Als ze ooit gebouwd worden, zouden röntgeninterferometers een ~10.000 keer betere ruimtelijke resolutie hebben dan zelfs de meest geavanceerde huidige röntgentelescoop. Ze zouden zwarte gaten kunnen afbeelden met een telescoopsysteem dat op één ruimteschip past. En vergeleken met de huidige radiobeelden van zwarte gaten zou dit in een golflengtebereik zijn dat extra informatie bevat over de gewelddadige processen rond deze objecten. Bij SRON werken we aan de eerste stappen op weg naar een röntgen-interferometrie ruimtemissie.
Telescopen combineren
Door meerdere telescopen te combineren kun je een ruimtelijke resolutie verkrijgen alsof het gebied ertussen bedekt wordt door één enorme schotel. Zo’n opstelling wordt een interferometer genoemd. Sommige bronnen aan de hemel zijn zo klein of ver weg dat interferometrie de enige optie is om ruimtelijke informatie op te lossen. Het beroemde beeld van het superzware zwarte gat (SMBH) in sterrenstelsel M87 is bijvoorbeeld gemaakt door een combinatie van radiotelescopen die de hele aarde bestrijken. Met röntgenstraling zouden we interessantere kenmerken zien, omdat röntgenstraling rechtstreeks wordt uitgezonden door heet gas dat een SMBH omgeeft.
Omdat röntgenstraling wordt tegengehouden door de aardse atmosfeer, zou je een röntgeninterferometer in de ruimte moeten bouwen. Bovendien, omdat röntgenstraling een golflengte heeft die 10 miljard keer kleiner is dan de radiogolven waarmee de M87 SMBH werd waargenomen, kan de grootte van de interferometer met dezelfde factor krimpen. Zo’n interferometer zou dus op één ruimteschip passen, zonder dat de ruimtelijke resolutie verloren gaat.
Figuur 1. De waarnemingsrevolutie die XRI zal brengen. a. Werkelijk beeld van M87 door NASA’s Chandra röntgenobservatorium. b. Simulatie van een waarneming met 0,1 mas XRI-resolutie van de M87 SMBH. c. Impressie van een nagalmproces rond een verre SMBH. d. De beroemde röntgenbinaire Cygnus X-1. e. Het oppervlak van een rode dwergster.
Huidige röntgentelescopen
Figuur 1a toont een afbeelding van M87 gemaakt met NASA’s Chandra röntgenobservatorium. Een enkele Chandra-pixel bevat zo’n 5000 x 5000 röntgeninterferometerpixels van 0,1 microboogseconde. Met die resolutie kan de schaduw van de SMBH in het centrum van M87 (figuur 1b) en gewelddadige processen binnen enkele lichtjaren van SMBH’s in verder weg gelegen melkwegstelsels (figuur 1c) worden waargenomen. Ook stellaire compacte objecten in onze eigen Melkweg kunnen worden bestudeerd, bijvoorbeeld het dubbelstersysteem Cygnus X-1, dat een klein zwart gat en een grote, zware ster bevat. De simulatie in figuur 1d toont details zoals de accretieschijf rond het zwarte gat (rechts) en de reflectie en schaduw ervan op het oppervlak van de reuzenster (links).
Basisprincipe
Het fysische basisprincipe achter röntgeninterferometrie is dat van een Michelson interferometer, die twee identieke paden creëert voor een inkomend foton (van links naar rechts, groene en rode bundels, afbeelding 2a). Een foton gedraagt zich op zijn weg door het instrument als een golf en manifesteert zich als een deeltje wanneer het de detector links raakt. Meerdere fotondetecties bouwen een patroon van heldere franjes op bij de detector.
Figuur 2. Het principe van röntgeninterferometrie (links) en het schema van het compacte ’telelens’-ontwerp van Willingale (rechts). De schetsen zijn niet op schaal.
De eerste röntgenfilters werden geproduceerd met een interferometer die lijkt op het schema in figuur 2a. Dat ontwerp leidt echter niet tot een compact en praktisch ruimte-instrument. Het telefoto Willingale ontwerp geschetst in figuur 2b impliceert een lengtevermindering met een factor ~500.
SRON ontwikkelt een testbed voor röntgeninterferometrie
SRON ontwikkelt momenteel een röntgeninterferometrietestbed in samenwerking met de Precision and Microsystems Engineering groep van de Technische Universiteit Delft, met als doel het compacte Willingale ontwerp met spiegeltechnologie van het Nederlandse bedrijf Cosine te demonstreren, als eerste stap in de richting van een röntgeninterferometrie ruimtemissie. Samen met de Universiteit van Amsterdam ontwikkelt SRON een end-to-end simulator om alle aspecten van een wetenschappelijke waarneming met een röntgeninterferometer in de ruimte te bestuderen.
Röntgeninterferometrie heeft een aanbeveling gekregen voor de technologische ontwikkeling van ESA in het kader van het Voyage 2050 programma. SRON gaat samen met het Italiaanse Istituto Nazionale di Fisica Nucleare onderzoeken hoe een röntgeninterferometer in de ruimte gericht kan worden voor de AOCS & Pointing Division van ESA.
