Je leest:

ISO en Nederland: De erfenis van de Short Wavelength Spectrometer

ISO en Nederland: De erfenis van de Short Wavelength Spectrometer

Auteurs: , en | 1 januari 2004

Veel objecten in het heelal zijn warm. Sterren zijn warm, maar planeten ook. Deze warmte kan worden waargenomen als infraroodstraling. De laatste vijf decennia zijn allerlei detectors en andere waarneeminstrumenten gebouwd om het heelal door een ‘infraroodbril’ te bekijken. Helaas hebben alle sterrenwachten op aarde te maken met hetzelfde fundamentele probleem: onze dampkring.

Ook de lucht is warm, net als de telescopen zelf, waardoor je bij het waarnemen van een hemelobject altijd te maken krijgt met de infraroodstraling van de atmosfeer en telescoop. Vanaf de aarde nam men zo goed en zo kwaad als mogelijk was waar wat de gesluierde dampkring doorliet, maar de ‘infraroodvensters’ van de aardatmosfeer zijn smal en geven geen compleet beeld: er was duidelijk behoefte aan atmosfeervrije waarnemingen.

In 1983 werd de infraroodhemel ontsloten door de InfraRood Astronomische Satelliet (IRAS), een samenwerkingsproject van de VS, Groot-Brittannië en Nederland. IRAS was een satelliet die de infraroodhemel vanuit een baan om de aarde – boven de aardatmosfeer dus – waarnam. IRAS scande de hemel bij golflengten van 12, 25, 60 en 100 micrometer (ter vergelijking: de golflengte van zichtbaar licht bedraagt 0,6 μm) en maakte een inventaris van de infraroodbronnen die er te zien waren. Dat leverde zo veel gegevens op, dat er meer vragen bij kwamen dan er werden beantwoord.

Impressie van de Europese infraroodsatelliet ISO in de ruimte.

De IRAS-gegevens resulteerden in een ruwe schets van de infraroodhemel, maar er was al snel behoefte aan meer gedetailleerde waarnemingen. Vandaar dat het Europese ruimtevaartagentschap besloot tot de bouw van de Infrared Space Observatory (ISO). De lancering van deze nieuwe satelliet vond plaats op 17 november 1995.

De lancering van ISO vond plaats op 17 november 1995. De satelliet zou 28 maanden in bedrijf zijn.

Zijn taak was eenvoudig: een zo gedetailleerd mogelijke inventarisatie van de infraroodhemel maken. ISO is daar 28 maanden mee bezig geweest, en nog steeds bewijzen de verzamelde gegevens hun grote waarde. Naast een Nederlands instrument, de Short Wavelength Spectrometer (SWS) oftewel kortegolf- spectrometer, had de satelliet drie andere Europese instrumenten aan boord: de Duitse fotopolarimeter ISOPHOT, de Franse infraroodcamera ISOCAM en de Britse Long-Wave Spectrometer (LWS).

Om de infraroodstraling uit het heelal te kunnen waarnemen, en niet door zijn eigen straling ‘verblind’ te worden, moest ISO sterk worden afgekoeld. Eigenlijk hadden alle instrumenten een operationele temperatuur van iets boven het absolute nulpunt (0 K = -273 oC). Om dat lange tijd voor elkaar te krijgen, had de satelliet 2286 liter supervloeibare helium aan boord. Deze koelde de instrumenten en de hoofdspiegel door middel van verdamping – vergelijk het maar met het koude gevoel dat alcohol geeft als het op je huid verdampt. Toen de heliumvoorraad op was, warmden de telescoop en instrumenten op en kwam er een einde aan de missie van ISO. Hij blies zijn laatste teug helium uit op 8 april 1998.

Het ‘Nederlandse’ instrument van ISO was de Short Wavelength Spectrometer, die de ‘vingerafdrukken’ van vele soorten atomen en moleculen detecteerde.

De SWS-spectrometer bekeek het spectrale gebied van 2,3 tot 45 micrometer, waarbij de ‘vingerafdrukken’ van vele soorten atomen en moleculen zijn gedetecteerd. In tegenstelling tot een camera maakte SWS geen ’foto’s’ van een object, maar onderzocht hij direct wat de chemische samenstelling ervan was. In feite stelde SWS vast wat de fysische aard van zo’n object was: zo kon men vragen beantwoorden over het verloop van stergeboorte en -dood, over het stof en gas tussen de sterren en over de atmosferen van de planeten in ons zonnestelsel. Daarnaast keek het instrument ook in de stoffige kernen van nabije melkwegstelsels, om te onderzoeken wat de ‘motor’ van deze objecten is.

Uitgestippeld

ISO functioneerde heel anders dan een gewone sterrenwacht op aarde. Het stond immers van tevoren vast dat ISO binnen ruwweg twee jaar buiten bedrijf zou zijn. Om eruit te halen wat er in zat, moesten de ISOwaarnemingen tot in de details van tevoren worden uitgestippeld. En om de missie tot een succes te maken, moesten de gegevens die de satelliet verzamelde voortdurend in de gaten worden gehouden en geëvalueerd. Als er een probleem ontstond, moest dat heel snel worden opgelost. Het begin van de ISO-missie was dan ook een zeer intense en hectische periode.

Voor de SWS werden de activiteiten gecoördineerd door het SWS Instrument Dedicated Team (SIDT), dat gehuisvest was bij het grondstation van de ESA te Villafranca, Spanje (VILSPA). Het team bestond uit sterrenkundigen en technici van het SWS-consortium en ESA zelf. Het doel van SIDT was om de sterrenkundige gemeenschap van gekalibreerde en geverifieerde gegevens te voorzien. Deze gegevens werden overigens ook bekeken door leden van de thuisinstituten van het SWS-consortium, zodat op elk moment wel twintig mensen in vier landen met SWS bezig waren. Het was deze gezamenlijke aanpak die de missie van ISO als geheel, en die van SWS in het bijzonder, tot een groot succes heeft gemaakt.

Na 28 maanden waarnemen (24 maanden helium-gekoeld en daarna nog eens vier maanden; zie kader) kon SIDT formeel ontbonden worden en ging ieder weer terug naar het thuisinstituut. Sindsdien is men onophoudelijk bezig geweest met het analyseren van de verzamelde gegevens. Verwacht wordt dat zelfs nog tien jaar na de missie nieuwe ontdekkingen zullen worden gedaan in het gegevensarchief. Dat hoeft men nauwelijks verrassend te vinden, omdat er zelfs nu nog, twintig jaar na dato, analyse van IRAS-gegevens plaatsvindt!

De post-helium waarnemingen Op 8 april 1998 raakte de voorraad vloeibare helium in de cryostaat van ISO op. De instrumenten waren toen nog heel koud (ongeveer 5 K), maar warmden vanaf dat moment snel op. Hoewel dat oorspronkelijk niet het plan was, realiseerde men zich dat delen van het SWS-instrument nog zouden werken bij temperaturen hoger dan 4 kelvin: de meest kortgolvige detectors konden tot 40 kelvin worden gebruikt. Vandaar dat het SWS-team er nog een fase aanknoopte: de ‘ISO post-helium missie’. In het kader van deze verlengingsmissie werd een groot aantal sterspectra tussen 2,3 en 4 ìm opgenomen. In de eerste veertig dagen werden 238 bronnen van uiteenlopende aard onderzocht. Zoals de figuur links laat zien, hadden de waarnemingen betrekking op de meest uiteenlopende stertypen. De verzamelde gegevens zijn uniek: alle bronnen zijn op dezelfde manier, met hetzelfde instrument, en onder bekende omstandigheden (t.g.v. het opwarmen van de satelliet waarvoor gecorrigeerd kon worden) waargenomen. Het was voor het eerst dat het spectrale gebied tussen 2,3 en 4 ìm zonder onderbrekingen werd waargenomen. De figuur rechts toont een voorbeeld van de spectra die tijdens deze missie zijn opgenomen. In de spectra zijn tal van lijnen te zien, die kenmerkend zijn voor allerlei atomen en moleculen.

Alle waarnemingen die de SWS heeft gedaan, zijn toegankelijk middels het ISO-archief (www.iso.vilspa. esa.es). Dat archief is gemakkelijk via internet toegankelijk voor wetenschappers die geïnteresseerd zijn in infraroodgegevens van hemelobjecten. De SWS-gegevens hebben allemaal vaste verwerkingstechnieken ondergaan, zoals die in de loop van de ISO-missie zijn ontwikkeld.

De ISO-satelliet was 5,3 meter hoog, 3,6 meter breed en 2,8 meter diep. Bij lancering was zijn gewicht 2400 kg.

De erfenis van SWS

SWS was in alle opzichten een uiterst succesvol instrument: het heeft de fysische details van menig ver- schijnsel en object gemeten. Het gaat daarbij in totaal om vierduizend van de dertigduizend ISO-waarnemingen. Tot op heden zijn ongeveer 2200 van deze waarnemingen in vakbladen gepubliceerd: ruwweg vierhonderd daarvan zijn gebaseerd op SWS-gegevens. Belangrijk is ook dat in Nederland en België 24 mensen met gebruik van SWS-waarnemingen zijn gepromoveerd. Het instrument zal dus ook op de lange termijn zijn sporen in de Nederlandse sterrenkunde achterlaten. SWS heeft het inzicht vergroot op vele terreinen van de moderne astrofysica. In dit nummer van Zenit vindt men vijf artikelen die dieper op de specifieke ontdekkingen van SWS ingaan. Hier beperken we ons tot enkele hoofdconclusies:

Overal is water! SWS heeft op tal van plaatsen water aangetroffen. Er is waterdamp en waterijs aanwezig bij de geboorte van sterren, maar ook in de uitdijende omhulsels van stervende sterren. Aangenomen wordt dat het water van deze stervende sterren weer in de ruimte tussen de sterren terechtkomt, alwaar het via samentrekkende moleculaire wolken weer aan de geboorte van nieuwe sterren kan deelnemen. SWS heeft een belangrijk bewijsstuk aangedragen door water aan te tonen in de materie tussen de sterren. Belangrijker voor ons is dat SWS ook heeft vastgesteld dat er overal in het zonnestelsel water is. Daaruit komt een beeld van een grote kosmische waterkringloop naar voren: water ontstaat in moleculaire wolken, wordt opgenomen in sterrenin- wording, komt terecht in de ‘vuile sneeuwballen’ – komeetkernen dus – en regent in de vorm van ijs neer op de planeten die rond de sterren ontstaan.

Er zijn overeenkomsten tussen de aarde en circumstellaire materie. SWS heeft niet alleen water waargenomen, maar ook vastgesteld dat er, net als op aarde, kristallijne silicaten (d.w.z. soorten kwarts) voorkomen rond jonge sterren en in kometen. (Zie het artikel van Molster en Kemper in dit nummer.)

SWS heeft bijzondere moleculen ontdekt. Dankzij de SWS-waarnemingen hebben we een beter inzicht gekregen in de chemische en fysische processen die zich in interstellaire gaswolken afspelen. Een voorbeeld: van een bepaald molecuul, C3H, was voorspeld dat het een belangrijke rol zou spelen in de moleculaire chemie. Op theoretische gronden werd voorspeld dat dit molecuul een tussenstap was bij de overgang van koolmonoxide (CO) naar meer complexe moleculen. Met SWS is dit molecuul nu voor het eerst waargenomen. Dat is natuurlijk verheugend, maar er blijkt veel te veel van te zijn! Dat is nu eenmaal het lot van een sterrenkundige: als je de ene vraag oplost, kom je zomaar met tien nieuwe te zitten.

Stoffige melkwegstelsels onthuld. Infraroodstraling heeft de eigenschap dat zij niet gemakkelijk wordt tegengehouden door interstellaire stofwolken. Dat is van belang bij het waarnemen van bepaalde melkwegstelsels die erg rijk aan stof zijn. SWS kon door de stofsluiers heen kijken en de aard van deze stelsels onthullen.

Met het SWS-instrument is voor het eerst het molecuul C3H waargenomen. Deze verbinding speelt een belangrijke rol bij de moleculaire chemie in de ruimte. Probleem is echter dat er veel méér van blijkt te zijn dan voorspeld was…

Het leven na SWS

De toekomst van de infraroodsterrenkunde ligt nu in de handen van een aantal nieuwe projecten, waarvan het eerste onlangs al van start is gegaan. In augustus 2003 heeft de NASA de Space InfraRed Telescope Facility (SIRTF) gelanceerd. Deze satelliet kan worden beschouwd als het Amerikaanse antwoord op ISO. SIRTF heeft infraroodcamera’s en -spectrometers aan boord die ruwweg hetzelfde golflengtegebied bestrijken als ISO. Maar SIRTF is veel gevoeliger en zal met name extragalactische bronnen met meer detail kunnen waarnemen. Dat geldt vooral voor de InfraRed Spectrometer (IRS), die in termen van gevoeligheid eigenlijk begint waar SWS ophield. Daartegenover staat overigens wel een driemaal lagere spectrale resolutie.

Voor de wat verdere toekomst is de ESA bezig met de bouw van een nieuwe grote satelliet: Herschel. Deze zal met name het golflengtegebied van 60 tot 670 micrometer bestrijken – een gebied dat het meest wordt gehinderd door de aardatmosfeer. Ook ditmaal is SRON weer een van de instituten die de bouw van een instrument coördineren: het Heterodyne Instrument for the Far Infrared – kortweg HIFI. Herschel moet in februari 2007 gelanceerd worden. Nog later, zoals het er nu naar uitziet in augustus 2011, zullen NASA en ESA tezamen de James Webb Space Telescope lanceren – de opvolger van de Hubbleruimtetelescoop. Deze satelliet zal met een hoofdspiegel van ongeveer 6,5 meter (tienmaal zo groot als de 60-cm spiegel van ISO!) het gebied van 0,6 tot 28 micrometer onderzoeken. Ook bij dit project is Nederland betrokken, met name bij de mid-infraroodspectrometer MIRI, die vijfhonderd keer zo gevoelig is dan ISO en een vijftig maal zo groot oplossend vermogen heeft.

Twee van de toekomstige ‘opvolgers’ van ISO. Boven: de Europese infraroodsatelliet Herschel, waarvan de lancering voor 2007 op het programma staat. Onder: de Amerikaans/Europese James Webb Space Telescope, die de plaats van de Hubble ruimtetelescoop moet innemen. Deze laatste zal naar verwachting in 2011 worden gelanceerd.

En ten slotte is er nog een groot project dat zich op de vaste aarde afspeelt: de Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Strikt genomen is dit geen infraroodproject, maar het komt er dichtbij. De schotels voor dit instrument worden momenteel gebouwd in de Atacama-woestijn in het noorden van Chili, op een hoogte van vijf kilometer: je zou het dus bijna een ruimtemissie kunnen noemen!

Niet zo, maar zó! Ook met SWS ging wel eens wat mis. Een van de allereerste dingen die gedaan moeten worden om met een instrument als dit te kunnen waarnemen, is het bepalen waar de openingen in het brandvlak van de ISOtelescoop precies zitten. Hiertoe werd ruim twee weken na de lancering een speciale meting geprogrammeerd, waarbij de middelste SWS-apertuur volgens een rasterpatroon de hemel zou scannen. Het idee was dat de positie van maximumintensiteit in het raster de precieze locatie van de SWS apertuur in het brandvlak zou definiëren. Als het instrument goed uitgelijnd was, zou die piek precies in het midden van het raster moeten vallen, maar in verband met mogelijke uitlijnfouten werd een afwijking van een paar boogseconde niet onwaarschijnlijk geacht. Op 4 december 1995, ‘s avonds laat, was het zover: de SWS brandvlakgeometrie zou uitgemeten worden. Dit was – uiteraard – ook de ’first light’-meting voor SWS en daarom dubbel spannend. Het hele SWS-team was aanwezig en er werd onderling flink gewed hoe groot c.q. hoe klein de afwijking zou zijn. Helaas na een half uur – het moment dat bij goede uitlijning het punt met maximumintensiteit bereikt zou moeten zijn – nog steeds geen signaal… Wat erger was, een half uur later, aan het eind van de meting, hadden we nog steeds niets gezien… Enigszins ongerust besloten we de volgende nacht de meting te herhalen, maar dan met een groter raster: ‘de uitlijnfout is kennelijk groter dan we verwacht hadden…’. De volgende nacht, een groter raster, wat uiteraard langer duurde. Ook nu werd er gewed, zij het met iets minder zelfvertrouwen, maar ook nu bleef het gehoopte signaal uit. Er waren verschillende, allemaal even desastreuze, verklaringen mogelijk: 1) de afwijking is veel groter dan verwacht, mogelijk is er iets verschoven bij de lancering, 2) de sluiter zit vast in de dichte stand, 3) de detector werkt toch niet… en ga zo maar door. Allemaal heel onheilspellend, want bij geen van die verklaringen hadden we enig idee wat te doen om SWS weer aan de praat te krijgen.

Ver na middernacht, na veel heen en weer gefilosofeer over wat er precies gebeurd kon zijn, stond één van de ESA-mensen op, en kwam even later terug met een héél oud plaatje van wat hij dacht dat de brandvlakgeometrie van SWS moest zijn… ‘Is het zó?’ (Figuur Links). Een zucht van verlichting ging door het SWS-team ‘Neeee, het is zó!’ (Figuur rechts). Het bleek dat de satelliet gericht werd alsof de drie SWS-aperturen op een cirkel lagen, in plaats van op een rechte lijn: we keken 1,5 boogminuut te ver omhoog! Snel een nieuwe meting voor de volgende nacht plannen, en bijkomen van de spanning. In de derde nacht werd het lange wachten beloond; midden in het raster begon een signaal van de detector te komen, eindelijk het eerste licht van SWS. Apertuur 2 zat precies waar wij hem verwachtten. ESA had een tekeningetje verkeerd geïnterpreteerd. Een correctie was makkelijk aangebracht en daarmee lag de weg helemaal open voor het succes dat SWS uiteindelijk is geworden.

Dit artikel is een publicatie van Zenit.
© Zenit, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2004

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.