
foto’s gemaakt. Op 24 oktober wordt het
aantal foto’s per dag opgevoerd, op 2
november wordt het nog verder
opgevoerd en van 11 tot 13 november
wordt er op volle toeren gewerkt. Ook
tijdens het wegvliegen van de planeet
zullen er de nodige foto’s worden
gemaakt. Half november zullen er heel
wat vragen over Saturnus beantwoord
kunnen worden.
De Voyager-1 is niet het eerste toestel
dat Saturnus van dichtbij bekijkt. De
Pionier-11 passeerde op 1 september 1979
ook op zeer geringe afstand de planeet
Saturnus. De Pionier-11 was op dat
moment al meer dan zes jaar onderweg.
Dat betekende ook dat een deel van de
apparatuur aan boord inmiddels was
verouderd. Zo had de Pionier-11 geen
camera om gedetailleerde foto’s te maken.
Omdat juist deze foto’s het publiek
aanspreken, zal de passage van Saturnus
door de Voyager veel meer aandacht
trekken dan de Pionier ooit heeft gehaald.
De Voyager-1 zal overeen kleinjaar door
de Voyager-2 worden gevolgd. De
Voyager-2 zal op 27 augustus 1981
Saturnus passeren.
Saturnus is in vergelijking met de aarde
een gigantische planeet: het volume is 815
keer zo groot dan dat van de aarde en de
massa 95,2 keer zo groot. Een jaar op
Saturnus duurt bijna 30 keer zo lang als
op aarde (een jaar is de tijd die de planeet
nodig heeft om één keer om de zon te
draaien). Een dag op Saturnus duurt
daarentegen slechts tien uur en 40
minuten. In die tijd is Saturnus één keer
om de eigen as gedraaid.
Behalve deze oppervlakkige details
weten we vrij weinig over Saturnus.
Natuurlijk hebben we een idee van de
samenstelling van de atmosfeer van
Saturnus. Waterstof, deuterium, methaan,
ammoniak, ethaan en phospheen en
waarschijnlijk helium zullen er in
voorkomen. De Voyager-passage moet
een heleboel nieuwe feiten aan onze
Satumus-kennis gaan toevoegen.
gaten houden wat er aan gegevens
binnenkomt.
Vele honderden persmensen uit de hele
wereld zullen eveneens 24 uur per dag de
foto’s zien binnenkomen en ze zullen
iedere paar uur op persconferenties met
de wetenschapsmensen kunnen
discussiëren over de interpretatie van de
resulaten.
kt),
iag
ma
Het is echter moeilijker om aan te tonen
dat de ringen inderdaad uit een
verbrijzelde maan zijn voortgekomen. Het
is ook mogelijk dat alle planeten en
manen uit brokstukken, die
samenklonterden, zijn ontstaan. De
moderne sterrenkunde neigt er steeds
meer toe in die richting te gaan denken.
Als wij die redenering aanhouden zouden
veel ringenstelsels bij planeten een maan
in wording kunnen zijn, waarbij bepaalde
krachten verhinderen dat het echt een
maan wordt. De sterrenkundigen zijn het
er wel over eens dat de ringenstelsels uit
brokken bestaan.
Ze zijn het er ook over eens dat de
ringen in feite erg dun zijn, maar hoe dun
is niet bekend en evenmin hoe groot de
brokken zijn. Het is heel goed mogelijk
dat de Voyager-foto’s juist op die vragen
een antwoord gaan geven. Men hoopt dat
de foto’s die op 12 november worden
eni-
0.30
ide-
ster
(.00
lUS-
uur
rk-
Er-
ns-
G.
ius-
L.
ter-
r.
iel)
en
ten
rk,
lur
'an
lag
P.
ag
L.
er-
ur
*n-
rk,
en
'an
Id-
R.
Co
les
ds-
1.30
er-
u.
za-
:on-
IUW
uur
uur
al vormde, wordt de oerknal of Big Bang
genoemd. Die oerknal zal niet meer dan
één duizendste deel van een seconde, een
microseconde, hebben geduurd. In die
eerste microseconde moeten zich pro
cessen hebben afgespeeld die in normale
situaties ondenkbaar zijn.
Op het ogenblik verkeert het heelal in
een afgekoelde situatie. Tijdens het ont
staan van het heelal was de temperatuur
heel hoog, nu is het nog slechts drie
graden Kelvin. Een afgekoeld heelal
biedt een soort bevroren situatie van
hetgeen er 15 miljard jaar geleden ont
stond. In dit heelal heersen een aantal
symmetrieën. De fysica onderscheidt in
deze zin drie soorten symmetrieën die
altijd op zouden moeten gaan.
De drie symmetrieën worden aange
duid met de letters P (voor pariteit), C
(voor lading) en T (voor tijd). Het bestaat
Het is op dit terrein dat de heren
Cronin en Fitch, allebei in de Verenigde
Staten, werkzaam zijn. James W. Cronin
is verbonden aan de universiteit van
Chicago en Val L. Fitch werkt aan de
Princeton universiteit. Beide onderzoe-
Desondanks is er in het verleden al
aan veel astronomen een Nobelprijs uit
gereikt. De verklaring hiervoor is dat
natuurkunde en sterrenkunde weten
schappen zijn die elkaar voor een goed
deel overlappen. Vroeger was het heelal
de plaats waar omstandigheden heer
sten die in het natuurkundige laboratori
um op aarde niet na te bootsen waren. In
het heelal heersten temperaturen, zowel
hoge als lage, die op aarde onbereikbaar
waren. In het heelal kwamen dichtheden
van materie voor, zowel extreem hoge
als extreem lage, die op deze planeet niet
na te bootsen waren.
Ook in 1980 is nog steeds de situatie
dat het heelal condities kent die hier niet
te simuleren zijn, maar het verschil is
kleiner geworden. De natuurkundigen
slagen er steeds beter in om door te
dringen tot de meest elementaire situa
ties waarin materie kan verkeren.
De vlucht van de Voyager voerde langs Jupiter (midden) en brengt het ruimtevaartuig nu bij
Saturnus (rechts boven).
zijn uit nog kleinere bouwstenen: proto
nen, neutronen, elektronen. Enige tijd
werden die bouwstenen van het atoom
als ondeelbaar beschouwd. De moderne
fysica heeft echter aangetoond dat ook
die elementaire deeltjes op hun beurt
zijn opgebouwd uit nog kleinere
deeltjes.
We hebben geleerd om in een proton te
kijken. Om dat te kunnen doen moesten
we een deeltje met een héél hoge snel
heid tegen het proton aanschieten. Het
gevolg van zo’n botsing is dat er als het
ware een deurtje in het proton opengaat
en de bouwstenen van het proton, die we
quarks noemen, naar buiten komen. Om
deeltjes met heel hoge snelheden te krij
gen zijn er gigantische, soms kilometers
grote, installaties nodig. Niet iedere uni
versiteit kan zich zo’n grote kostbare
installatie veroorloven, samenwerking
op dit gebied is dan ook erg gewenst.
In Nederland houdt een aantal univer-
siteiten zich bezig met dit zogenaamde
kernfysisch onderzoek. Voor een deel
van hun proefnemingen gebruiken deze
universiteiten eigen apparatuur. Voor
hun grotere proefnemingen gaan ze
naar het Europese centrum voor kernfy
sisch onderzoek, het CERN, in Genève,
of naar andere Europese instituten zoals
in Moskou of Frascati (Italië). Het CERN
beschikt over gigantische cyclotrons
waarmee zeer snelle deeltjes verkregen
kunnen worden. Naarmate de deeltjes
sneller, energierijker, gemaakt kunnen
De meeste astronomen en natuurkun
digen denken dat het heelal ongeveer 15
miljard jaar geleden uit een grote explo-
(voor lading) en T (voor tijd). Het
Het probleem waar de moderne astro
nomie voor staat is dat er in het heelal te
veel baryonen zijn. Er zijn twee moge
lijkheden om dat overschot aan baryo
nen te verklaren. We kunnen aannemen
dat er altijd te veel van die deeltjes zijn
geweest. Die oplossing is erg gemakke
lijk, maar weinig elegant. We weten uit
ervaring dat in het heelal alles in even
wicht is, er zijn evenveel positieve als
negatieve deeltjes. De baryonen versto
ren dat evenwicht. Het probleem zou
ook zijn opgelost als we konden verkla
ren waarom er te veel baryonen zijn.
Die verklaring hebben Fitch en Cro
nin dus door hun experimentele werk, 15
jaar geleden, gegeven. Voor dat werk
kregen ze de Nobelprijs. Het werk van
Fitch en Cronin bestaat uit een reeks
experimenten, waarmee aangetoond
wordt dat er in bepaalde situaties snel
een bepaald soort baryonen ontstaan.
Als die baryonen dan niet meteen ver
dwijnen ontstaat er een overschot. Zo’n
situatie moet zich hebben voorgedaan in
de eerste microseconde van het heelal.
bestaan van de CPT-symmetrie is
een hoeksteen voor de geldigheid
van de wetten uit de moderne natuur
kunde. Op basis van deze symmetrie
heeft ieder deeltje een tegenpool en
zijn er evenveel soorten positief als
soorten negatief geladen deeltjes.
De symmetrie zegt ook dat er evenveel
materie als anti-materie is. Dit zegt de
theorie. In wezen nemen we echter waar
dat die mooie symmetrieën helemaal
niet bestaan. De natuurkundigen willen
hun fraaie theorie niet opgeven en daar
om proberen ze de afwijkingen van de
symmetrie te verklaren. Ook het vorige
jaar werd de Nobelprijs voor de natuur
kunde toegekend aan onderzoekers die
op dit gebied werkzaam zijn.
Het werk dat hier wordt besproken is
buitengewoon gespecialiseerd. In Ne
derland is niet meer dan een handvol
mensen goed op de hoogte van het werk
van de Nobelprijswinnaars. Alleen de
astronoom Piet Hut houdt zich in ons
land bezig met de kosmologische zaken
uit dat onderzoek, dus: waarom is er
meer materie dan anti-materie? Hut
werkt nu aan de universiteit van Am
sterdam (thans is hij tijdelijk in de Ver
enigde Staten), doch hij kreeg zijn oplei
ding aan de Rijksuniversiteit in Utrecht.
In Utrecht, Amsterdam en Nijmegen
werken enkele hoogleraren op dit ter
rein van de experimentele en theoreti
sche fysica.
Professor ’t Hooft uit Utrecht legt uit
hoe het werk van de Nobelprijswinnaars
verband heeft met het ontstaan van het
heelal: „In de eerste microseconde van
het ontstaan van het heelal was er geen
evenwicht. In geen enkel opzicht was de
situatie stabiel. In die eerste microsecon
de werden er opvallend veel baryonen
geproduceerd. Omdat er geen thermisch
evenwicht was, verdween dat overschot
niet. Zo ontstond het overschot aan ma
terie ten opzichte van anti-materie, dat
we thans waarnemen. De Nobelprijs
winnaars hebben met hun onderzoek
een basis gelegd voor een theorie, waar
mee men later dit overschot kon verkla
ren. Hun werk heeft de helft van het
bestaande probleem opgelost”.
