“Als project scientist ben ik de persoon die bij ESA de verantwoordelijkheid heeft om zoveel mogelijk wetenschap uit de Herschel-missie te halen,” legt Pilbratt uit. “Ik werk al sinds 1991 aan Herschel, maar de geschiedenis gaat nog verder terug. Herschel heette in het begin FIRST, de Far-Infrared and Submillimeter Telescope.” FIRST was één van de vier zogenaamde Cornerstone-missies in het Horizon 2000-programma van ESA. Dat programma werd in 1984 gepresenteerd om de koers van ESA tot het jaar 2000 te bepalen. Behalve FIRST werden nog drie andere missies als ‘hoekstenen’ aangewezen: zonne-observatorium SOHO/Cluster (gelanceerd in 1995), röntgentelescoop XMM-Newton (1999) en komeetlander Rosetta (2004). “Maar met deel uitmaken van zo’n plan ben je er nog niet. Het werd pas in 1993 duidelijk dat FIRST als vierde Cornerstone-missie zou worden uigevoerd, na Rosetta. Na die aankondiging kon het werk beginnen.”

Diep infrarood

Het bijzondere van Herschel is de kleur licht waar hij naar zal gaan kijken. “Herschel richt zich op het diepe infrarood,” vertelt Pilbratt, “op hele lange golflengtes, tot meer dan een halve millimeter. Niemand heeft daar tot nu toe naar gekeken.” De belangrijkste reden daarvoor is dat de technologie om dit deel van het spectrum goed te detecteren nog niet zo lang bestaat. “In 1983 is er al een studie over gedaan, en toen zeiden de onderzoekers dat de benodigde technologie er ‘over een paar jaar’ zou zijn. Het heeft flink wat langer geduurd dan dat: in het jaar 2000 waren we pas zover dat we naar de industrie konden stappen met een plan. ‘Dit is het ruimtevoertuig dat we willen, laat maar zien wat je kunt,’ zeg maar.”

Om de lange infraroodgolflengtes te kunnen zien zal Herschel beschikken over de grootste spiegel die ooit voor een ruimtetelescoop gebouwd is: een parabolische kuip van maar liefst drieëneenhalve meter doorsnede. Dat is anderhalf keer zo groot als de spiegel van de Hubble-ruimtetelescoop, maar die vergelijking is eigenlijk niet te maken. “Hubble kijkt naar zichtbaar licht, en Herschel kijkt naar infrarood. De golflengtes zijn veel langer in het infrarood, en daarom moet een spiegel ook veel groter zijn om dezelfde resolutie te bereiken als een kleinere zichtbaar-licht-telescoop. Maar vergeleken met andere infrarood-telescopen, zoals IRAS en Spitzer, is de spiegel van Herschel werkelijk enorm.”

Instrumenten

Met alleen een spiegel ben je er nog niet, want het licht dat door de spiegel van de ruimtetelescoop wordt verzameld moet heel nauwkeurig gemeten en geanalyseerd worden. Daarvoor zijn drie instrumenten ontwikkeld: PACS (Photodetecting Array Camera and Spectrometer), SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver) en HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared). PACS en SPIRE zijn camera’s die afbeeldingen gaan opnemen van verschillende delen van het infraroodspectrum. PACS kijkt naar licht met golflengtes tussen de 55 en 210 micrometer, en SPIRE ziet scherp tussen 194 en 672 micrometer. Ter vergelijking: de langste golflengte die door Spitzer kan worden gemeten is 180 micrometer. HIFI, tenslotte, is een grotendeels in Nederland ontwikkelde spectrometer. Zijn bereik is net zo groot als dat van de twee camera’s samen, maar in plaats van afbeeldingen maakt HIFI hele precieze metingen van de infraroodspectra van astronomische objecten.

Stervorming

Dat Herschel bijzondere dingen gaat zien staat eigenlijk al bij voorbaat vast. “We gaan een nieuw deel van het observatiespectrum openen, we gaan kijken naar dingen die niemand ooit eerder heeft gezien. Het deel van het infrarood-spectrum waar Herschel gevoelig voor is, is vanaf de grond niet zichtbaar vanwege de aardatmosfeer.” In het verre infrarood waar Herschel naar gaat kijken zijn astronomische processen zichtbaar waar we nog heel weinig van weten.

“Er zijn eigenlijk twee grote vragen waar Herschel een antwoord op gaat zoeken, en de term die ze verbindt is stervorming. Ten eerste willen we weten aan welke voorwaarden een regio moet voldoen voordat zich sterren gaan vormen. Ook vragen we ons af of het gebruikelijk is dat er om een nieuwe ster een planetenstelsel ontstaat, en hoe dat samenhangt met het soort ster.” De regio’s in ons Melkwegstelsel waarin stervorming plaatsvindt zijn met zichtbaar licht moeilijk te bestuderen, omdat de materie licht blokkeert of verstrooit. In het infrarood zijn wel veel details zichtbaar, maar de hoeveelheid infrarood licht die er vandaan komt is heel klein. “Herschel zal ons heel veel kunnen leren over die regio’s, want met zijn grote spiegel en geavanceerde apparatuur kan hij van een klein beetje licht toch een duidelijk beeld maken.”

Ook buiten ons sterrenstelsel is er genoeg te zien voor Herschel. “We weten dat er een heleboel verre sterrenstelsels zijn die voornamelijk infrarood licht uitstralen. Die stelsels werden voor het eerst gezien in de jaren ‘80, toen IRAS als eerste infrarood-ruimtetelescoop in gebruik was. De infrarode straling komt grotendeels van interstellaire materie, grote wolken gas en stof die verwarmd wordt door de sterren in het stelsel. We weten nu dat die stelsels zogenaamde ’starburst’-stelsels zijn: plaatsen waar duizenden keren zoveel sterren worden gevormd als hier. Het is opvallend dat zulke stelsels vooral voorkomen op grote afstand van ons, dus lang geleden in de kosmische geschiedenis. Door ze te bestuderen kunnen we meer te weten komen over de manier waarop het heelal, en sterrenstelsels in het bijzonder, door de tijd heen is geëvolueerd.”

De meettijd van Herschel zal door een commissie verdeeld worden aan de hand van voorstellen die iedereen in de hele wereld kan indienen. “Er zijn nog wel honderden andere dingen te bedenken waar een infrarood-telescoop nuttig voor is. Neem bijvoorbeeld de kometen in ons eigen zonnestelsel: metingen in het infrarood kunnen ons veel vertellen over de samenstelling daarvan.”

Herschel en Planck

Herschel zal naar verwachting eind april worden gelanceerd van de Europese lanceerbasis Centre Spatial Guyanais in Kourou, Frans Guyana. De raket die hem in zijn baan zal brengen is een Ariane 5-raket van het zwaarste type, de zogenaamde ECA. “Behalve Herschel wordt ook Planck met deze raket gelanceerd, een kleinere satelliet die de kosmische achtergrondstraling gaat bestuderen. De twee missies zijn samen geïntegreerd in dezelfde raket, wat voor commerciële missies heel gebruikelijk is maar voor wetenschappelijke missies niet vaak gebeurt. Zeker niet als het om twee compleet verschillende ruimtevaartuigen gaat.” Planck en Herschel gaan in verschillende banen om hetzelfde punt draaien. Dat punt is het zogenaamde tweede Lagrange-punt van het aarde-zon-systeem: een plaats op ongeveer anderhalf miljoen kilometer van de aarde. Op dit punt lijken de aarde en de zon ten opzichte van elkaar nauwelijks te bewegen, en staan de twee altijd in ongeveer dezelfde richting. “De raket zal ongeveer een half uur lang onderweg zijn om Planck en Herschel de ruimte in te brengen. Dan gaan de motoren uit, en wordt eerst Herschel en een paar minuten later Planck uit de raket gelaten. De twee zullen dan nog ongeveer twee maanden onderweg zijn naar hun eindbestemming, vier keer zo ver weg als de maan.”

Lagrangepunt

Waarom wordt Herschel niet in een baan om de aarde gelanceerd, zoals veel andere ruimtetelescopen? “Daar zijn drie hele goede redenen voor,” legt Pilbratt uit. “Dit punt is zo gekozen dat een lijn door de zon en de aarde door dit punt komt, op een afstand van de aarde die één procent is van de afstand tussen aarde en zon. Vanuit Herschel’s perspectief staan de aarde en de zon daarom altijd bij elkaar in de buurt, binnen een hoek van 15 tot 30 graden. Vandaar dat er maar één kant van de sonde afgeschermd hoeft te worden tegen zonlicht. Omdat de andere kant niet geïsoleerd hoeft te worden is het makkelijker om Herschel af te koelen. Er is minder vloeibaar helium nodig om de camera’s op temperatuur te houden, en dat verlengt de levensduur. De tweede reden is dat het deel van de hemel dat wordt afgeschermd door de zon en de aarde voor Herschel zo klein mogelijk is. In de richting van de zon en de aarde zullen we niet veel kunnen zien, maar de rest van het heelal ligt helemaal binnen het bereik van Herschel’s spiegel. En de derde reden om geen baan om de aarde te kiezen is het stralingsveld van de aarde. Daar hebben we op deze manier geen last van.”

Nog beter

Met de lancering van Herschel wordt enorm veel nieuw onderzoek in de infrarood-sterrenkunde mogelijk, maar toch ziet Göran Pilbratt nog een aantal mogelijkheden om een nóg betere telescoop te ontwikkelen. “Een telescoopspiegel van drieëneenhalve meter lijkt heel groot, maar voor de golflengtes die we gaan meten zou een nog hogere resolutie wenselijk zijn. Het verhogen van die resolutie kan op twee manieren: door de spiegel nog groter te maken of door interferometrisch te gaan meten. Op het moment worden er een aantal mogelijkheden bekeken: de Russen ontwikkelen bijvoorbeeld Millimetron, een ruimtetelescoop met een spiegel die zich in de ruimte zal uitvouwen.”

Een tweede verbeterpunt voor de toekomst is de lichtgevoeligheid van de telescoop. “Herschel wordt afgekoeld tot een temperatuur van 80 graden boven het absolute nulpunt. In Japan wordt nu in samenwerking met ESA gewerkt aan SPICA, een telescoop die erg op Herschel lijkt maar slechts 5 graden wordt: bijna twintig keer zo koud dus. Hoe minder warmte er in de telescoop zelf zit, hoe gevoeliger de telescoop kan zijn voor hele kleine hoeveelheden licht. Tegen de tijd dat de maximale levensduur van Herschel erop zit, kunnen we met SPICA misschien nóg preciezere metingen doen.”

Genoeg mogelijkheden voor de toekomst dus, maar dat maakt de vooruitzichten voor Herschel niet minder spannend. Na jaren van voorbereiding, ontwerp en bouw breekt het uur van de waarheid nu eindelijk aan. Spannend voor iedereen die de sterrenkunde en de ruimtevaart een warm hart toedraagt, maar extra bijzonder voor Göran Pilbratt, die samen met Herschel af is gereisd naar Frans Guyana. “Natuurlijk kijken we er allemaal naar uit dat Herschel eindelijk de ruimte in gaat. Maar ik ben zelf nog nooit eerder bij de lancering van een raket geweest, dus dat maakt het wel extra leuk.”