50-jarig Kosmisch Mysterie: 10 Quasar-vragen voor ontdekker Maarten Schmidt

Astronomie is deze week 50 jaar geleden voor altijd veranderd, toen wetenschappers voor het eerst de ware aard van quasars, de helderste objecten in het universum, begonnen te begrijpen.

Op 16 maart 1963 publiceerde de in Nederland geboren astronoom Maarten Schmidt de allereerste definitieve meting van de afstand tot een quasar, waarbij hij ontdekte dat een raadselachtig object genaamd 3C 273 ongeveer 2,5 miljard lichtjaar van de aarde ligt.

De verbluffende ontdekking toonde aan dat de inherente helderheid van 3C 273 buiten de hitlijsten moet blijven om ondanks de immense afstand zo helder te lijken. Het object was geen ster, ondanks de sterachtige kenmerken van zijn lichtemissies. ("Quasar" is een afkorting voor "quasi-stellaire radiobron.")

In de loop van de tijd ontdekten astronomen dat quasars eigenlijk schijnen vanuit de kernen van sterrenstelsels, laaiend als de supermassieve zwarte gaten die daar liggen grote hoeveelheden gas, stof en andere materie opslurpen. Toch blijven er nog veel mysteries over quasars die onderzoekers nog moeten oplossen.

ProfoundSpace.org heeft Schmidt, nu emeritus emeritus bij Caltech in Pasadena, deze week ingehaald om quasars te bespreken, hoe ze ons begrip van het universum hebben verbeterd en hoe hij zich voelt op het hoogtepunt van deze grote verjaardag:

ProfoundSpace.org: Hoe voelt het nu, 50 jaar na het maken van die baanbrekende ontdekking?

Maarten Schmidt: Naast het feit dat ik 50 jaar ouder ben (lacht)? Het is enigszins moeilijk te geloven.

Quasars hebben een groot effect gehad op de astronomie, omdat ze zwarte gaten in de astronomie introduceerden. En natuurlijk zijn het objecten die zo ontzettend helder zijn dat je ze overal in het universum kunt zien. [De geschiedenis en structuur van het universum (Infographic)]

ProfoundSpace.org: Zijn de herinneringen aan de ontdekking nog steeds levendig in uw gedachten?

Schmidt: Oh, duidelijk, ja. Ik zag zeker in het spectrum van 3C 273 dat het simpelweg het waterstofspectrum in emissie was, met Balmer-lijnen, en dat het met ongeveer zes van hun golflengten naar het rood was verschoven [wat wijst op een snelle beweging weg van de waarnemer; meer verre objecten trekken zich sneller terug]. En aangezien het object op een ster leek, was dit verbluffend. Wat gebeurde er?

Het was duidelijk geen ster; sterren doen dat niet. Ze hebben hele kleine roodverschuivingen - tot 0,2 procent vanwege hun bewegingen, nooit groter. En dit was 16 procent, 80 keer groter. Dus waar ik naar keek, kon helemaal geen gewone ster zijn.

Het interpreteren als een kosmologische roodverschuiving, wat ik snel deed omdat het zo helder in de lucht was - de lichtkracht bleek erg hoog te zijn. En dat was opmerkelijk, omdat het enorm helderder was dan normale sterrenstelsels, zelfs de grootste sterrenstelsels.

Dus hier heb je iets dat buiten in het universum is, het is stralender dan een hele melkweg, en het ziet eruit als een ster. Het was een verbazingwekkende ervaring.

ProfoundSpace.org: waar staat dat moment in je carrière?

Schmidt: Het was de belangrijkste bevinding in mijn hele carrière. Het meeste andere werk dat ik deed was lang werk, eerst in Nederland, op 21 centimeter [emissie golflengte] werk met galactische structuur, het blootleggen van de spiraalstructuur in onze melkweg met 21 centimeter in het midden van de jaren 50, en later op een ander ander werk . Maar dit is alles verslaan.

En het grappige is dat, terwijl de meeste van die andere studies lange studies van jaren en jaren waren, dit allemaal min of meer in een maand uitkwam - technisch gezien, in een middag. [Meest krachtige Quasar ontdekt (video)]

ProfoundSpace.org: Hoe heeft het ontdekken van de aard van quasars invloed gehad op de astronomie en ons begrip van het universum?

Schmidt: Er zijn twee aspecten. De astrofysica was erg belangrijk, omdat het zwarte gaten waren, en blijkbaar waren ze materiaal aan het aantrekken. Een zwart gat is immers zwart als je het niet uit de buurt haalt. Maar als je het spul voedt, krijg je een zeer lichtgevende accretieschijf die in feite veel helderder is dan de hele melkweg - moeilijk te geloven - en het was dat ding dat we zagen. Dat was niet eerder gerealiseerd of gezien en dat was heel belangrijk.

Het andere ding was dat toen je de statistieken bekeek, bleek dat er tien miljard jaar geleden 100 keer meer van deze quasars waren dan nu. En dat kwam van [Schmidt's] arbeidsintensieve werk op het gebied van statistiek en het vinden van complete voorbeelden die goed gedefinieerd zijn in termen van grootte en roodverschuivingen en allerlei andere dingen.

We hebben nog steeds een paar [quasars] in het universum, maar het lijkt erop dat ze binnenkort zullen uitsterven. Dat is nogal vreemd, maar natuurlijk kun je jezelf in een veld als dit niet beperken tot de dingen waar je aan dacht die je misschien ziet. Je moet het nemen zoals het komt.

En ze waren erg moeilijk om te studeren, want wat doe je met een puntbron? Het enige dat je kunt doen is het spectrum spreiden en naar het spectrum kijken, en dat is gedaan door de roodverschuiving te krijgen, en dan de omstandigheden van het gas dat uitstraalt - dat zou allemaal bestudeerd kunnen worden.

Maar het liet niet toe dat al die gedetailleerde informatie werd verzameld, en dus nam het uiteindelijk ook theoretisch werk - met name van [Donald] Lynden-Bell in Cambridge in 1969 - om op het idee te komen dat er zwarte gaten bij betrokken zijn en accreting materiaal uit hun omgeving. [Afbeeldingen: zwarte gaten van het universum]

ProfoundSpace.org: en quasars lieten astronomen ook ver terug in de tijd, nietwaar?

Schmidt: Ja. Omdat quasars zo helder zijn, kun je ze op zeer grote afstanden zien. En vanaf deze grote afstanden duurt het vele jaren om hier te komen.

Dus met de quasars kijk je terug in de tijd.Je kijkt terug naar objecten zoals ze lang geleden waren - hoe groter de roodverschuiving, hoe langer geleden. Dus dat is een belangrijk aspect van de hele studie - dat je de evolutie van het universum en zijn inhoud kunt documenteren, te beginnen met quasars.

Tegenwoordig, na 50 jaar, kan het ook worden gedaan met andere objecten zoals gammastraaluitbarstingen en zelfs melkwegstelsels. Maar met quasars, omdat ze zo helder en licht waren, kon het meteen worden gedaan nadat ik de roodverschuiving ontdekte.

Dus al in 1965 denk ik, en zeker in 1966, had ik in de wetenschappelijke literatuur al een vrij compleet idee en de resultaten ontwikkeld van hoe quasars in het universum evolueerden, van het begin tot vandaag. En dat werk staat tot op zekere hoogte nog steeds.

ProfoundSpace.org: Hoe voel je je over de huidige staat van het veld? Hebben we in de afgelopen halve eeuw veel vooruitgang geboekt in het begrijpen van quasars?

Schmidt: Het begrip heeft zich niet ontwikkeld in die 50 jaar. Morgen [donderdag] in [het tijdschrift] Nature, zul je een opmerking vinden van een astronoom die de astronomie bijna bekritiseert omdat hij dit niet heeft bereikt.

Maar het is een moeilijk probleem. En zoals ik al zei, een deel van waarom het moeilijk is, is dat je alleen een puntbron ziet. Dus je ziet zijn structuur niet; het is moeilijk om aan te komen. Je kunt er niets aan doen.

ProfoundSpace.org: hoe kunnen we een beter begrip krijgen van wat quasars drijft? Hebben we betere instrumenten nodig? Hebben we betere theorie nodig?

Schmidt: We moeten naar de grootst mogelijke resolutie in de ruimte, in een bepaalde hoek, zodat je kunt proberen een kaart van de quasar te maken.

Dat is niet onmogelijk, want in een zeer grote basisastronomische astronomie, waar je interferometers hebt die zich over heel veel mijlen uitstrekken - soms zelfs over de aarde - met een groot aantal radioantennes die tegelijkertijd op dezelfde quasar werken, kan komen met een kaart met een uitstekende resolutie in hoek. En wat je dan ziet is heel interessant, omdat je ziet dat er beweging naar buiten is.

En oorspronkelijk, in het midden van de jaren '70, werd beweerd dat deze beweging sneller was dan de snelheid van het licht. Maar later bleek dat dit met hoeken te maken had, enzovoort, en in de praktijk is er geen effect. Maar deze bewegingen vanuit de centra van quasars gebeuren zelf met een snelheid die een groot deel is van die van licht.

Dus dat is het begin - dat was het begin; het is al vele jaren geleden - van fascinerende studies over, op zeer kleine schaal, de ontwikkeling van quasars, hun structuur, en hoe, geloof het of niet, van maand tot maand, verandert die structuur.

Zwarte gaten zijn zo bizar dat ze onwerkelijk klinken. Toch hebben astronomen goed bewijs gevonden dat ze bestaan. Test je kennis van deze gekke wonderen.

ProfoundSpace.org: Wat is het grootste quasar-mysterie dat nog moet worden opgelost?

Schmidt: Dat is moeilijk te zeggen. Ik denk dat, in detail, het begrijpen van de bron van de energie waarschijnlijk nog ontbreekt. Maar als ik 'in detail' zeg, moet ik een zekere onwetendheid toegeven, en ik kon niet verder uitleggen wat ik in mijn hoofd heb. Maar dat is mijn vermoeden, dat dat nog steeds een beetje zwak is.

ProfoundSpace.org: Doe je iets om het 50-jarig jubileum te vieren?

Schmidt: Welnu, op Caltech zal er een internationaal symposium zijn, dat zal plaatsvinden op 9 en 10 september. Dus dat zal de gelegenheid zijn.

ProfoundSpace.org: Maar u doet niets op persoonlijk niveau?

Schmidt: Nee, niets in het bijzonder. Ik vind mezelf vanavond [woensdag] in gesprek met de BBC, misschien wel live, maar dat is het einde van de publiciteit deze week.