SRON - WFC

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Tuesday May 30th, 2023

WFC: Groothoekcamera voor de röntgensatelliet BeppoSAX

De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links

De uitdaging

De allereerste röntgenexperimenten aan boord van raketten en later satellieten laten zien dat de zon een variabele bron van röntgenstraling is. Met onder andere het HXIS-experiment in de NASA-satelliet Solar Max (zie het aparte venster) stellen onderzoekers vast dat deze röntgenstraling samenhangt met explosieve verschijnselen, zoals zonnevlammen. Aangezien de zon in veel opzichten een gemiddelde ster is, kun je verwachten dat ook andere sterren dergelijke variabele röntgenstraling uitzenden. Satellieten als de Astronomische Nederlandse Satelliet laten zien dat dit het geval is. Er blijken veel sterkere sterrenvlammen voor te komen dan dat de zon produceert. Maar er zijn ook variabele röntgenbronnen van een heel andere karakter. Sommigen vertonen periodiciteit en dat duidt er op dat ze deel uit maken van een dubbelstersysteem. Weer andere blijken, voor zo ver bekend, eenmalig of op zijn minst met zeer grote tussenpozen een enorme uitbarsting te vertonen. En dan zijn er ook röntgenbronnen die min of meer continu zichtbaar zijn.
Lees meer: röntgenbronnenAl snel wordt duidelijk dat de röntgenhemel een enorme variatie in bronnen vertoont en dat er verschillende processen werkzaam zijn die deze straling opwekken. Röntgenbronnen kunnen samenhangen met zware zwarte gaten in kernen van sterrenstelsels, maar ook met stellaire zwarte gaten in dubbelsystemen. Ook supernovaresten produceren röntgenstraling, en onder bijzondere omstandigheden doen uitgebrande sterresten als neutronensterren (pulsars) en witte dwergen dat ook. Zeker als ze deel uit maken van een dubbelsysteem. Materie van de begeleidende gewone ster wordt samengedrukt in een sneldraaiende schijf om het compacte object en raakt zo verhit dat het röntgenstraling uitzendt. Uit de schijf lekt materie naar beneden en soms zijn de plekken waar die stromen het compacte object raken, te herkennen als een ‘hot spot’. En ja, dan zijn er ook de ‘gewone’ sterren. Sommige typen produceren krachtige stervlammen, of bezitten een superhete ijle atmosfeer (corona) die röntgenstraling uitzendt.

De röntgenstraling geeft veel informatie prijs, via het spectrum en de tijdsvariaties. Maar vaak is dat onvoldoende om het object helemaal te kunnen doorgronden. Je hebt dan ook waarnemingen nodig bij andere golflengten, zoals zichtbaar licht en infrarood. De oplossing daarvoor lijkt simpel: gebruik andere aardse of ruimtetelescopen en richt die op het object. Toch zit daar nu juist het probleem, want waar precies moet je kijken? Röntgentelescopen, zeker die uit de jaren 80 en 90 van de vorige eeuw, hebben geen scherp afbeeldend vermogen. Ze maken ruwe afbeeldingen en in het betreffende hemelveld kunnen wel duizenden sterren en andere objecten staan. Welke is de röntgenbron?

Er is behoefte aan een scherp afbeeldend röntgensysteem waarmee de positie van bekende bronnen nauwkeurig kan worden bepaald. En bovendien is het gewenst dat de hele hemel systematisch wordt onderzocht op het voorkomen van de verschillende typen röntgenbronnen. Een stapje verder en je zou zo’n systeem ook kunnen gebruiken als alarmeringssysteem. Als je een röntgenuitbarsting ziet kun je de hemelcoördinaten doorseinen zodat je met bijvoorbeeld in zichtbaar licht vanaf de aarde (of met een andere ruimtetelescoop) kunt nagaan of de bron ook in andere golflengten te zien is.

Om al deze redenen lijkt de ideale oplossing een systeem van groethoek röntgencamera’s die periodiek de hele hemel afspeuren. Met het grote beeldveld is de trefkans op variabele bronnen groot. Maar hoe maak je een groothoek röntgencamera die ook nog eens gedetailleerd de hemelpositie vastlegt?

De oplossing

Nederlandse onderzoekers ontwikkelen een idee: de Timing Imaging X-ray Transient Experiment (TIXTE). Ze willen dit experiment graag uitbouwen tot de derde nationale satelliet, na ANS en IRAS. Maar de Nederlandse industrie verliest de belangstelling. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA ziet echter grote mogelijkheden en vraagt het idee verder te ontwikkelen. TIXTE, inmiddels omgedoopt tot X80, zit in een competitie met andere voorstellen en … haalt het niet. Andere experimenten gaan voor. Toch komt het project van de grond, via een onverwachte wending.

In het Laboratorium voor Ruimteonderzoek in Utrecht (later SRON) wordt op basis van de TIXTE-plannen een concept ontwikkeld voor een groothoek röntgencamera. Het principe is gebaseerd op de lensloze gaatjescamera. Als je aan de voorkant van een dichte schoenendoos een klein gaatje prikt, en de achterkant vervangt door kalkpapier, dan is op dat papier een gespiegelde afbeelding van de werkelijkheid te zien. Hoe kleiner het gaatje, hoe scherper de afbeelding maar ook hoe lichtzwakker het beeld is. Een groothoek röntgencamera met één gaatje als opening heeft dus wel een scherp en groot beeld, maar je ziet vrijwel niets omdat er weinig fotonen door dat ene gaatje gaan. Dus… voorziet het concept in heel veel gaatjes, wel tienduizenden. De voorkant van de camera bestaat daarom uit een gaatjesmasker.
Lees meer: gaatjesmaskerEen röntgenpuntbron zal een schaduw van het gaatjespatroon op het detectorvlak projecteren. Uit de ligging van die schaduw over de detectoren kun je de positie van de puntbron terugrekenen. Er zit echter wel een adder onder het gras. Want als het gaatjespatroon regelmaat vertoont, komt er uit die berekening een aantal oplossingen. En dan weet je nog niet waar de bron staat. Daarom moet het gaatjes patroon volledig onregelmatig zijn want alleen dan is er echt maar één positie die past bij het schaduwpatroon. Overigens moet je de kenmerken van dat gaatjesmasker natuurlijk wel exact weten en invoeren in de berekening.

De afmeting van de gaatjes is ook belangrijk. Zoals al gezegd: grotere gaatjes betekent dat je meer röntgenstraling kunt meten en dus ook zwakkere bronnen ‘ziet’. Maar de keerzijde is dat het schaduwpatroon vervaagt en dat de meting van de hemelpositie onnauwkeurig wordt. In het Utrechtse concept wordt het compromis bepaald op gaatjes van een vierkante millimeter.

Er komt geen derde nationale satelliet om het experiment een plaats in te geven, maar wel een toevallige samenloop van omstandigheden die uitmondt in een mooie kans. De goede contacten tussen de Utrechtse ruimteonderzoeker Kees de Jager en Roald Sagdeev van de Russische Academie van Wetenschappen leiden tot de mogelijkheid om één exemplaar van de camera te bouwen en te laten meevliegen aan de buitenkant van de module Kvant, bestemd voor het Russische ruimtestation Mir. De camera (Coded Mask Imaging Spectrometer, COMIS) zou een geweldige ervaring kunnen opbrengen, ook al was van te voren bekend dat de wetenschappelijke oogst niet zo groot zou zijn. Immers, om COMIS te richten zou het hele ruimtestation moeten draaien, iets dat lang niet altijd mogelijk is. En verder vormt een bemand station geen stabiel platform vanwege de activiteiten binnen.
Lees meer: COMISCOMIS wordt gebouwd met een zeer klein budget en maakt voor de behuizing gebruik van de lege huls van een overbodig geworden Britse koude-oorlograket. Op 12 april 1987 vindt de lancering plaats. Toevallig is kort daarvoor een zware ster ontploft in de Grote Magelhaense Wolk en deze supernova is een van de eerste doelen voor COMIS. De camera blijkt goed te werken en verschillende andere röntgenbronnen worden vastgelegd. Helaas gaat in augustus een deel van de elektronica kapot. Bij de tweede poging tijdens een ruimtewandeling, bijna een jaar later, slagen kosmonauten er in de elektronica te vervangen. COMIS werkt tot 1992 en brengt 65 röntgenbronnen in beeld. Vier ervan zijn nog nimmer opgemerkt.

COMIS geldt ook als wegbereider voor het eigenlijke werk. Italië werkt aan een nationale satelliet en komt met Nederland overeen om het eerdere TIXTE-idee te realiseren. Er moeten twee exemplaren van een Wide Field Camera (WFC) worden gebouwd voor plaatsing aan boord van de Satellite per Astronomia a Raggi X, later omgedoopt tot BeppoSAX.
Lees meer: groothoekcamera'sElke camera krijgt een beeldveld van 40 bij 40 graden. De brutoafmeting moet beperkt blijven tot 40 bij 40 bij 90 centimeter en de massa mag maximaal 40 kilogram zijn. Aan de voorzijde bevindt zich het gaatjesmasker met 20 000 gaatjes, gemaakt van 0,1 mm dik roestvrij staal met een dun laagje goud zodat het maskermateriaal ondoordringbaar is voor de meeste röntgenfotonen. De camera is gevoelig voor röntgenstraling met een energie tussen 2 000 en 30 000 elektronvolt (2 – 30 keV). De detectoren, met een effectief oppervlak van 25 x 25 centimeter (even groot als de afmetingen van het masker) bestaan uit gas-gevulde veel-draden kamers (zie het aparte venster). Voor het gas wordt een mengsel gebruikt van xenon (92%), helium (1%) kooldioxide (5%). In de detector bevinden zich enkele frames met honderden dunne draadjes van wolfram. Het bouwen en ijken van deze detectoren blijkt een van de lastigste onderdelen van het project.

De druk op het project neemt toe als een tot dan toe onbekend type röntgenbron wordt ontdekt. Met het Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) van NASA worden geheimzinnige flitsen in gammastraling gemeten en is een globale hemelpositie bekend. Oorspronkelijk zijn de flitsen ontdekt door de Amerikaanse Vela-satellieten die op aarde speurden naar bewijs voor proeven met kernbommen door andere naties. De gammaflitsen moeten afkomstig zijn van onvoorstelbaar zware explosies maar niemand heeft een idee wat voor objecten dit zijn. CGRO kan onvoldoende scherp kijken om de bron op andere golflengten ook te identificeren. Toevallig ontdekt een Japanse satelliet (Ginga) dat bij een bepaalde gammaflits ook een röntgenuitbarsting te zien is. Stel eens dat je met een röntgencamera die positie wel nauwkeurig kan vastleggen? Als dat lukt kun je in bijvoorbeeld zichtbaar licht ook naar de bron zoeken en misschien een spectrum opnemen waarin spectraallijnen voorkomen. Aan de hand daarvan kan de afstand worden bepaald. Zou het gaan om objecten in het Melkwegstelsel? Of zijn het bronnen in verre sterrenstelsels?

Berekeningen wijzen uit dat deze flitsen binnen het bereik van de WFC’s kunnen worden gebracht, dankzij het grote beeldveld. Bij COMIS is het beeldveld 16 x 16 graden maar eigenlijk is daarvan alleen het binnenste gebied van 8 x 8 graden te gebruiken. Het grote beeldveld heeft overigens een nadeel: je verzamelt ook meer van de diffuse röntgenstraling, afkomstig van ijl heet gas. Dat maakt het lastiger om bronnen in de ruis te herkennen. De gammaflitsen zou je wel zien, maar het realiseren van de oorspronkelijke TIXTE-doelstellingen kan onder druk komen te staan. Op 30 april 1996 vertrekt BeppoSAX naar de ruimte voor een operationele periode van zes jaar. De WFC’s doen het uitstekend en in twee weken tijd verzamelen ze meer gegevens dan gedurende de hele COMIS-missie.
Lees meer: WFC-resultatenEr worden in de loop der tijd duizenden röntgenuitbarstingen gemeten en gecatalogiseerd. Sommige explosies vertegenwoordigen een zeer zeldzaam verschijnsel: explosies in een neutronenster, in plaats van aan het oppervlak. En ja, er worden talloze dubbelsystemen ontdekt, evenals sterren met zware sterrenvlammen en hete corona’s. Het hoek-scheidend vermogen van de WFC’s is drie boogminuten, wat overeenkomt met een tiende van de diameter van de volle maan aan de hemel. Dat blijkt voldoende om optische telescopen op de grond in staat te stellen de bronnen te identificeren.
Op 20 juli 1996 wordt de eerste gammaflits waargenomen. Maar het verwerken en analyseren van de gegevens duurt lang. Pas een maand later kunnen optische telescopen op de bewuste plek worden gericht maar het eventuele nagloeien van de bron is dan al lang voorbij. Nederlandse wetenschappers zetten alles op alles om de verwerking sneller te laten verlopen. En dat lukt. Op 28 februari 1997 is het weer raak en acht uur na de gamma-explosie ziet BeppoSAX de bron in röntgenstraling. Jan van Paradijs weet na veel debat over eigendomsrechten met de Italianen de positie los te peuteren en waarschuwt John Telting die op dat moment waarneemt met de grote William Herschel Telescope op het eiland La Palma. Vlak voordat de hemelpositie onder de horizon verdwijnt maakt hij een geslaagde opname. Er staan duizenden lichtpuntjes in beeld. Welke zou het zijn? Geplaagd door bewolking en slecht weer lukt het pas acht dagen later weer een opname te maken van het hemelgebied. Paul Groot en Titus Galama vergelijken beide opnamen minutieus. En … inderdaad, er is één bron die tien keer zwakker is geworden op de tweede opname.
Onmiddellijk richten de grootste telescopen op aarde zich op dit object. Uit opnamen van de ESO in Chili en met de Keck Telescope op Hawaii blijkt dat het om een ver verwijderd sterrenstelsel gaat. Gammaflitsers staan op enorme afstanden in de ruimte en zijn dus inderdaad onvoorstelbaar krachtige explosies. Er volgen meer gammaflitsen en men slaagt er in spectra op te nemen. Dat levert het sluitende bewijs: afstanden van miljarden lichtjaren. Later wordt ontdekt dat er verschillende typen flitsen bestaan, behorende bij explosies van zeer zware sterren en exploderende compacte objecten.

Verdere ontwikkeling

Zowel op het vlak van het maken van röntgeninventarisaties van hemelbronnen, als van het bestuderen van gammaflitsen volgt er na BeppoSAX een intrigerende ontwikkeling. Hoewel Nederland niet direct deelneemt in deze missies met hardware als detectoren of spectrometers, zijn Nederlandse onderzoekers vaak wel betrokken bij de analyse van de metingen. Enkele belangrijke (operationele) missies die voortbouwen op het baanbrekende werk van BeppoSax zijn de volgende.