Je leest:

Hoe ruimtetelescoop SPICA het geheim van de aarde ontrafelt

Hoe ruimtetelescoop SPICA het geheim van de aarde ontrafelt

Auteur: | 8 mei 2020

Voor de wetenschap is het allerminst duidelijk hoe het universum zich ontwikkelde tot een plek waar de aarde en het leven kon ontstaan. Met ruimtetelescoop SPICA willen astronomen ontdekken hoe het heelal chemisch zo’n rijke plek werd en hoe zonnestelsels als het onze ontstaan.

Impressie van ruimtetelescoop SPICA. De hoofdspiegel is met een laagje goud bedekt omdat dit infrarode straling goed reflecteert.

Onze planeet staat bol van het leven. Daarvoor moesten er nogal wat puzzelstukjes op hun plaats vallen. In het kosmische perspectief zijn twee dingen cruciaal: onze zon, die de ijzingwekkende gemiddelde temperatuur van het universum van zo’n minus 270 graden Celsius opkrikt naar omstandigheden voor vloeibaar water, én een aardbol met de juiste chemische elementen voor het ontstaan van leven.

Hoe het heelal van een oerknal die voornamelijk waterstof en helium produceerde, kwam tot een chemisch ‘verrijkt’ universum vol zwaardere elementen waarmee op minstens één plek leven ontstond, is voor de wetenschap allerminst duidelijk. Ruimtetelescoop SPICA (Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) moet duidelijkheid geven.

Vanaf 2032 kan hij de samenstelling en dynamiek van een groot aantal verre sterrenstelsels meten. Én de vraag beantwoorden waarom stervorming zo’n tien miljard jaar geleden stokte. Dichter bij huis bekijkt de telescoop hoe zonnestelsels zoals het onze ontstaan, wanneer schijven van gas en stof ‘instorten’ onder invloed van de zwaartekracht.

Het belangrijkste onderzoeksinstrument van SPICA – het SpicA FAR infrared Instrument ofwel SAFARI – wordt in Nederland ontwikkeld. NEMO Kennislink brengt Peter Roelfsema van het Nederlandse onderzoeksinstituut voor ruimte-onderzoek SRON een digitaal bezoekje. Hij is hoofdonderzoeker van SAFARI en leidt de aanvraag voor de hele telescoop bij ESA. Want óf deze missie er daadwerkelijk komt, wordt pas volgend jaar duidelijk. Hoe gaat SPICA het geheim van het leven op aarde ontrafelen? Een mysterie dat onlosmakelijk verbonden is met de geschiedenis van het heelal.

Een rem op de vorming van sterren

Juist onze kennis over de evolutie van het heelal kan SPICA enorm vergroten. Astronomen denken te weten dat het universum met een compacte en hete oerknal begon. De ruimte was na een fase van sterke uitdijing in de eerste miljoenen jaren gelijkmatig gevuld met zo’n driekwart waterstof en een kwart helium, elementen die direct werden gevormd uit de oerknal. Het was een steeds kouder wordend en pikkedonker universum.

De zogenoemde Pillars of Creation, ofwel de pilaren der schepping, is een regio in de Melkweg waar zich op dit moment nieuwe sterren vormen.

Dat duurt tot het moment dat zich de eerste sterren vormen, pakweg een miljard jaar na de oerknal. Het licht ging langzaam aan. Stervorming gebeurt doordat waterstof en helium op bepaalde plekken samenballen onder invloed van de zwaartekracht. Er ontstaan grote ballen van waterstof en helium, waarbinnen de druk en temperatuur zó hoog zijn dat deze elementen fuseren tot zwaardere elementen. Zo ontstaan koolstof, stikstof en zuurstof en in een later stadium ook neon, silicium, ijzer en andere elementen.

De eerste sterren waren op hun beurt met honderden miljarden exemplaren verenigd in grote sterrenstelsels die door de zwaartekracht bij elkaar werden gehouden. Wanneer een ster geen waterstof of helium meer heeft – de brandstof waarmee ze schijnen – dan eindigt het merendeel in een catastrofale explosie die de geproduceerde nieuwe elementen in de ruimte verspreidt. Op die manier ‘verrijken’ sterren over de loop van miljarden jaren het universum met steeds zwaardere elementen.

Stervorming in melkwegstelsels ging in de loop van de eerste paar miljard jaar steeds sneller. De zwaartekracht kreeg meer en meer grip op de grote gaswolken en transformeerde ze tot meer en grotere sterrenstelsels. Maar toen gebeurde er iets vreemds. Zo’n acht tot tien miljard jaar geleden (vier tot zes miljard jaar na de oerknal) ging de stervorming plots weer langzamer. De snelheid bereikte een maximum en begon zelfs weer af te nemen. Er werden steeds minder sterren(stelsels) gevormd.

“Niemand weet waarom”, zegt Roelfsema. “Er zijn wat ideeën dat bijvoorbeeld het bouwmateriaal (waterstof en helium – red.) opraakte of dat grote zwarte gaten in de sterrenstelsels stervorming verstoren, doordat ze agressief materiaal de ruimte in slingeren. Stervorming is namelijk verbonden aan voorwaarden: er mag niet te weinig materiaal zijn, maar ook niet te veel.”

Er zijn computermodellen die de evolutie van het heelal beschrijven, van het begin met een oerknal tot een ‘levende’ planeet als de aarde rondom een ster als de zon. “Erg mooi, alleen zitten die modellen bomvol aannames waarvan we eigenlijk zeker weten dat een deel niet klopt”, zegt Roelfsema. “Wij zien dat de structuur van het jonge universum in die modellen niet dezelfde is als wat we nu zien in het diepe (en dus jonge) universum. Wat zijn de druk en temperatuur in die jonge sterrenstelsels geweest? Hoeveel stikstof, neon en ijzer zat er werkelijk in die stelsels? In computermodellen kiezen we die waarden nu precies zo dat we een goede uitkomst krijgen voor het universum dat we nu hebben.”

De snelheid waarmee nieuwe sterren en sterrenstelsels worden gevormd in het universum volgt ruwweg deze grafiek. Ongeveer tien miljard jaar geleden bereikte deze snelheid een piek en is sindsdien aan het dalen. Het is niet duidelijk waarom.

SPICA gaat de modellen voor het eerst van harde data voorzien. Welke stoffen waren in welke mate aanwezig in vroege sterrenstelsels? Hoe stroomde het gas (materiaal voor nieuwe sterren) erdoorheen? De infraroodtelescoop kijkt in tegenstelling tot bijvoorbeeld ruimtetelescoop Hubble niet naar de ‘buitenkant’ van sterrenstelsels, maar is in staat infraroodstraling uit de kern van het sterrenstelsel op te vangen. Dat levert overigens niet de oogstrelende foto’s op die we van Hubble gewend zijn. De sterrenstelsels die SPICA onderzoekt staan zó ver weg dat ze niet meer dan een ‘stipje’ zijn in het blikveld van de telescoop.

Van schijf naar zonnestelsel

SPICA neemt ook zogenoemde protoplanetaire schijven in onze eigen Melkweg in het vizier, het embryonale stadium van zonnestelsels zoals het onze. Deze schijven zijn snel draaiende gas- en stofwolken met in het midden een ontbrandende ster. In de loop van miljoenen jaren klontert zo’n wolk samen tot een keurig planetenstelsel waarin een aantal planeten in een vlak in de dezelfde richting om de ster heen draaien. Helaas zijn ze nog steeds te ver weg voor mooie plaatjes, aldus Roelfsema.

De protoplanetaire schijf rondom ster HL Tauri. In de schijf van gas en stof ontstaan waarschijnlijk planeten op de plekken waar de donkere ringen zitten.

Het idee dat dat sterren en planeten zich uit gaswolken vormen is zo’n twee eeuwen oud en sinds 2012 is er een observatorium dat dit echt goed kan zien. Radiotelescoop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), waar NEMO Kennislink vorig jaar op bezoek ging, heeft vanuit de woestijn in Chili al tientallen protoplanetaire schijven waargenomen, inclusief de plekken waar zich nu planeten vormen.

SPICA vult de radiowaarnemingen van ALMA aan met informatie uit het infrarode spectrum. Daarmee is de verdeling van water en koolstofdioxide te zien, stoffen die in ijsvorm aanwezig zijn. Dit ijs verraadt bovendien onder welke omstandigheden het ontstond. “Met SPICA onderscheiden we verschillende ‘ijzen’ die bij een andere temperatuur en druk ontstaan. Het is een manier om de omstandigheden van nu én in de verleden van die schijven te bepalen. Bovendien zien we of het materiaal is vastgevroren aan steen of ijzer”, aldus Roelfsema.

Uitgelicht door de redactie

Geneeskunde
Migraine is meer dan alleen hoofdpijn

Biologie
Oud vaccin tegen COVID-19

Neurowetenschappen
Vertraging op de lijn

Achtbaan

Volgend voorjaar, in juni 2021, beslist de Europese ruimtevaartorganisatie ESA of ze 550 miljoen euro uittrekt voor SPICA. De ruimtetelescoop neemt het op tegen concurrenten EnVision, een ruimtesonde die de atmosfeer en het oppervlak van Venus gedetailleerd in kaart brengt, en de Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor, een ruimtetelescoop die op zoek gaat naar korte uitbarstingen van energierijke gamma- en röntgenstraling uit het verre universum.

De ontwikkeling van SPICA is nu zo’n vijftien jaar gaande, en de ruimtetelescoop had volgens eerdere planningen volgend jaar al op het lanceerplatform moeten staan. Roelfsema beschrijft de ontwikkeling als een achtbaan. “Soms heb je het gevoel dat de missie er bíjna is en dan heb je een tegenslag die je jaren teruggooit”, zegt hij. “Een organisatie blijkt een onderdeel niet te kunnen maken volgens onze eisen of een deel van de financiering komt door politieke keuzes onder druk te staan.” Ook dit jaar ging het project al over een grote hobbel in de weg, toen ESA plots een verandering in het ontwerp van de telescoop eiste, omdat het anders niet in de beoogde raket past. Het instrumentarium komt nu grotendeels achter de spiegel te zitten, in plaats van eronder.

Als SPICA volgend jaar wordt geselecteerd, is er nog ruim tien jaar tot de lancering. De telescoop moet minimaal drie jaar meegaan. In tegenstelling tot zijn voorganger – ruimtetelescoop Herschel – is SPICA niet afhankelijk van een voorraad koelvloeistof en kan hij veel langer meegaan. “Ons doel is een operatie van vijf jaar, de verwachting is tien jaar”, zegt Roelfsema, die tegen zijn pensioen aan zit. Gaat hij dat nog meemaken? “Ik had de hoop dat SPICA gelanceerd zou worden rond mijn pensioen. Nu ben ik blij dat de beslissing voor de doorgang van het project nog net voor die tijd valt.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 mei 2020

Discussieer mee

0

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

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.