Je leest:

Astronomie met HIFI

Astronomie met HIFI

Auteur: | 24 juli 2007

Met het instrument HIFI voor de satelliet Herschel heeft Nederland zijn duurste ruimtesensor ooit opgeleverd. HIFI kijkt vanaf medio 2008 naar terahertz-straling uit de ruimte. Daarmee gaat een nieuw venster op het heelal open.

HIFI kan zeer-hoge resolutie spectra meten bij de tot nu toe – voor de astronomie – ontoegankelijke golflengten in het verre infrarood en submillimeter gebied, dus bij frequenties tussen 0,3 en 3 THz. HIFI kan hierdoor bij uitstek waarnemingen doen van gebieden waar het ijle interstellaire medium (dat bestaat uit atomen, moleculen en kleine roetdeeltjes) hogere temperaturen en wat grotere dichtheid vertoont.

Dit zijn doorgaans gebieden die verstoord worden, óf omdat een ster net geboren wordt doordat gas en stof zich samentrekken óf omdat een net geboren jonge ster een grote stroom ultraviolette fotonen en gas (sterrenwind) uitstoot óf omdat sterren in hun laatste levensstadia veel van hun materie terugstoten naar het interstellaire medium. HIFI gaat waarnemingen doen naar objecten binnen en buiten ons Melkwegstelsel.

Een hemelobject, in dit geval M81, zoals dat er in verschillen-de golflengtegebieden uit ziet. _ Bron: NASA_

Tussen de sterren in een Melkwegstelsel bevindt zich een – naar Aardse begrippen – zeer ijl medium, bestaande uit atomen, moleculen en kleine roetdeeltjes. Dat interstellaire medium komt voor in diverse fasen. Uit het medium worden sterren geboren en als die geboren zijn verstoren die weer het medium met sterrenwinden, uitstoten van buitenste lagen, sterke fotoneninstraling en zelfs supernova explosies.

Moleculen kunnen energie opnemen, waardoor ze in een hogere energietoestand komen. Bij het terugvallen naar een lagere energietoestand zenden zij een spectrum uit dat karakteristiek is voor de molecuulsoort. Bij eenvoudige moleculen vinden dergelijke overgangen vooral plaats door het invangen (absorberen) of uitzenden (emitteren) van fotonen in het submillimeter gebied van het elektromagnetisch spectrum: THz fotonen. De meeste overgangen zijn te meten in wat warmere gebieden (boven paar 100 K), bij THz frequenties.

HIFI is speciaal ontwikkeld voor het opvangen van die straling en kan het uiteenrafelen tot een spectrum waarin de karakteristieke vingerafdrukken, spectraallijnen, van allerlei moleculen te zien zijn.

Waarneemprogramma

Vele waarneemprogramma’s zijn mogelijk voor diverse sterrenkundige onderwerpen. Een groep van ongeveer 130 astronomen heeft de meest veelbelovende programma’s geselecteerd voor het HIFI gegarandeerde tijd-programma. Elk instrument aan boord van een ESA satelliet heeft namelijk recht op gegarandeerde tijd, vóór andere astronomen onderzoeksvoorstellen mogen doen. Dat betekent dat de instrumentbouwers en hun astronomische medewerkers de krenten uit de astronomische pap mogen vissen.

De Orion-nevel is een ware kraamkamer van sterren. In het infrarood (rechts) zien we een groot aantal sterren die we in het zichtbaar licht (links) niet zien. Bron: NASA

De belangrijkste onderwerpen voor onderzoek zijn moeilijk vast te stellen; iedere astronoom heeft zo zijn voorkeuren. Voor HIFI zullen zwaartepunten liggen bij: stervormingstudies, studies in ons eigen zonnestelsel en studies aan de uitgebreide atmosferen van stervende sterren.

Water cruciaal

Water komt veelvuldig voor in de ruimte, zowel binnen als buiten ons zonnestelsel. Water speelt een heel belangrijke rol bij de koeling van het interstellaire gas. Bij sommige stadia van de inkrimping van een gasmassa tot ster is het zelfs vooral water dat de koeling verzorgt zodat de gasmassa kan blijven samentrekken. HIFI zal dan ook bij diverse objecten water gaan meten. In gasvorm is water aanwezig in de atmosfeer van planeten en kometen; in vaste vorm als ijs op het oppervlak, vlak onder het oppervlak of in het binnenste, zoals bij Mars, kometen en de meeste planeetmanen het geval is. Ook komt ijs voor bij objecten uit de Kuipergordel, voorbij Pluto.

Een kernvraagstuk is de watercyclus en de daarbij behorende chemie in de atmosfeer van Mars. Maar ook andere buitenplaneten hebben waterdamp in hun atmosferen. Volgens theoretici kan dat water niet in de atmosfeer zelf gevormd zijn en moet derhalve van buiten komen. Kometen zouden daarbij een rol kunnen spelen. Komeetstudies zijn daarom ook van groot belang.

Ook in gebieden waar sterren gevormd worden komt water voor. Het is bekend dat de hoeveelheden waterdamp in die gebieden sterk variëren. Door metingen naar de aanwezigheid van water te doen kunnen de fysische structuur van de gebieden en fundamentele chemische processen in het gas en tussen gas en ‘roet’ bestudeerd worden. De hoeveelheid deuterium (‘zwaar water’) kan ook bepaald worden en geeft informatie over het temperatuurverloop in het verleden en de manier waarop het oppervlak van de roetdeeltjes gevormd is.

Voor een aantal protosterren (sterren die net geboren worden) van uiteenlopende massa en helderheid, zijn ook metingen naar de aanwezigheid van water voorgesteld. Hiermee krijgen we meer inzicht in de samenstelling en het ontwikkelingsstadium van deze jonge sterren.

Stervormingsgebieden

Gebieden, waar sterren gevormd worden kunnen temperaturen bereiken van een paar 100 tot een paar 1000 K en hebben wat grotere dichtheden dan het ‘normale’ medium. Zulke gebieden kunnen bij uitstek worden waargenomen met THz straling: er komen zeer vele spectraallijnen voor. Volledige scans over het grote spectraalgebied van HIFI (500 tot 1250 en 1410 tot 1910 GHz) zullen vele tienduizenden spectraallijnen laten zien in stervorminggebieden. Dat betekent een volledige inventarisatie van alle moleculen in zulke gebieden. Daarnaast krijgen we ook informatie over koeling en bewegingen. Dit geeft een beter beeld van de natuurkundige en chemische omstandigheden in stervormingsgebieden en de invloed op het interstellaire medium.

De Trifid-nevel is een stervormingsgebied. Links zoals we de nevel zien in infrarood licht, rechts in zichtbaar licht. Bron: NASA

Interstellair Medium

Heel koude dichte gebieden van het interstellaire medium waaruit sterren geboren gaan worden noemen we ‘moleculaire wolken’ omdat ze zoveel moleculen kunnen bevatten. Zodra er echt sterren geboren zijn worden de buitendelen van zulke moleculaire wolken verhit zodat er heel veel spectraallijnen zichtbaar worden.

Ook de materie die een zware ster uitstoot, botst op de moleculaire wolk en kan deze verhitten. De stervormingstudie onderzoekt dit. In het latere leven van een zware ster worden er schokken gegenereerd, eindigend met de kolossale schok van een supernova explosie. De ultraviolette straling van de zware sterren blijft ook een belangrijke rol spelen. De bewegingen in zulke gebieden zijn heel ingewikkeld. Er wordt een aantal moleculaire wolken van verschillende aard bestudeerd waar zowel zulke schokgolven als ultraviolette straling het interstellaire medium verhitten.

In het koude ijle medium komen bepaalde moleculen voor. Het is nog niet duidelijk hoe dat mogelijk is, omdat de ultraviolette straling de moleculen zou moeten ontbinden in zijn atomen (‘dissociëren’). Met een set complete spectrale scans van HIFI willen we alle moleculen meten en een gedetailleerd model maken van een aantal gebieden. Zo hopen we een beter begrip te krijgen van de fysica en chemie in die gebieden. Ook is een aantal spectrale kenmerken in het zichtbare en nabijinfrarood gebied nog steeds niet bevredigend verklaard. Wellicht kunnen onze scans en analyse dit raadsel oplossen?

De Ei-nevel in zichtbaar licht (links). In het infrarood (rechts) worden de laatste stuiptrekkingen van een stervende ster zichtbaar. Bron: NASA

Late Stadia van Sterevolutie

Sterren zelf zal HIFI nauwelijks bestuderen: ze zenden vrijwel geen THz straling uit. Als sterren echter ‘oud’ worden gaan ze steeds meer materie uitstoten en ontstaat er een uitgebreide schil van gas en stof rond de ster. Die schil kan wél waargenomen worden met HIFI. Juist de binnenste gebieden van deze schillen zijn interessant, de temperaturen zijn daar 100 tot 2000 K en de versnelling van het materiaal naar buiten toe vindt daar plaats. Water en koolmonoxide metingen met HIFI in een aantal goed gekozen stervende sterren zullen modelberekeningen mogelijk maken, die de fysische en chemische omstandigheden in detail zullen kunnen beschrijven.

Het is bekend dat er ingewikkelde chemische processen plaatsvinden in zulke schillen, leidend tot soms behoorlijk complexe – biologisch interessante – moleculen. Zelfs nog grotere moleculen en roetdeeltjes kunnen ontstaan. Deze grote moleculen kunnen alleen bestudeerd worden door hun spectraallijnen in het THz gebied te bekijken. Een aantal klassen van late-evolutie objecten zal volledig spectraal gescand worden om een inventarisatie te maken van deze moleculen.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Netherlands Institute for Space Research (SRON).
© Netherlands Institute for Space Research (SRON), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 juli 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.