BLOG van een sterrenkundige

Herschrijf de Geschiedenis van de Kosmos

Om het Universum te ontdekken, hebben we een planeet nodig.

Het verloop van een onderzoek loopt nooit linear. Om deze traditie maar in stand te houden, laat ik ook dit blog maar in de vrije loop lopen. Waar ik vorige maand dacht meer te gaan vertellen over mijn eigen onderzoek werd nu toch de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop even te belangrijk!

Na maar liefst 25 jaar is het zover. Op Kerstochtend wist ook mijn familie hoe belangrijk de James Webb-ruimtetelescoop is voor sterrenkundigen. Daarom zaten we met zijn alleen voor de buis, te kijken naar de NASA livestream. Iedereen houdt de laatste 10 seconden voor 13:20 zijn adem vast, om daarna in een zucht van opluchting de Ariane-5 te zien verdwijnen in de wolken. Er zijn nog geen seconden voorbij of de app staat rood-gloeiend: "Merry Christmas", want deze Kerst kregen alle astronomen toch wel een prachtig kerstcadeau: een succesvolle lancering van de James Webb-ruimtetelescoop.

---

James Webb-ruimtetelescoop • Leer over de kosmos met de James Webb-ruimtetelescoop

De James Webb-ruimtetelescoop, ooit begonnen als de Next Generation-ruimtetelescoop, schrijft geschiedenis nog voor datum van de lancering. Waar het originele 'simpele' ontwerp begon als een 500 miljoen project van 11 jaar, is het uitgebloeid tot een astronomisch complex 10 miljard project waarbij duizenden onderzoekers van meer dan driehonderd instituten, 25 jaar nodig hadden om de telescoop klaar te maken voor lancering. Wat maakt de telescoop nou zo bijzonder en complex.

• Gigantisch: Het is de grootste ruimtetelescoop ooit. De hele telescoop is zo hoog als een flat met drie verdiepingen en is net zo lang als de lengte van een tennisbaan. Omdat de raketkuip van de Ariane raket 'slechts' 4,5 meter breed is, wordt de telescoop in origami-stijl opgevouwen om in de raket te passen. Eenmaal in de ruimte zal de telescoop openvouwen.
• Honingraad: De eerste spiegel is opgebouwd uit 18 gouden individuele hexagonale spiegels die stuk bij stuk bijna 1,5 meter lang zijn. Iedereen weet op het moment natuurlijk goed hoe lang 1,5 meter wel niet is. Samen vormen de spiegels één grote spiegel van maar liefst 6,5 meter hoog en breed.
• Glad: Het oppervlak van de individuele spiegels moeten zo glad zijn dat, als de spiegel een oppervlakte zo groot als Europa zou hebben, er geen heuvel of dalletje mag zijn die hoger is dan een enkelhoogte.
• Zonnebescherming: Een zonneschild moet de telescoop tegen de infrarode straling van de Zon, de aarde en de Maan beschermen. Het schild vormt zo een scheiding tussen de zonnekant, met een temperatuur van ongeveer 110 °C, en de schaduwkant, ongeveer -230 °C. Alsof je zonnebrand met zonnefactor 1 miljoen zou gebruiken. Om dit te kunnen doen heeft het zonneschild 5 lagen. Elke laag is gemaakt van Kapton en is zo dun als één haar.
• Krachtig: Webb is 100 keer krachtiger dan de Hubble-ruimtetelescoop. Webb kan licht opvangen van objecten die ontstaan zijn vlak na de Big Bang. De nieuwe ontdekkingen zullen onthullen hoe de oorspronkelijke sterren er 13,7 miljard jaar geleden uitzagen. Tot nu toe staat het record van het waarnemen van het oudste en verste object op naam van Hubble. Deze stond op een afstand van maar liefst 13,4 miljard jaar.
• Onbereikbaar: Na de eerste waarnemingen met Hubble bleek dat er een probleem was met de eerste spiegel van de telescoop. Hubble draait rondom de aarde op een afstand van 570 kilometer waardoor de telescoop nog bereikbaar was voor astronauten om in de ruimte Hubble te repareren. Voor Webb zal dit niet meet een mogelijkheid zijn. Webb vliegt naar het L2-punt die zich op 1.5 miljoen kilometer bevindt van de aarde in lijn met de Zon. Dit is bijna 4 keer de afstand van de aarde tot de Maan. Terwijl Webb in slechts 3 dagen de afstand tot de Maanbaan aflegt, zal het 30 dagen duren voordat Webb het L2-punt bereikt. Dit betekend dat de telescoop met de huidige technologie niet meer te bereiken is.

Voor vele sterrenkundigen worden de waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop erg belangrijk. Zelf ben ik voornamelijk geïntereseerd in de zoektocht naar bouwstenen van leven elders in het heelal. Webb zal ons meer vertellen over de atmosferen van buitenaardse planeten die rondom andere sterren draaien. In deze atmosferen zijn we bijvoorbeeld op zoek naar ondere andere water, zuurstof, ozon, methaan, fosfine, en voornamelijk combinaties van deze atmosferische gassen. Met specifieke combinaties zoeken we naar leven zoals we dat op onze aarde kennen.

Eureka!

Eenvoudigheid ligt verborgen in chaos, en het is aan ons om het te ontdekken.

De afgelopen maand ben ik weer verdwenen in het optische lab op de universiteit. Hier staat naast Treepol¹ en een gezellige plastic kerstboom namelijk ook het instrument waar ik op dit moment onderzoek naar doe. Deze noemen we de "Life Signature Detection Polarimeter", ook wel LSDpol. Dit is een spectropolarimeter die (de naam zegt het al) de polarisatie van licht over een spectrum meet, dus de polarisatie van specifieke "kleuren" van het inkomende licht).

Het bijzondere aan LSDPol is dat dit de eerste spectropolarimeter is die op het zelfde moment meet hoeveel procent van het inkomende licht linear of circulair gepolariseerd is, zonder dat het instrument bewegende onderdelen bevat. Dit is erg belangrijk als we een instrument willen ontwerpen die mogelijk met een raket de ruimte ingestuurd kan worden. Bij dit principe komen alleen veel dingen kijken. Gezien ik tot nu toe nog niet zo veel vertelt over de instrumentatie kant van mijn onderzoek vind ik het leuk om daar met de komende posts eens even wat verandering in te brengen.

Voordat ik meer kan uitleggen over het design van en metingen gedaan met LSDPol , begin ik met een klein beetje theorie over licht. Vandaag introduceer ik het concept van een belangrijk natuurkundig effect waar je rekening mee moet houden tijdens het ontwerpen en bouwen van optische instrumenten.

---

Fresnel diffractie • De voortplanting van lichtgolven na een opening

In 1801 toonde Young's tweespletenexperiment aan dat licht zich soms als een golf gedraagt, wat geheel tegen Newton's deeltjestheorie in ging. Tot de dag vandaag is dit experiment een klassiek praktikum voor Natuurkunde studenten, zo dus ook voor mij. In het experiment schijn je een lichtbron door een enkele spleet. Het is van belang dat het licht van de lichtbron ruimtelijk samenhangende is. Dit noemen we in de natuurkunde ook wel coherent. Bij coherent licht kan je denkeen aan:

1. laserlicht: licht dat bestaat uit één golflengte, dus "één kleur" heeft, òf
2. zonlicht: licht dat wel uit meerdere golflengtes bestaat maar waarbij de zogenaamde lichtfase van alle verschillende golflengtes wel hetzelfde is.

Young maakte in zijn experiment gebruik van zonlicht. Het zonlicht scheen door de enkele spleet op twee spleten die het zonlicht brak. Dit zorgde ervoor dat er op de plekken waar de lichtbundels overlappen er interferentie banden ontstonden. Maar helaas was Newton's influence op dat moment zo groot waardoor het nog even duurde voordat de wetenschappelijke samenleving de theorie van "lichtgolven" accepteerde.

Op basis van een theorie die Christiaan Huygens had bedacht, stelde Augustin Fresnel een wiskundig model voor die de verspreiding van de lichtstralen kon beschrijven. In 1808 was Fresnel een deelnemer voor een wetenschappelijke wedstrijd die zich bezig hield met de zoektocht naar een wiskundige beschrijving van diffractieverschijnselen. Deze verschijnselen waren te zien in de schaduw van een cirkelvormig scherm wanneer deze in een lichtbundel gezet werd. Een van de juryleden, Siméon Poisson, voorspelde dat volgens de theorie van Fresnel er in het midden van de cirkelvormige schaduw, een heldere vlek zou ontstaan met dezelfde lichtsterkte als de lichtstralen die op het scherm vielen. Kort daarna werd dit experiment uitgevoerd door François Arago, een ban de andere juryleden. Het experiment liet inderdaad zien dat er op een afstand van het scherm een heldere stip verscheen. Dit bevestigde de theorie van Fresnel. Deze heldere stip wordt nu de Poisson, Arago of Fresnel punt genoemd.

Nou, waarom vertel ik dit verhaal over Fresnel en Fresnel's theorie? Naast dat ik Fresnel erg bewonder om het theoretisch en experimenteel bestuderen van het gedrag van licht (eigenlijk wat ik ook doe met mijn instrumenten), ben ik er net achter gekomen dat ik voor het begrijpen van mijn instrument me ook verder moet gaan verdiepen in de Fresnel theorie. Waarom deze theorie zo belangrijk is zal ik in de volgende post uitleggen. Stay tuned!

¹ TreePol is een van de instrumenten die ik gebruik in mijn zoektocht naar signalen van leven op Aarde. Het design van TreePol is gemaakt met het doel om zo nauwkeurig mogelijk te meten hoeveel procent van een lichtbundel circulair gepolariseerd is. De moleculen in planten produceren dit circulaire polarisatie signaal wanneer licht reflecteert op het oppervlakte van de bladeren.

Kennis doorgeven is een ware kunst

Als je iets niet simpel kunt uitleggen, dan snap je het niet goed genoeg. A. Einstein.

Ready, stage, go! De afgelopen weken was ik super blij om weer vier presentaties te hebben mogen geven over mijn grote hobby sterrenkunde en "het leven in het Universum". Vol enthousiasme (en ook een beetje plankenkoorts) stond ik voor vier diverse groepen over mijn onderzoek te vertellen. Twee vonden plaats in een klaslokaal, eentje vond plaats op een poppodium en de laatste zelfs in een bar! Maar wat heeft dit nou te maken met de uitspraak van Albert Einstein in de titel van deze blog?

De uitspraak beschrijft goed wat mijn insteek is als ik iets wil uitleggen, hoe ik me voorbereid op verschillende praatjes en hoe beslis over waar ik precies over ga praten. Ik altijd antwoord kunnen geven op de volgende vragen: "Waar ben ik enthousiast over op het moment?", "Hoe lang heb ik om hierover te vertellen?", "Wat weet mijn publiek over het onderwerp?", maar voornamelijk: "Wat wordt mijn take-home message?"

"Alles moet zo eenvoudig mogelijk worden gemaakt, maar niet eenvoudiger" aldus A. Einstein.¹ Soms zit ik naar een presentatie te kijken en gaat alle informatie het ene oor in en het andere oor uit. Aan het einde van het praatje stel ik nog een vraag en krijg ik een antwoord die voor mij nog verwarrender is dan de presentatie. Voor mij persoonlijk is het altijd de kunst om de dingen over te dragen door ze zo eenvoudig mogelijk maken zonder hun essentie te verliezen of te beïnvloeden. Aan het einde van mijn praatje wil ik een deel van mijn kennis overgedragen hebben. Als wetenschapper durf ik te zeggen dat een grote angst van sommige wetenschappers is dat wanneer een moeilijke theorie te veel vergemakkelijkt wordt, datgene wat je zegt niet meer helemaal precies klopt. Daarnaast is er een angst dat je 'minder slim' overkomt dan dat je bent, omdat alles wat je vertelt 'eenvoudig' is. Zo kwam een leerling na de presentatie naar me toe, om mij te vertellen dat hij/zij nooit sterrenkunde zou gaan studeren. Dat was te makkelijk voor hem/haar. Een goede balans waarbij het publiek je presentatie begrijpt, maar deze niet te eenvoudig is, is dus cruciaal.

In de laatste twee weken kwam ik bij het voorbereiden van mijn praatjes nog een mooie theorie tegen, waarbij ik weer ging nadenken over de quote van Einstein. Deze theorie staat ook wel bekend als de "IJsbergtheorie".
De kracht van het weglaten - IJsbergtheorie • De dichtheid van ijs is ongeveer 10% kleiner dan de dichtheid van water. Hierdoor blijven ijsbergen (deels) drijven op het water. Het grootste deel van de berg ligt onder het water. We zien dus alleen maar een klein deel van het ijs. De Amerikaanse schrijver Ernest Hemingway beschreef zijn manier van schrijven met het principe van een ijsberg.

Ernest zegt dat hoewel je als lezer alleen het topje van de ijsberg kan zien, je toch ook weet dat er nog veel ijs (kennis) is die het topje ondersteunt. Hij noemt dat wanneer een schrijver de ijsberg nog iets dieper in het water laat zakken, de ijsberg een nog steverige ondersteuning krijgt. Alleen wanneer een schrijver iets weglaat omdat hij de kennis niet heeft, zit er een gat in de ondersteuning wat het verhaal niet ten goede doet.

Ik durf mijn manier van presenteren ook te vergelijken met deze ijsbergtheorie. Wanneer ik een presentatie geef voor een publiek laat ik ook alleen het topje van de ijsberg zien. Voor mij is het belangrijk dat als ik het over een onderwerp heb ik ook het ijs onder water (de kennis) kan laten zien wanneer ik er vragen krijg. Mijn eigen variatie op Ernest's ijsbergtheorie dus.

Belangrijke les 5: Bedenk voor het maken van een presentatie hoe groot "de ijsberg" is die je wilt laten zien. Alleen wanneer je een duidelijk beeld hebt van de hele berg kan je gaan nadenken over wat het topje van de ijsberg is.

¹ Deze quote van Albert Einstein is meerdere malen besproken. Wetenschappers wete niet zeker of hij dit wel precies op deze manier heeft gezegd. Men denkt dat het een geïnterpreteerde samenvatting was van een van de uitspraken in zijn les in 1933. Hier noemde hij dat "het nauwelijks kan worden ontkent dat het hoogste doel van alle theorie is de onherleidbare basiselementen zo eenvoudig en zo weinig mogelijk te maken zonder de adequate weergave van een enkel ervaringsgegeven te moeten opgeven". Een hele mond vol dus!

Corona virus vs. IJs Kristallen

Je kan niet ontkomen aan de aërosolen

De COVID-19 aërosolen verdwijnen langzaam maar zeker uit de lucht en daarmee begint het sociale leven weer op gang te komen. Zeker nu is het voor mij van belang om de mooie gewoontes die we tijdens de quarantaine ons hebben aangeleerd ook in stand te houden. Tijd voor een nieuwe (science) blog dus!

Sinds de blog van juni heb ik zeker niet stil gezeten. In juli heb ik het voor elkaar gekregen om een proceedings paper te schrijven voor een instrumentatie conferentie die in San Diego, California zou plaatsvinden. Deze SPIE conferentie, Society of Photographic Instrumentation Engineers, richte zich op polarisatie instrumenten en remote sensing. Later zal ik hier nog wel meer over vertellen!

Op het moment, zoals de tekening van deze blog laat zien, ben ik begonnen met een onderzoek naar (de verstrooiing van licht door) ijs kristallen. Maar waarom ijs, en wat heeft dat te maken met mijn zoektocht naar "biosignatures" en modellen van een Aarde buiten ons zonnestelsel?

Nou... Niet alleen is het bekijken van mooie ijskristallen een prachtige bezigheid, maar naast het feit dat je eindeloos kan staren naar de oneindige verschillende vormen en structuren zijn ze erg belangrijk in bijvoorbeeld klimaat studies. De effecten van ijs in de atmosfeer is nog steeds erg onzeker en kunnen mogelijk zorgen voor grote veranderingen in de temperatuur van een planeet, zo dus ook onze Aarde. Nou vind ik het klimaat ook erg belangrijk, maar ik ben meer nieuwsgierig naar hoe licht verstrooit wordt door ijskristallen. De verstrooiing eigenschappen van ijs hangen sterk af van de vorm en de grootte van de individuele kristallen. Zo zullen bijvoorbeeld vele kleine kristallen meer zonlicht weerkaatsen dan minder grote kristallen. In veel modellen nemen onderzoekers aan dat de ijskristallen eruit zien als een zeshoek. Met deze vorm kunnen we gemakkelijker berekeningen doen hoe licht verstrooit wordt alleen weten we eigenlijk wel zeker dat de aanname niet volledig correct is. Als alle ijskristallen die zich in de atmosfeer bevinden een zeshoekige vorm zouden hebben, zouden we namelijk veel vaker halos zien.

Belangrijke les 4: Probeer niet in het Nederlands te googelen naar "ijs halo". Je komt alleen maar fotos van (heel lekker) softijs in bekers tegen.

IJs halos zijn prachtige optische effecten die ontstaan door de breking van het zonlicht. Er zijn verschillende soorten halos die kunnen ontstaan. De bekendste ijs halo is de 22° halo. Deze verdient zijn naam aan het feit dat de straal van de cirkel 22° is met de lichtbron die zich in het midden van de cirkel bevindt.

Oke, ik dwaal al af van het onderwerp, want waarom zijn ijskristallen nou zo belangrijk voor mijn onderzoek? Onze aardatmosfeer bevat vele dunne ijswolken die het zonlicht op een andere manier verstrooien dan de bolvormige (vloeibare) water wolken. Als ik wil onderzoeken of ik de signalen van leven op Aarde kan meten door de wolken heen moet ik dus ook weten wat het effect is van ijswolken boven het aardoppervlak. Daar ben ik dus nu mee bezig. De komende maanden zullen er dus nog updates volgen over mijn nieuwe passie: ijs kristallen.

Ken jij vloeibare kristallen? Nou, je kijkt er elke dag naar!

Vloeibare kristallen in jouw televisie, en in mijn optische instrumenten

De eerste keer dat ik het begrip: 'vloeibaar kristal' hoorde, dacht ik aan een soort pan op een heel heet vuur waarin kristallen gesmolten werden. Vloeibaar is vloeibaar, toch? Nou, niet helemaal. De moleculen in vloeibare kristallen zijn wel in staat om te vloeien, maar zijn tegelijkertijd ook geordend en georiënteerd ten op zichte van elkaar. Dit betekend dat als we het kristal van de voorkant bekijken, het andere eigenschappen heeft dan als we deze van de zijkant bekijken. De geordende richting van de moleculen kunnen we veranderen door een elektrische spanning door het kristal te sturen of ze bloot te stellen aan licht of warmte. Hiermee kunnen we optische eigenschappen van het kristal veranderen. Een belangrijke eigenschap is bijvoorbeeld de brekingsindex¹ die afhangt van de polarisatie eigenschappen van het kristal.
Dubbele breking • Er zijn materialen die licht beïnvloeden met een optische eigenschap die we birefringence noemen. Birefringence, ook wel vertaald als dubbele breking, is de eigenschap waarbij de brekingsindex van een doorzichtig materiaal afhangt van van de polarisatie richting. Een ongepolariseerde lichtbundel dat op het materiaal valt wordt gesplitst in twee gepolariseerde lichtbundels die hun polarisatie richting loodrecht op elkaar hebben staan, bijvoorbeeld horizontaal en verticaal. Christiaan Huygens, een bekende Nederlandse sterrenkundige uit de 17e eeuw, beschreef dit fenomeen toen hij onderzoek deed naar de dubbele breking van licht in een kristal genaamd calciet.

Waarom vertel ik jullie nou over vloeibare kristallen en deze birefringence eigenschap. Nou om te beginnen, is het een leuk weetje dat je (bijna) elke dag naar deze vloeibare kristallen kijkt! De afkorting lcd staat namelijk voor liquid-crystal display. De kristallen in de pixels van het scherm zorgen ervoor dat we met een stroompje pixels gemakkelijk uit en aan kunnen zetten.

In mijn onderzoek maak ik ook gebruik van vloeibare kristallen. Niet alleen zit ik ook veel achter een computerscherm, maar ze zijn ook verwerkt in onderdelen van de instrumenten die ik gebruik voor mijn onderzoek: Treepol en LSDpol. In deze kristallen kunnen we birefringence gebruiken om inkomende polarisatie signalen te veranderen. Zo kunnen we bijvoorbeeld linear gepolariseerd licht naar elliptich gepolariseerd licht transformeren. Binnenkort zal ik meer vertellen over hoe we deze kristallen ook heel goed kunnen gebruiken zonder gebruik te maken van elektriciteit. Dit is namelijk erg belangrijk voor optische instrumenten die we bijvoorbeeld naar de ruimte willen sturen.

¹ De brekingsindex van een materiaal geeft aan hoeveel licht afbuigt wanneer het door het grensvlak van twee verschillende materialen reist. De grootte van de brekingsindex hangt niet allen af van het materiaal, maar ook van de golflengte (ook wel 'kleur') van het inkomende licht. Met het principe dat verschillende kleuren verschillend afbuigen, kan je bijvoorbeeld beschrijven waarom we met een prisma wit zonlicht in verschillende kleuren kunnen splitsen.

Did you try to turn it off and on again?

Geen paniek! Trust me, I am an engineer, or... am I?

Vorige week ben ik weer eens lekker aan de slag geweest in het lab. Binnenkort wil ik graag wat metingen buiten doen, om mijn zoektocht naar leven te kunnen beginnen. Alleen zijn er nog een paar technische dingen die mij tegen houden.

Een van de instrumenten waarmee ik werk heet TreePol en meet circulaire polarisatie. Deze staat van polarisatie wordt onder andere gecreëerd door de homochirale eigenschap van chlorofyl (in groene bladeren). Het instrument is een spectropolarimeter. Het meet polarisatie over een spectrum, zoals het woord spectropolarimeter al een beetje verraadt. Het kijken naar het polarisatie signaal over een breder golflengte gebied is belangrijk. De chlorofyl moleculen in bladeren reageert het sterkst op licht wanneer deze een golflengte heeft van rood licht, rond de 680 nm. Hierdoor wordt een deel van het zonlicht dat de moleculen raakt circulair gepolariseerd. Dit signaal is erg klein (~ 1/10 van een procent!) maar groot genoeg om te kunnen vertellen of een blaadje leeft of stervende is.

Maar hoe kan TreePol deze (circulaire) polarisatie staat van lichtgolven meten? In optica hebben we optische elementen die de elektrische richting van licht vertragen, zogeheten retarders. Hiermee kunnen we van circulaire polarisatie linear maken, en andersom. Hieronder vind je meer informatie hierover!

Het principe van Treepol • meten door te veranderen

Door ongepolariseerd licht door (transmissie) of op (reflectie) een klimop blad te schijnen activeren we als het ware deze eigenschap van chlorofyl. We richten TreePol op het blad en het licht wat nu deels circulair gepolariseerd is valt op het instrument.

1. Aan de voorkant zit een half-wave plate die we met een motor super snel laten ronddraaien. Alleen licht dat circulaire gepolariseerd is kan zich hier doorheen bewegen, waardoor dit signaal in treinvaart ons instrument binnen komt.
2. Daarna komt het licht een Fresnel romb tegen. Dit is ook een vertrager die het licht twee maal, als een soort brug, met 1/8 golflengte vertraagd. Hiermee wordt in totaal de golf met een kwart golflengte vertraagd waardoor het circulaire signaal in lineair veranderd.
3. Een ferro-elektrisch vloeibaar kristal functioneert als een soort stoplicht die we met elektriciteit kunnen besturen. Als hij op rood staat veranderd hij het inkomende signaal op precies de tegenovergestelde manier dan wanneer het stoplicht op groen staat. Als gevolg, komt er een verticaal of een horizontaal lineaire gepolariseerd signaal uit.
4. Als laatste hebben we een polariserende lichtbundel-splitser die als een soort trein wissel de verticale en horizontale twee verschillende kanten opstuurt.

Aan beide 'spooreinden' plaatsen we een spectrometer die het verticale en horizontale signaal meet. Hierna kunnen we met wiskundige berekeningen nagaan hoeveel circulaire polarisatie ons instrument binnen kwam! Slim toch!

Volgens het Cambridge woordenboek is de definitie van een engineer een persoon wiens werk bestaat in het repareren of controleren van machines, motoren of elektrische apparatuur. Het werkwoord engineeren betekend iets ontwerpen en bouwen volgens wetenschappelijke principes. Online vond ik ook nog wat begrippen die voor mij wel eens toepasbaar zijn. Zo ben ik wel eens een persoon die zeer goed in staat is problemen op te lossen waarvan ik niet wist dat ik ze had.

¹ Zie mijn blog van 21 maart voor een uitleg over homochiraliteit.

The Beetles

"When the night is cloudy there is still a light that they will see"

Ja, ik weet dat deze zin niet gezongen wordt in "Let it be", maar wow, wat past deze mooi bij mijn gedachten. Afgelopen week mocht ik twee presentaties geven om algemeen publiek en collega's wat te vertellen over mijn onderzoek. En ik moet bekennen: bij het voorbereiden van deze praatjes word ik altijd weer super enthousiast over mijn onderzoek!

Neem bijvoorbeeld het concept van homochiraliteit: de links of rechts-handigheid van moleculen die kenmerkend zijn voor leven. In mijn blog van 21 maart leg ik uit dat we op zoek zijn naar ondubbelzinnige tekenen van leven, waarvan homochiraliteit centraal staat in mijn onderzoek.

Tijdens mijn presentatie leg ik het principe van homochiraliteit uit met een groen glimmende kever. Kevers zijn namelijk 100% homochiraal. Wanneer zonlicht op hun huid schijnt, wordt het gereflecteerde licht 100% links circulair gepolariseerd. Dit maakt dat we als we door een 3D bril naar de kever kijken, met één oog een groene en met één oog een pikzwarte kever zien! Gaaf toch!

Naast dit fenomeen staan ook niet groene kevers in verbinding met de sterrenkunde. Afrikaanse mestkevers bestuderen de hemel gedurende de nacht. Ze navigeren zichzelf namelijk met de maan en bij een bewolkte hemel met de polarisatierichting van het maanlicht. Maanlicht is gereflecteerd zonlicht, dus overdag doen ze hetzelfde maar dan met de Zon! Hierdoor weten ze altijd hun weg te vinden.

"When the night is cloudy there is still a light that they will see", the Beetles dus.

Wetenschap: meer dan alleen een puzzel oplossen

Meer dan helft van het process is het daadwerkelijk zoeken en sorteren van de puzzelstukjes

Iedereen die wel eens puzzelt kent de volgende techniek. Je puzzel is vierkant. Eerst zoek je de vier hoekjes op. Ze zijn gemakkelijk te herkennen en het vormt een begin beeld van je oriëntatie van de puzzel die voor je ligt. Daarna zorg je voor de fundering, de zijkanten. De zijkanten vertellen je wat over de grootte van de taak voor handen. Daarna begin je met het sorteren van de kleuren. Dit is het taaie en minst interessante proces. Je bent niet bezig met bouwen, maar aan het voorbereiden. Wel weet je dat nadat je al deze tijd hebt gestoken in dit voorbereidende werk, je minder tijd kwijt zal zijn aan zoeken van de stukjes. Ineens kan je veel meer stukjes aan één stuk door aanleggen.

Als je het volgende niet herkent met puzzelen, dan wellicht wel met het bouwen met LEGO of zelfs bij het in elkaar zetten van een IKEA bouwpakket. Je wilt er niet achterkomen dat dat bij de laatste paar onderdelen er toch een stukje van de puzzel ontbreekt.

Mijn model van de Aarde is op dit moment ook een grote puzzel. Ik ben aan het kijken naar 287 unieke combinaties van oppervlaktes en wolken over een bereik van 209 golflengtes. Als ik dan nog de 4 verschillende fase hoeken meeneem, kom ik uit op zo'n 240 duizend stukjes¹! Dat is een ernorme puzzel. Nu kan je jezelf misschien ook wel voorstellen dat ik tot begin afgelopen weekend nog niet doorhad dat ik nog 40 duizend stukjes miste. Gelukkig heb ik deze vandaag allemaal gevonden! Nu is het tijd voor de laatste stappen.. Eerst een programma schrijven zodat mijn computer deze puzzel voor mij kan oplossen en daarna het belangrijkste voor een wetenschapper: Het begrijpen wat er precies op de puzzel is afgebeeld.

Oh, ik ben het even vergeten.. Had ik je al verteld dat ik nog minstens twee van deze puzzels moet oplossen?

¹ Voor één puzzel is ongeveer 3,5 TB aan dataopslag nodig.

Programmeren gaat niet om wat je al weet, maar wat je te weten kan komen

Murphy's Law: Alles wat mogelijk fout kan gaan, gaat fout.

Drie maanden. Negentig dagen. Eenentwintighonderd en zestig uren. Honderdnegenentwintigduizend zeshonderd minuten. Ook wel 7.776.000 seconden van continue code uitvoeren, voordat ik er achterkwam dat er één (1) fout(je) in mijn code stond. Helaas kan ik de code opnieuw uitvoeren. "Maar", zeg ik glimlachend met gekromde tenen tegen mezelf, "Ik zal nooit meer het belang van een correcte data type vergeten!"

Programeren is is gebaseerd op een simpel concept: De computer doet precies wat je zegt dat het moet doen. Alleen is het niet zo gemakkelijk als een vraag stellen aan Siri, Google of Alexa. Maar als we niet kunnen praten, hoe laten we dan een computer iets voor ons doen?

Als programmeur schrijven we een eindige reeks van instructies om vanuit een begin toestand naar een eind doel toe te werken. Deze instructies noemen we ook wel een algorithme of programma en worden genoteerd in een teksteditor. Een algemene teksteditor die veel mensen gebruiken is Microsoft Word. Alleen deze is niet aan te raden voor programmeren! Zelf gebruik ik de teksteditors PyCharm en BBEdit. Maar gewoon een instructie schrijven is niet genoeg. Om met een computer te kunnen communiceren moeten we het in een bepaalde taal schrijven. Een computer begrijpt net zo veel van een keurige Engelse tekst als ik van Hebreeuws, niets dus. Net zoals we op de wereld vele verschillende talen hebben, zijn er ook voor computers meerdere talen beschikbaar. Bekende en veelgebruikte talen zijn Python, Java(Script), C(++) en R. Zelf schrijf ik programma's in Python programmeertaal en ook nog in een taal die wat ouder is: Fortran.

Nou, en wat daarna? We hebben een instructie, maar hoe geven we die aan de computer? Voor programmeren in Python is dit erg simpel. Python-code wordt direct geïnterpreteerd door een Python-interpreter waarmee we het programma uitvoeren. De andere talen hebben een compiler nodig. Een compiler is een programma dat de programmeertaal direct omzet in machinecode, die rechtstreeks kan worden uitgevoerd door de processor van de computer. Doordat er geen extra interpreter tussen de code en het uitvoeren staat, is het werken met gecompileerde code sneller.

Waarom werken we dan niet allemaal met gecompileerde code. Nou, het schrijven van deze code is iets wat ingewikkelder. Zo moet je bij elke variabele aan het begin van een programma aangeven welke type deze heeft (string, integer, float) en hoeveel geheugen je gaat gebruiken om deze variabelen op te slaan. Daarnaast kunnen we gecompileerde code niet lezen: Alleen de code die we door de compiler laten compileren is 'human readable'.

"Elk voordeel heb z'n nadeel", zelf denk ik dat een kennis van meerdere talen altijd van pas kan komen. Net zoals op de wereld, je weet maar nooit wat je te wachten staat en waar je terecht komt, maar je wilt altijd een klein beetje voorbereid zijn.

De polarisatie van licht: meer dan alleen een intensiteit

Wat is polarisatie van licht en wat hebben zonnebrillen hiermee te maken?

Deze afgelopen weken ben ik bezig geweest met het calibreren van een polarimeter. Zoals de naam het zegt meet het instrument polarisatie. Maar wat is polarisatie precies?

We beschrijven licht in drie variabelen: de lichtsterkte, de kleur en de polarisatie. De lichtsterkte vertelt ons de grootte van amplitude. Dit noemen we ook wel de intensiteit. Intensiteit is de eigenschap die we meten met camera's. De camera geeft de intensiteit in een eenheid van counts die wij dan weer omzetten in een andere eenheid: bijvoorbeeld flux. De kleur van licht wordt bepaalt de golflengte van het licht¹. Deze golflengte is niet direct te meten. Wat ik hiermee bedoel is dat we niet direct kijken naar het licht op een detector maar (in het geval van golflengte metingen) naar diffractie patronen kijken. Tenslotte hebben we nog de polarisatie, ofwel de trillingsrichting van het licht die altijd loodrecht op de voortplantingsrichting staat. Met meten van polarisatie is dus het meten van deze trillingsrichting. Of net iets beter gezegt: het meten van het percentage golven die deze zelfde richting hebben.

Maar hoe kan je deze trillingsrichting meten? Net zei ik nog dat detectoren in cameras alleen intensiteit kunnen meten. Om dit concept uit te leggen geef ik hieronder het voorbeeld van een polaroid zonnebril en een 3D bril.

Een polaroid zonnebril vs. een 3D bril • Het moduleren van lichtstralen.

Zonlicht bestaat uit een bundels van lichtstralen die allemaal verschillende trillingsrichtingen hebben. Doordat er geen voorkeur is voor een richting noemen we dit licht ook wel ongepolariseerd licht. Lichtstralen van lampen zijn ook ongepolariseerd. Daar in tegen, laser licht is vaak gepolariseerd. Dit betekend dat de trillingsrichtingen van laser licht dus wel een voorkeur voor een trillingsrichting hebben. Deze voorkeur kan zorgen voor linear, circulair en elliptisch gepolariseerd licht. Meestal is het licht van lasers linear gepolariseerd. Ook in de natuur is linear gepolariseerd licht de meest voorkomende soort gepolariseerd licht.

Maar wacht eens even.. Net zeiden we dat zonlicht ongepolariseerd was? Hoe wordt (zon)licht gepolariseerd? Zoodra het licht van de zon de atmosfeer binnenkomt hebben de golven nog een willekeurige trillingsrichting. In de atmosfeer kan het licht verstrooit (weerkaatst) worden door te botsen met moleculen in de lucht, water en kleine stof deeltjes (aerosolen). Deze verstrooiing wordt ook wel Rayleight verstrooiing genoemt. Rayleight verstrooiing zorgt er voor dat een deel van het licht gepolariseerd wordt. Wanneer de zonnestralen vlakke oppervlaktes, zoals water, sneeuw en ijs op het aardoppervlak, wordt deels het licht horizontaal (linear) gepolariseerd. Dit zien we met onze ogen als een verblindende schittering. Polaroid zonnebrillen hebben een filter voor deze horizontale lineare polarisatie. Dit maakt dat de zonnebrillen het zicht verbeteren en vermoeide ogen voorkomen op zonnige dagen.

Maar wat heeft een 3D bril dan met polarisatie te maken? Een 3D bril gebruikt polarisatieglazen om een illusie van 3D beeld te creëren. Elk glas bevat een verschillend polarisatiefilter. Elk filter laat alleen het licht door dat op één manier gepolariseerd is. Licht dat in de tegenovergestelde richting is gepolariseerd wordt dus tegengehouden. Dit zorgt ervoor dat beide ogen een ander beeld zien van hetzelfde object. Onze twee ogen denken deze twee beelden vanuit twee verschillende posities te zien, zogenaamde schijnposities. De combinatie van het zien van een beeld uit twee posities leidt tot een illusie van een 3D beeld.

Hou de blog in de gaten! Binnenkort vertel ik meer over hoe ik polarisatie wil gaan meten! ¹ Zie mijn blog van 19 januari voor een uitleg over zonlicht en golflengtes.

Collega's ontmoeten tijdens een pandemie

Samenwerken aan projecten op het snijvlak van aardwetenschappen en astronomie

Als wetenschapper is het super belangrijk om te blijven samenwerken met andere wetenschappers uit je gebied. Als er meerdere wetenschappers samen aan een overkoepelend doel werken wordt dit soms ook wel een wetenschappelijk netwerk genoemd. Mijn project valt onder een programma: het PEPSci programma.

PEPSci • Pepsi (cola) staat in Nederland bekend als een lekkere frisdrank. Dit lijkt heel erg op de naam: PEPSci, een wetenschapsprogramma dat in de Nederlandse sterrenkunde een hele andere betekenis heeft: "Planetary and Exoplanetary Science". Het initiatief van het interdisciplinaire PEPSci programma starte in 2013. Het is een samenwerkingsverband waar wetenschappers hun kracht en kennis bundelen. Zij bevinden zich op het snijvlak van de aardwetenschappen, planetaire geologie, astronomie en chemie. Onze projecten zijn grofweg onderverdeeld in twee themas: Er zijn twee thema’s: "Bouwstenen van leven: van schijven naar exoplaneten", en: "Aardachtige planeten: van botsende kiezelsteentjes tot dynamische exoplaneten".

Afgelopen vrijdag heb ik kennis mogen maken met Christiaan, Elina, Orr, Tara en Vivian. Zeer binnenkort zal ik ook Alexandra en Mark online ontmoeten. (Eigenlijk ken ik Mark toevallig al van mijn studie Sterrenkunde in Groningen!) Samen zijn wij de acht enthousiaste PhD kandidaten die de komende 3,5 jaar samen gaan kijken naar hoe planeten (zijn) ontstaan, hoe we deze kunnen observeren en (voor mij van belang) wat signalen zijn van mogelijk leven op deze planeten. Zin in!

Momenteel zijn we bezig met een website opzetten en daarnaast contact leggen met onze voorgangers!

Het raadsel van de eenhandigheid van leven

Het zoeken naar ondubbelzinnige tekens van leven

Ondanks we midden in de COVID-19 pandemie zitten, gaat er elke week een wereld voor me open. Ik kom er steeds meer achter hoeveel verschillende wetenschappen elkaar helpen in het beantwoorden van belangrijke onderzoeksvragen. Zeker als we het hebben over de definitie van leven zijn er over alle wetenschappen vele beschrijvingen te vinden. Samen hopen die een antwoord te kunnen geven op de vraag: "Wat is leven?". Deze week ging ik me meer verdiepen in de biologie en scheikunde van 'het leven'.

Vorige week heb ik verteld welke signalen van leven we op Aarde kunnen herkennen als we vanuit de ruimte naar de Aarde kijken. Met behulp van satellieten vinden we gassen in de atmosfeer, water en vegetatie op het aardoppervlak en over een langere tijd kunnen we de effecten van seizoenen en zelfs veranderingen in het klimaat herkennen.

We zijn opzoek naar planeten die deze zelfde (bio-)signalen van leven geven. Echter ontbreekt in dit lijstje nog één belangrijk en ondubbelzinnig¹ teken van leven: HOMOCHIRALITEIT.



HOMOCHIRALITEIT • de links of rechts-handigheid van moleculen die kenmerkend zijn voor leven.
Als je naar je handen kijkt zie je dat je linker hand het spiegelbeeld is van je rechter hand. Zo lijken je handen er hetzelfde uit te zien. Echter, wanneer je jouw twee handen op elkaar legt zie je dat de twee totaal verschillend zijn. Het zal je niet lukken om de twee spiegelbeelden op elkaar te leggen zodat je twee linker of twee rechter handen krijgt. (Ik zeg wel vaak dat ik twee linker handen heb, omdat ik erg onHANDig kan zijn). Objecten die niet op hun spiegelbeeld gelegd kunnen worden noemen we Chiraal. Dit staat ook wel bekend als asymmetrie. Soms is er echter wel een voorkeur voor een van de twee spiegelbeelden. Als we kijken naar mensen blijkt bijna 88% de rechterhand als schrijfhand te gebruiken. Vanuit origine is er net zoveel 'kans' dat dit de linkerhand was geweest. Dit specifieke voorbeeld hangt af van vele kleine genetische en andere invloeden.

Om asymmetrische, chirale moleculen te onderscheiden zeggen we ook dat ze links of rechts-handig zijn. Vanuit de theorie zou de kans op links en rechts-handige moleculen even groot moeten zijn. Alleen blijkt uit onderzoek dat bijna alle chirale moleculen in levende organismen in slechts één vorm gevonden worden. Uitsluitend links of uitsluitend rechts-handig. Zo zijn de suikers die we vinden allemaal rechtshandig, aminozuren en proteïnen linkshandig en DNA draait altijd rond in rechtshandige helices.

In de tekening hierboven vindt je een voorbeeld van het glucose molecuul, wat beter bekend staat als suiker. In het lab kunnen we met behulp van chemische processen suiker maken. Deze suiker zal op basis van kansberekeningen bestaan uit 50% links-handig (L-glucose) en 50% rechts-handig (D-glucose, ook wel dextrose). Ondanks dat L-glucose en D-glucose 'gewoon' elkaars spiegelbeeld zijn, zijn ze toch heel anders. Ons lichaam kan namelijk niets met de links-handige suikers. L-glucose proeft net zo zoet als D-glucose, maar we kunnen er geen calorieën uit halen. Het molecuul kan schade aanrichten aan je lever, maar ook opgeslagen worden in je darmen waar het voor fermentatie kan zorgen. Niet goed dus. Maar, wees maar niet bang: het leven op Aarde zorgt goed voor ons! ALLE SUIKERS die we in de natuur vinden zijn enkel D-glucose. Deze suikers worden in ons lichaam omgezet in energie. Elke cel van het menselijk lichaam heeft deze energie nodig om de metabolische functies uit te voeren die het leven ondersteunen. Daarom zien we het het bestaan van enkel rechtshandigheid van suikers in de natuur één van de tekenen van leven.

¹ Ondubbelzinnig wil zeggen dat als we dit vinden, er geen andere verklaring is dan dat er leven aanwezig is!

Mijn onderzoek: zoektocht naar signalen van leven

Mijn eerste evaluatie moment - mijn eerste presentatie

Belangrijke les 3: Wees niet bang voor evaluatie momenten in je leven. Een moment van (zelf)reflectie kan zorgen voor een beter beeld wat je wilt bereiken en wat je moet doen om daar te komen.

Whouw! Iedereen kent het wel, die laatste 5 minuten voor je begint met een presentatie.. "Heb ik het wel goed voorbereid?" "Snap ik de stof goed genoeg?" "Welke vragen gaan ze stellen?" Alle vragen en gedachtes die door je hoofd dansen.

Afgelopen maandag gaf ik een presentatie aan de promotie commissie. Ik vertelde over de vooruitgang van het afgelopen half jaar, de kennis die ik heb opgedaan en de plannen voor de komende 3,5 jaar als PhD studente. Dit was mijn eerste evaluatie moment sinds ik ben begonnen met de PhD. Dat maakt je toch wel een beetje nerveus. Gelukkig ging alles goed! Ik mag doorgaan met waar ik mee was begonnen.

Graag wil ik met deze post even met jullie delen wat het uiteindelijke doel van (vervolgen van) mijn onderzoek is: "Het waarnemen van signalen die ons het bewijs kunnen geven van leven buiten onze Aarde". Alleen waarnemen is niet genoeg. We moeten wetenschappelijk bewijs hebben. Hieronder geef ik een aantal voorbeelden van signalen van leven die kunnen herkennen als we vanaf de ruimte naar de Aarde kijken.

Bio-signalen van leven op Aarde • "Zijn er naast de Aarde nog andere planeten met leven?" Dit is een van de vragen waar sterrenkundigen zich mee bezig houden. In het heelal zoeken we naar zogeheten 'bio-signatures'. Dit is een verzamelnaam voor elementen, isotopen, moleculen of fenomenen die gezien worden als het wetenschappelijk bewijs van leven. In het plaatje hierboven wordt een selectie van de bewijzen onderverdeeld in gassen, oppervlaktes en seizoenen.

1. Gassen in de lucht - De atmosfeer op Aarde bestaat uit een mix van verschillende gassen. De twee meest voorkomende gassen zijn stikstof (78%) en zuurstof (21%). Zuurstofgas, O₂ wordt gemaakt door photosyntheses (planten) en zorgt ervoor dat wij -mens & dier- kunnen leven. Helaas is het vinden van zuurstof in een exo-atmosfeer geen hard bewijs voor leven. Uit onderzoek blijkt dat zuurstof in combinatie met nog een aantal andere gassen moet voorkomen voordat we het een bewijs voor leven kunnen noemen. Een voorbeeld hiervan is ozongas (O₃). Ozon wordt gemaakt van zuurstof in de stratosfeer. De ultraviolet straling van de Zon heeft een dusdanige hoge energie dat wanneer de fotonen (lichtdeeltjes) met een zuurstofmolecuul (O₂) botst, deze in twee losse zuurstof atomen (O₁) wordt gesplitst. Samen met een ander zuurstofmolecuul vormt dit losse atoom een ozonmolecuul (O₃).
2. Reflectie van oppervlaktes - Verschillende oppervlaktes van de Aarde reflecteren zonlicht op verschillende manieren. Een reflectie effect wat we herkennen vanuit aardobservaties is het zogeheten "red edge" effect. Planten absorberen het groene deel van het zonlicht en reflecteren het rode deel. Dit maakt dat we een sterke toename van reflectie in het rode deel van het zichtbare spectrum¹: rondom de 700-750 nm. Dit effect zien we alleen als planten leven. Zodra planten dood gaan neemt deze plotselinge stijging af.
3. Het effect van seizoenen - De stand van de Aarde ten opzichte van de Zon bepaalt de seizoen. Doordat de aarde eens per jaar rondom de Zon draait en de Aarde een beetje gekanteld is komen alle seizoenen langs in één jaar. De temperatuursverschillen tussen de seizoenen maken dat in Nederland de winters kouder zijn dan de zomer. Dit zorgt ervoor dat bomen in een soort 'winterslaap' vallen en al hun bladeren verliezen. In de zomer kunnen de bloeiende bomen & planten koolstofdioxïde (CO₂) goed omzetten naar zuurstof (zie punt 1.). In de winter gebeurt dit minder efficient. Dit maakt dat we verschillen kunnen zien in de concentratie CO₂ in de lucht gedurende één jaar. Dit is een indirect gevolg van het 'leven' op Aarde.

¹ Zie mijn blog van 19 januari voor een uitleg over zonlicht en golflengtes.

Top-Hat of Down-Hat? Online lesgeven!

Prioriteiten stellen: een belangrijke les

Belangrijke les 2: Als onderzoeker weet je nooit wat er op je pad terecht komt. Elke week is een nieuwe week waarbij we opnieuw moeten kijken wat op dat moment de hoogste prioriteit heeft.

Deze les nam ik erg serieus. De eerste maandag van februari brak ik mijn arm waardoor ik wist dat ik voor zeker drie weken met één hand moest werken. Conclusie: in de maand februari geen instrumentatie, minder efficiënt werken en meer hulp vragen van anderen. Gelukkig, als onderzoeker, zijn er altijd dingen die je wel kan doen (met een beetje hulp)! Een belangrijk voorbeeld is: lesgeven!

De afgelopen 4 weken heb ik voor het eerst voor de klas gestaan. Of eigenlijk... Meer... Voor mijn laptop gezeten? Wat super leuk en spannend om aan de andere kant van de klas te staan. Ineens ben jij de leraar die aan het uitleggen is en niet meer de student die de vragen stelt. Ik was nerveus, maar uiteindelijk bleek dat niet nodig te zijn.

Hoe ziet mijn agenda eruit nu ik ook help met lesgeven? Maandag van 08:00 tot 13:00 begin ik met het nakijken van het huiswerk van de studenten. Tot 13:30 neem ik dan de tijd om alle cijfers met feedback online te zetten. Na een pauze van 13:30 tot 14:00 begint de les, waarna van 16:00 tot 18:00 studenten hulp kunnen vragen voor het huiswerk. Naast deze maandagen ben ik ongeveer nog een extra dag bezig met eventuele voorbereidingen en vragen beantwoorden.

Het vak: High Contrast Imaging • Hoe kunnen we een kleine planeet waarnemen die naast een super grote en heldere ster staat? Dit kunnen we doen door bijvoorbeeld het licht van een ster blokkeren. Deze maand hebben we gekeken hoe we dit kunnen doen met de computer en met de telescoop. Met behulp van de computer kunnen we bijvoorbeeld het signaal van de ster verminderen door een soort filter: een 'Top-Hat/Down-Hat Kernel'. Bij de telescoop zelf kan een coronagraaf het signaal afkomstig van een ster tijdens een observatie minderen.

Kijken naar vingerafdruk van gassen (zoals de Zon!)

Waarom is lucht hemels blauw en niet heelal zwart?

Deze week was ik bezig met het bestuderen van hele kleine deeltjes (die samen gassen vormen) in onze lucht. We noemden deze deeltjes moleculen. Veel moleculen vormen samen de gassen in onze atmosfeer. Vorige week had ik het erover gehad dat lichtgolven met deze moleculen kunnen botsen. Elk molecuul, elk gas, kan hele specifieke delen van licht tegenhouden/absorberen. Dus eigenlijk kunnen we zeggen dat gassen bepaalde kleuren licht beter absorberen dan andere kleuren. Dit zorgt voor zogeheten absorptielijnen.

In de sterrenkunde gebruiken we deze absorptielijnen om te kijken naar de ingrediënten van sterren en gaswolken. Sterren zijn tenslotte super grote bollen heet gas. Een gas is een verzameling van heel veel moleculen. Zoals elke ster bestaat de zon uit verschillende moleculen. Wanneer we met een prisma een dunne zonnestraal opbreken in alle verschillende kleuren van de regenboog, zien we een aantal zwarte lijnen. Dit zijn absorptielijnen. Door te kijken naar de plaats van de zwarte lijnen in de regenboog kunnen we zien welke moleculen deze lijnen veroorzaken. Zo kwam Pierre Janssen erachter dat de Zon uit het gas Helium bestaat. Doordat elk soort gas een andere donkere lijn veroorzaakt kunnen we een ster linken aan een unieke combinatie van zwarte lijnen, een soort barcode. Omdat deze uniek is vind ik het ook leuk om dit een vingerafdruk te noemen.

Dus.. Ik wil berekenen hoeveel licht er weerkaatst wordt op het aardoppervlak. Daarvoor moet ik eerst weten hoe licht door alle lagen van de atmosfeer reist. De lucht in de atmosfeer bestaat uit vele gassen (zuurstof, water, ozon) die licht van de Zon tegenhouden. Door te berekenen hoeveel gas er in een lag zitten kunnen we een unieke vingerafdruk van onze eigen atmosfeer maken. Met deze vingerafdruk kan ik berekenen hoeveel licht het aardoppervlak kan bereiken.
Maar hoe zorgt de atmosfeer ervoor dat we een mooie hemelsblauwe lucht hebben? Lees hieronder verder!

Waarom is de lucht blauw? • Als we rood licht met blauw licht vergelijken heeft rood licht een grotere golflengte dan blauw licht. Hierdoor is de kans dat blauw licht botst met moleculen in de lucht groter dan dat rood licht botst met de moleculen. Het blauwe licht wordt alle kanten op weerkaatst wat we op de aarde zien als een mooie helder-blauwe hemel!

Nu even een uitleg met wat gekkigheid: Ik denk graag in beelden, als een soort ezelsbruggetje. Deze week kwam ik op het idee om het principe uit te leggen met behulp van het spel Angry Birds. Als speler mag je gekleurde vogeltjes, op varkentjes schieten. Elk vogeltje heeft zo zijn eigen eigenschappen. De rode zijn groot en zwaar en de blauwe zijn klein en licht. De rode zie ik daardoor als lange grote golven en de blauwe als korte kleine golven. Als we beide de rode en de blauwe vogels ( fotonen) op de biggetjes (luchtdeeltjes) richten, hebben we een grotere kans de biggetjes te raken met een kleinere golf. Zodra de blauwe vogeltjes een biggetje raken vermenigvuldigen ze zich. Ze schieten alle kanten op waardoor we overal in de lucht, en overal op aarde, meer blauwe vogeltjes dan andere vogeltjes zullen zien. Een blauwe lucht.

Wat komt er kijken bij een computer model van de dampkring?

Één model voor elke laag in de dampkring

In mijn vorige blog vertelde ik over een project waar ik mee bezig ben: het maken van een computer model van onze aarde. In het project kijk ik hoe licht van de zon op het aardoppervlak weerkaatst wordt en weer de ruimte in gestuurd wordt. Door het weerkaatste zonlicht te 'meten' kan ik net doen alsof ik een speciale foto maak vanaf een satelliet.

Hoeveel licht weerkaatst wordt door de aarde hangt van meerdere factoren af:

• oppervlakte albedo. Dat wil zeggen de 'witheid' van de oppervlakte. Witte oppervlaktes (zoals bijvoorbeeld ijs, sneeuw en zoutvlaktes, weerkaatsen veel meer licht dan donkere. Zwart is de donkerste kleur en weerkaatst geen licht. Voorbeelden van zwarte ondergronden zijn bijvoorbeeld asfalt en lavasteen. Niet alleen bij zwart maar ook andere kleuren zoals groen (bossen en gras) en donker blauw (oceanen) wordt niet al het licht weerkaatst door de aarde
• wolken. In Nederland weten we maar al te goed dat er veel wolken in de lucht kunnen hangen en deze het licht van de zon tegenhouden. Het KNMI geeft een hele mooie omschrijving van vele verschillende soorten wolken op de site van het KNMI. Hoeveel licht er nog door een wolk kan schijnen beschrijven we met een getal wat we de optische dikte noemen. Deze hangt af van het soort deeltjes (mini waterdruppeltjes of ijskristallen) die in de wolk zitten en de dikte van de wolk. Een wolk kan licht absorberen (opnemen) en weerkaatsen.
• luchtmoleculen. De lucht die we elke dag inademen bestaat uit allemaal hele kleine deeltjes, moleculen, die ook delen van het zonlicht tegen kunnen houden. Net zoals bij wolken kunnen we voor deze moleculen ook berekenen hoeveel licht er geabsorbeerd of weerkaatst wordt.

De hoeveelheid wolk- en luchtdeeltjes hangt af van de hoogte van de dampkring. Denk maar aan een bergwandeling. Des te hoger je komt, des te minder zuurstof er is. Dit komt niet doordat er meer andere deeltjes zijn. Overal in de dampkring kunnen we zeggen dat zo'n 21% van de lucht uit zuurstof bestaat. Alleen wanneer we hoog op een berg (en dus hoger in de dampkring zijn) wordt de luchtdruk lager en temperatuur kouder. Dit betekend dat als we het aantal deeltjes in een blok tellen hier in Nederland, of een blok op de Mount Everest, we op de berg minder deeltjes zullen tellen.

Omdat ik een model maak van de hele dampkring moet ik de verschillende lagen van de dampkring goed begrijpen. Zo kan ik berekenen hoe een zonnestraal zich gedraagt wanneer deze door de dampkring heen reist en uiteindelijk hoeveel licht er door de aarde weerkaatst wordt.

Project ExoEarth: een computermodel van de aarde

Hoe te beginnen bij gebrek aan een lab? Nou gewoon.. met wetenschappers in Amerika

Afgelopen september ben ik begonnen met mijn onderzoek. Door COVID-19 zijn de bekendste observatoria over de hele wereld geheel gesloten. Hier in Leiden is universiteit met de laboratoria deels gesloten waardoor ik thuis aan het werk ben. Helaas heb ik nog niet al mijn collega's ontmoet, maar gelukkig zijn er als sterrenkundigen genoeg dingen om me mee bezig te houden en verder te onderzoeken. Zo ben ik een project gestart samen met mijn supervisor en wetenschappers uit Amerika. We maken een computermodel van de aarde, waarbij we net doen alsof het een exoplaneet is.

Laten we beginnen met de vraag: "Hoe kan het dat we planeten kunnen zien?". Het zijn geen sterren die licht geven, zoals de Zon. Toch waren op 21 december 2020 waren Jupiter en Saturnus tijdens hun 'kosmische kus' duidelijk te zien. Dit komt doordat het oppervlakte van de planeet het zonlicht weerkaatst. Dit weerkaatste licht kunnen we dan vanaf de aarde zien en meten. Denk nu eens aan de Maan. De maan heeft kraters, bergen en zeeën die we met het blote oog als vlekken kunnen zien. Hoe veel licht een oppervlakte kan weerkaatsen, wordt ook wel het albedo, letterlijk 'witheid' genoemd. Een volledig witte maan of planeet zou een albedo van 1.0 hebben en een zwarte een waarde van 0.0.

Wat ik me nu afvraag, en dus onderzoek, is hoe licht afkomstig van de Zon, door de atmosfeer reist en op het aardoppervlak weerkaatst wordt. Om dit te onderzoeken kijk ik naar alle delen van het zonlicht. Wat bedoel ik daarmee? Nou, ik breek het licht als een soort prisma op in het zichtbare licht, ultra-violet en infra-rood. Hierdoor kijk ik als het ware naar een soort regenboog. Wil je meer weten over deze verschillende soorten licht? Lees hieronder verder!

Werken met het lichtspectrum • Als ik in de Van Dale, het bekendste en super dikke Nederlandse woordenboek, het woord spectrum opzoek, vind ik de beschrijving: "kleurenreeks die ontstaat bij ontleding van licht, bijvoorbeeld door een prisma". Licht bestaat uit veel kleine elektromagnetische golven die we met het oog kunnen zien. De lengte van piek tot een volgende piek in zo'n elektromagnetische golf noemen we een golflengte. Deze lengte beschrijven we niet in meters of centimeters (cm), maar in nanometers (nm). Één cm is precies 10.000.000 nm. Licht met een golflengte van 420 nm zien we als violet licht. Licht met een golflengte van 780 nm zien we als rood licht. Alle golflengtes tussen 420 en 780 nm noemen we dan ook het zichtbaar licht.

In het heelal is meer te zien dan alleen maar zichtbaar licht. Zodra we elektromagnetische golven niet meer als licht kunnen zien, noemen we dit straling. Golven met een golflengte groter dan 780 nm (rood licht) noemen we infrarood straling en golven met een golflengte kleiner dan 420 nm (violet licht) noemen we ultraviolet straling. Als de golven nog kleiner worden noemen we de straling röntgen straling. Waar komen deze verschillende soorten straling dan vandaan? Relatief koude sterren (met een temperatuur van 4000°C) en planeten stralen infrarode straling uit. Zichtbaar licht is afkomstig van sterren zo groot en warm als onze Zon. Hete sterren (met een temperatuur van 10.000°C) kunnen we 'zien' door te kijken ultraviolet straling en tenslotte produceert heet gas (met een temperatuur van 10.000.000°C) röntgen straling.

Dit zijn nog maar een paar voorbeelden van de vele bronnen in het heelal die verschillende soorten stralingen produceren. Toch hoop ik je een idee te hebben gegeven van waar straling en licht vandaan komt.

Brief history of Willeke: Wie ben ik?

Een kleine beschrijving van mezelf

Als wetenschapper heb ik geleerd dat we vaak vergeten om wat over onszelf te vertellen. Wat bedoel ik daarmee? Nou, stel je voor dat je naar een bijeenkomst gaat (bijvoorbeeld een conferentie). Je werd gevraagd om je onderzoek te presenteren aan mede-deelnemers. Je bent zo blij om te weten dat anderen meer over je onderzoek willen horen. Vol enthousiasme begin je met je presentatie. Nadat je je volledige onderzoeksjaar in een toespraak van 10 minuten hebt gezet, is de eerste vraag die je krijgt van het publiek: "Mooie presentatie, maar wat was je naam en waar kom je vandaan?"

Belangrijke les 1: vergeet nooit jezelf voor te stellen! Vooral omdat mensen misschien samen met jou willen werken aan een volgend project.

ZO: Laat ik me even voorstellen. Mijn naam is Willeke. Mijn favoriete kleur is blauw! Daarom heeft het meisje dat ik vandaag tekende blauw haar. Zelf heb ik, zoals vrienden dat zeggen, oranje haar. Ik ben verslaafd aan appels en hou van bakken! Al sinds ik een kind was, was ik nieuwsgierig naar natuurverschijnselen. Bovendien was ik gefascineerd om uit te vinden hoe DINGEN werkt. Heb je ooit geprobeerd om een potlood uit elkaar te halen en weer in elkaar te zetten? Nou, probeer dit niet met een broodrooster... Ik kan je zeggen, een broodrooster is veel moeilijker om weer in elkaar te zetten! Ik hou van natuurkunde en wiskunde en met computers heb ik een echte haat/liefde relatie..

Wat? Hoe? Waarom?

Drie vragen die elke dag belangrijk zijn in het leven van een wetenschapper

Als sterrenkundige mag ik super gelukkig zijn met het heelal als practicum lokaal. Maar waar houden sterrenkundigen zich allemaal wel niet mee bezig? Het klink altijd alsof wij niet met onze voeten op de aarde staan. Zelf kijk ik bijvoorbeeld niet naar sterren, maar naar planeten. Dit kunnen planeten zijn binnen en buiten ons zonnestelsel. Een soort planetenkunde dus. Maar als ik dan toch mag kiezen ben ik eigenlijk op zoek naar planeten die net zoals de aarde leven bevatten. Maar hoe weten we of er leven is op andere planeten? Waarom is de lucht blauw? Hoe worden regenbogen gemaakt? Dit en vele meerdere vragen kom ik tegen en zal ik hier elke week met iedereen delen.