De ontdekking van pulsars

Overzicht

De ontdekking van pulsars in 1967 kan als bijna toeval worden beschouwd. Pulsars werden ontdekt door Jocelyn Bell Burnell (1934-), destijds afgestudeerd aan de Universiteit van Cambridge, die met de radiotelescoop van haar adviseur op zoek was naar quasars. Haar ontdekking had grote gevolgen, zowel voor astronomen in het algemeen als voor vrouwelijke wetenschappers in het bijzonder. Sinds hun ontdekking zijn pulsars door astronomen erkend als cruciaal voor het begrijpen van de aard van sterren, vooral exotische sterren zoals zwarte gaten. Voor vrouwelijke wetenschappers was de ontdekking van Bell Burnell een bron van inspiratie. Zelden had een vrouwelijke wetenschapper zoveel bekendheid gekregen voor een wetenschappelijke ontdekking. En hoewel ze niet de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg die haar adviseur voor de ontdekking van pulsars kreeg, is ze sindsdien erkend voor iets wat misschien nog belangrijker is: voor het helpen effenen van de weg voor vrouwen op alle gebieden van de wetenschap.

Achtergrond

De ontdekking van pulsars heeft als achtergrond de hele radioastronomie, en de ontdekking van quasars in het bijzonder. Het gebruik van radiotelescopen voor het zoeken naar quasars heeft namelijk geleid tot de ontdekking van pulsars. De geschiedenis van de radioastronomie en de ontwikkeling van radiotelescopen is belangrijk voor de ontdekking van zowel quasars als pulsars.

Radiotelescopen ontvangen radiogolven, geen licht. Daarom zijn ze niet zoals de optische telescopen die we normaal met astronomie associëren. Radiotelescopen hebben geen lenzen en hebben niet de vorm van buizen. In plaats daarvan bestaan radiotelescopen meestal uit radarschotels, of uit zeer grote arrays van draden die boven de grond hangen. Deze “telescopen” ontvangen radiogolven uit de ruimte. In tegenstelling tot optische telescopen kunnen zij dag en nacht werken, en ook bij bewolkt weer. Zij kunnen de signalen die zij ontvangen versterken, zodat deze sterker worden, en deze signalen kunnen dan worden omgezet in zowel audio- als videosignalen die door astronomen worden geïnterpreteerd. Een probleem dat radiotelescopen hebben, is dat ze vaak door mensen gemaakte radiosignalen van de aarde oppikken. Dit kan tot grote verwarring leiden. Deze verwarring maakte deel uit van het verhaal van de ontdekking van pulsars, en zal hieronder worden besproken. Maar eerst moeten we kijken naar de ontdekking van quasars.

Quasars werden in 1960 ontdekt met een type radiotelescoop dat een interferometer wordt genoemd. De radioastronoom Thomas Matthews gebruikte deze telescoop om een nauwkeurige positie te bepalen van een object dat “3C 48” werd genoemd. Dit object was eerder waargenomen als een blauwgekleurde ster. Matthews toonde aan dat deze ster een bron was van grote hoeveelheden radiogolven. In de daaropvolgende jaren werden nog meer van dergelijke radiogolven uitzendende objecten ontdekt. Een van deze objecten, “3C 273” genaamd, werd in 1962 nauwkeurig bestudeerd. Het bleek zowel zeer ver weg als zeer helder te zijn. Zo helder zelfs, dat astronomen schatten dat dit ene object even helder was als 100 sterrenstelsels, het equivalent van een triljoen sterren. Verdere studies van deze objecten toonden aan dat ze allemaal de eigenschappen deelden van extreem helder, groot (elk was ongeveer zo groot als ons zonnestelsel), en enorme hoeveelheden energie uitstraalden in de vorm van radiogolven. Zij werden quasi-stellaire radio-objecten genoemd, of quasars.

De beste manier om quasars te detecteren was het gebruik van een techniek die “interplanetaire scintillatie” wordt genoemd. Radiogolven die van objecten in de ruimte, zoals quasars, naar de aarde komen, worden enigszins verstoord door de zonnewind (geïoniseerd gas) die van onze zon af “waait”. Terwijl radiosignalen uit de ruimte door de zonnewind worden beïnvloed, doen radiosignalen van de aarde dat niet. De techniek van “interplanetaire scintillatie” detecteert radiosignalen uit de ruimte door te zoeken naar de verstoring van deze signalen door de zonnewind; deze verstoring wordt waargenomen als een twinkeling of “scintillatie”. Om dergelijke scintillaties te kunnen waarnemen, moesten unieke radiotelescopen worden gebouwd.

In juli 1967 voltooiden radioastronomen aan de universiteit van Cambridge in Engeland de bouw van zo’n radiotelescoop. De directeur van dit project was Antony Hewish (1924- ). Hij werd geholpen door Jocelyn Bell Burnell, die toen een afgestudeerde student was, en andere vrijwilligers. De bouw van deze radiotelescoop nam twee jaar in beslag en bestond uit 120 mijl (193 km) kabel die aan 128 paar palen hing. De hele telescoop besloeg ongeveer 4,5 hectare grond. Als onderdeel van haar Ph.D. analyseerde Bell Burnell de grafieken met gegevens die door de computer van de telescoop werden geproduceerd. Haar taak bestond er eenvoudig in de talrijke datakaarten te bekijken, scintillaties te vinden zoals die door quasars worden geproduceerd, en vervolgens hun posities op hemelkaarten te plotten. Ze kon niet weten dat deze ogenschijnlijk alledaagse taak tot een zeer opmerkelijke ontdekking zou leiden.

Impact

Jocelyn Bell Burnells werk met de radiotelescoop was routine gedurende ongeveer twee maanden, tot augustus 1967. Op 6 augustus ving de telescoop een radiobron op waarvan de signalen in pulsen kwamen. In eerste instantie dacht Bell Burnell dat de pulsen slechts “scruff” waren, omdat zij niet de quasars leken te zijn waarnaar zij op zoek was. Na een tijdje besefte ze dat deze pulsen met grote regelmaat kwamen. Aanvankelijk dachten noch Bell Burnell noch haar adviseur Hewish dat ze iets nieuws hadden ontdekt. Ze dachten dat het een door mensen gemaakt radiosignaal was, misschien teruggekaatst naar hun telescoop door de maan of een satelliet, of zelfs een gebouw in de buurt. Maar in november realiseerden ze zich dat dit niet het geval was, dat hun mysterieuze signaal in feite afkomstig was van een locatie buiten ons zonnestelsel. Verbazingwekkend genoeg kwamen de radiogolfpulsen met zo’n grote regelmaat – eens in de 1,3 seconden – dat Bell Burnell en Hewish dachten dat de bron misschien niet natuurlijk was. Bij wijze van grap zeiden ze dat het signaal afkomstig moest zijn van “Little Green Men”, en dus noemden ze de pulserende radiobron LGM1.

In de volgende maand, december 1967, analyseerde Bell Burnell gegevens van een ander deel van de hemel en vond een andere regelmatig pulserende radiobron met een iets kortere periode van 1-1/5 seconde. En toen, tijdens de kerstvakantie, ontdekte ze nog twee van zulke pulserende bronnen. Dus in januari 1968 wisten Bell Burnell en Hewish dat zij een nieuwe klasse van objecten in de ruimte hadden ontdekt. Zij kondigden hun ontdekking in februari 1968 aan in een artikel in het tijdschrift Nature. De aankondiging was sensationeel, en kort daarna kregen de objecten de naam pulsars.

Maar wat voor soort objecten waren deze pulsars? Een paar maanden voor Bell Burnells ontdekking publiceerde de astronoom Franco Pacini, destijds aan de Cornell University in New York, een artikel waarin hij stelde dat een snel roterende neutronenster, als die al zou bestaan, een zeer sterk magnetisch veld zou hebben en dus een krachtige bron van straling zou zijn. In juni 1968, kort nadat de ontdekking van de pulsars bekend was gemaakt, publiceerde Thomas Gold (1920- ), eveneens aan de Cornell Universiteit, een artikel in Nature waarin hij de door Bell Burnell ontdekte pulsars identificeerde met de theoretisch roterende neutronensterren die door Pacini waren aangegeven. Aldus werd aangetoond dat de pulsars snel roterende neutronensterren waren. Zij zonden vanaf hun magnetische polen radiogolven met een hoge intensiteit uit. Vanwege hun snelle rotatie worden de radiogolven van pulsars waargenomen als “pulsen”, ongeveer zoals men licht uit een lamphuis ziet “pulseren”.

Een van de interessantste resultaten van de ontdekking van pulsars was misschien wel de controverse over wie ze eigenlijk had ontdekt. In 1974 ontvingen Antony Hewish en Sir Martin Ryle (1918-1984) de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk in de radioastronomie. Hewish kreeg erkenning voor zijn rol bij de ontdekking van pulsars. Jocelyn Bell Burnell kreeg de prijs niet. Zij werd niet beschouwd als de ontdekker van pulsars; op dat moment was zij nog maar een afgestudeerde student en het Nobelprijscomité vond dat de prijs naar een wetenschapper moest gaan met een lange en gevestigde staat van dienst op het gebied van onderzoek. Haar uitsluiting van de Nobelprijs leidde ertoe dat veel vooraanstaande astronomen, waaronder Thomas Gold, klaagden dat Bell Burnell in feite de ontdekker van pulsars was en daarom de prijs had moeten delen.

Bij dit alles klaagde Bell Burnell niet. Ze zei: “Nobelprijzen zijn gebaseerd op langdurig onderzoek, niet op een in het oog springende waarneming van een onderzoeksstudent. Ze won wel vele andere prijzen, medailles en onderscheidingen voor haar ontdekking van pulsars en werd een inspiratiebron voor vrouwelijke wetenschappers. Ze woont in Engeland en beschouwt zichzelf als “een rolmodel, een spreekbuis, een vertegenwoordiger en een promotor van vrouwen in de wetenschap in het Verenigd Koninkrijk”. En ze heeft ongetwijfeld vrouwelijke wetenschappers over de hele wereld geïnspireerd.

De ontdekking van pulsars heeft op twee belangrijke manieren invloed gehad op de wetenschap en de samenleving. Ten eerste was het een ongelooflijke ontdekking voor astronomen. Zij bevestigde niet alleen het bestaan van de theoretische neutronenster, maar stelde wetenschappers ook in staat vooruitgang te boeken in de astrofysica, met name in hun theorieën over de ineenstorting van sterren en de vorming van zwarte gaten. Bovendien zijn pulsars de meest regelmatige “klokken” in het heelal. Zij hebben wetenschappers in staat gesteld belangrijke tests te doen met betrekking tot Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Ten tweede heeft de ontdekking van pulsars licht geworpen op de belangrijke rol van vrouwen in de wetenschap. Misschien nog verrassender dan het feit dat er een nieuw type ster was ontdekt, was dat een vrouw dit had gedaan. In 1967 waren er relatief weinig gevestigde vrouwen in de wetenschap. Jocelyn Bell Burnell was toen en is nu nog steeds een belangrijk voorbeeld voor vrouwelijke wetenschappers. In 1991 werd zij benoemd tot hoogleraar natuurkunde aan de Open Universiteit in Engeland. Kort na haar benoeming verdubbelde het aantal vrouwelijke natuurkundeprofessoren in het Verenigd Koninkrijk.

STEVE RUSKIN

Verder lezen

Boeken

Lyne, A. G. and F. Graham-Smith. Pulsar Astronomy. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.

North, John. The Norton History of Astronomy and Cosmology. New York: W. W. Norton, 1995, pp. 563-66.

Periodieke Artikelen

Bell Burnell, Jocelyn. “Little Green Men, White Dwarfs, or What? Sky & Telescope (maart 1978): 218-21.

Reed, George. “De ontdekking van Pulsars: Was Credit Given Where it Was Due?” Astronomy (december 1983): 24-28.

Woolgar, S.W. “Writing an Intellectual History of Scientific Achievement: The Use of Discovery Accounts.” Social Studies of Science 6 (1976): 395- 422.