O - Boudewijn Swanenburg - SRON Netherlands Institute for Space Research

Boudewijn Swanenburg (1941): Drijvende kracht achter detectie kosmische straling en gammastraling

Onderscheid
Belangrijkste bijdragen
Opmerkelijk
Links

Onderscheid

Dr. Boudewijn N. Swanenburg heeft een achtergrond in natuurkunde (Leiden) en promoveert bij Henk van de Hulst in 1971. Hij geldt als de drijvende kracht achter een reeks van ruimteonderzoeksprojecten die zich richten op het detecteren van kosmische straling en gammastraling. Samen met Johan Bleeker krijgt hij in de jaren zestig van de vorige eeuw de vraag voorgelegd hoe detectoren die in Delft worden gebruikt voor metingen aan snelle elektronen, in de ruimte kunnen worden toegepast; het leidt tot betrokkenheid bij verschillende ballonexperimenten. Het principe van de vonkenkamer – een met gas gevulde detector waarin snelle elektronen een ionisatiespoor veroorzaken dat via een stroompulsje wordt gemeten – wordt verwerkt in experimenten die in de gondel van een ballon worden geplaatst. Deze ballon stijgt tot ver in de stratosfeer (tot zo’n 40 km hoogte) waar de omstandigheden al zo sterk lijken op de ‘echte ruimte’ dat apparatuur daar goed kan worden beproefd.

Later is Boudewijn Swanenburg betrokken bij de elektronendetector aan boord van de Amerikaanse OGO-5 satelliet, bij de Europese COS-B en bij het Compton Gamma Ray Observatory van NASA. Hij werkt ook mee aan de voorstudie van de Astronomische Nederlandse Satelliet(ANS). Hij is van 1983 tot 1993 directeur van het Leidse Laboratorium voor Ruimteonderzoek, voortgekomen uit de vroegere Werkroep Kosmische Straling. Dit Laboratorium is nu een onderdeel van SRON. Als projectleider probeert hij de missies – wetenschappelijk gezien – uit te persen zodat de opbrengst maximaal is. Hij heeft over zowel de wetenschappelijke context als de techniek een encyclopedische kennis en leidt de projecten zodanig dat alle details voldoende aandacht krijgen. Tijdens de missie mogen er, wat de techniek aangaat, geen verrassingen optreden. Met deelname aan een reeks van missies opent Boudewijn Swanenburg het gammastralings ‘venster’ op het heelal. Dat geeft veel inzicht in de extreme omstandigheden die zich in het heelal voordoen, zoals sterexplosies en verschijnselen die zich afspelen in de nabijheid van neutronensterren en (zware) zwarte gaten in het Melkwegstelsel. Maar ook rond actieve kernen in andere sterrenstelsels, waar supermassieve zwarte gaten de omgeving domineren, en bij het exploderen van zware sterren waarbij neutronensterren of zwarte gaten ontstaan terwijl krachtige gammaflitsen worden uitgezonden.

Belangrijkste bijdragen

Boudewijn Swanenburg speelt een kernrol in tenminste drie belangrijke projecten:

OGO-5 (1968) – Experiment om elektronen in de kosmische straling te meten met de Orbiting Geophysical Satellite 5.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}De elektronen hebben een energie van 0,5 tot enkele GeV (miljard elektronvolt). De detectoren worden vooraf zo goed mogelijk beproefd bij aardse deeltjesversnellers en via stratosferische ballonvluchten. Het experiment markeert ook het eerste gebruik van integrated circuits in een ruimtemissie. Conform de filosofie van Tanaka, een Japans astrofysicus die door Jan Oort naar Nederland wordt gehaald om het kosmische stralingsonderzoek een impuls te geven, wordt het experiment door de industrie gebouwd (Ball Brothers Inc). Boudewijn Swanenburg is verantwoordelijk voor de opzet en realisatie en promoveert later op de resultaten van het experiment.{end-tooltip}
COS-B – ESRO/ESA-missie voor het in kaart brengen van de hemel bij gammastraling (1975 – 1982).
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}De detector is gevoelig voor gammastraling met een energie tussen 30 MeV (miljoen elektronvolt) en 10 GeV (miljard elektronvolt) en heeft een hoekscheidend vermogen van 2 graden aan de hemel, ongeveer vier keer de diameter van de maan. Daarmee kijkt het instrument veel minder scherp dan het menselijk oog maar het is goed genoeg om belangrijke ontdekkingen te doen. De satelliet maakt een complete kaart in gammastraling en daarop is goed de diffuse achtergrondstraling van de Melkweg te zien. Dit resultaat wordt min of meer verwacht maar spectaculair is de ontdekking van een 25 tal aparte gammabronnen. De lijst wordt gepubliceerd onder leiding van Boudewijn Swanenburg. In de Melkweg blijken neutronensterren aparte bronnen van gammastraling te zijn, maar de aard van de meeste bronnen is op dat moment nog onduidelijk. Verrassend is dat de helderste gammabron overeenkomt met een ver weg gelegen sterrenstelsel: 3C273 op 2,5 miljard lichtjaar afstand. Het heeft een actieve kern waarin een super zwaar zwart gat klaarblijkelijk voor een onvoorstelbare energieproductie zorgt. Deze ontdekking zorgt voor extra argumentatie voor NASA om een opvolger van COS-B te bouwen (Compton Gamma Ray Observatory) die gevoeliger is en scherper kan kijken. Zouden er meer gammabronnen buiten het Melkwegstelsel liggen?{end-tooltip}
CGRO (Compoton Gamma Ray Observatory) – NASA-missie voor gedetailleerd onderzoek van gammabronnen (1991 – 2000).
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Deze 17 ton zware satelliet heeft de afmeting van een touringcar en biedt plaats aan vier gamma-experimenten. Een daarvan wordt mede vanuit Nederland ontwikkeld onder leiding van Boudewijn Swanenburg. Hij is dan ook een van de Principal Investigators op dit experiment. Dit instrument, COMPTEL geheten, is gevoelig voor ‘zachte’ gammastraling in het bereik van 1 tot 30 MeV. Het is een spectraal gebied dat tot dan toe nog nooit is waargenomen. Wetenschappers verwachten dat veel gammabronnen juist hier hun stralingspiek hebben liggen en bovendien bevinden zich in dit bereik emissielijnen van onder andere een aluminium isotoop. Het is een tracer voor jonge supernovaresten omdat dit isotoop bij de sterexplosies vrijkomt en vrij snel in intensiteit afneemt. COMPTEL wordt deels ontwikkeld in Nederland (Werkgroep Kosmische Straling Leiden, later opgegaan in SRON) en blijkt een enorm succes. Het instrument produceert een gedetailleerde hemelkaart in zachte gammastraling. De kaart is een optelsom van de diffuse achtergrondstraling, aparte bronnen en ook de verwachte lijnstraling (aluminium, titanium) van supernovaresten. Het resultaat is belangrijk voor het begrijpen van sterexplosies en de manier waarop dit explosiegas zich mengt met oorspronkelijk waterstofgas. De ervaringen van COS-B en COMPTEL liggen mede aan de basis van de ESA-missie INTEGRAL. Deze missie is sinds de lancering in 2002 nog steeds actief en vormt het belangrijkste gereedschap van het moderne gammastralingsonderzoek. Daarnaast beschikt NASA sinds de lancering op 11 juni 2008 over de Fermi Gamma-ray Space Telescope. Deze ruimtetelescoop maakt een nog betere gammakaart van de hemel en bestudeert tal van verschillende gammebronnen in groot detail.{end-tooltip}

Opmerkelijk

Op jonge leeftijd raakt Boudewijn Swanenburg onder de indruk van de mogelijkheden van ruimtevaart, naar aanleiding van de lancering van de Sputnik-1. Als student volgt hij in Leiden het college Algemene Sterrenkunde, dat wordt gegeven door Henk van de Hulst. Bijna achteloos vraagt hij Van de Hulst of het ook mogelijk is om af te studeren op ruimteonderzoek. Het antwoord luidt direct ‘ja’ hoewel beiden nog geen idee hebben wat zo’n afstudeerrichting zou moeten inhouden. In 1971 promoveert Boudewijn Swanenburg bij Henk van de Hulst op een proefschrift, getiteld Observation of Cosmic Ray Electrons with the OGO-5 satellite.

Terugkijkend op die tijd zegt hij: “De eerste tien, vijftien jaar probeerde je alle kansen die je kreeg te pakken. Of het nu ging om deeltjesonderzoek, of röntgenstraling van de zon, je wilde overal bij zijn. Vaak was er ook een instrumentele drijfveer, met wortels in bestaand Nederlands onderzoek. Zo loopt er een directe lijn van de plasmafysica naar onze participatie in satellieten als ISEE en OGO. Maar omdat je als klein land niet op alle, zich sterk uitbreidende, onderzoekslijnen voorop kunt blijven lopen, moet je keuzes maken. De ‘deeltjeslijn’ werd verlaten.” Later is ook de inzet op de gammalijn verminderd, na de succesvolle projecten van COS-B en COMPTEL. Bij de nog steeds actieve INTEGRAL-satelliet voor gammastraling (ESA) heeft SRON nog een rol als Mission Scientist.

Aan COS-B bewaart Boudewijn Swanenburg goede herinneringen. “Al in 1958 was berekend dat je gammastraling van de Melkweg moest kunnen waarnemen en we wisten ook bij welke energie je dan moest kijken. Dat je gammastraling kon meten, was overigens maar net bekend. De Amerikaanse Explorer 11 had 661 fotonen gemeten en het leek te gaan om 31 samenhangende pulsen. Dit geeft al aan hoe apart deze tak van ruimteonderzoek is: je telt fotonen. Je moet je voorstellen dat bij sterke gammabronnen we met COS-B een paar fotonen per uur ontvangen en bij zwakke misschien een paar per dag. Maar hoe maak je een fotongevoelige detector die ook nog richtinggevoelig is? We wisten dat de vonkenkamer zowel de energie als de herkomstrichting van gammafotonen zou kunnen vastleggen. Inmiddels was bij ESRO het idee ontstaan voor een satelliet die de gammahemel zou moeten verkennen. Die satelliet had een voorloper, TD-1A. Dat was geen succes want die satelliet bleek eigenlijk naar zijn eigen achtergrondstraling te kijken en het vervelende was dat het concept van de nu beoogde nieuwe satelliet vergelijkbaar was. Men heeft toen onze Leidse groep met klem gevraagd om mee te doen, via de contacten van Henk van de Hulst. Zo kwamen we ‘aan boord’ van COS-B. Een unieke situatie omdat ESRO een hele satelliet aan één experiment wilde besteden. Het werd een succes, ook al omdat de satelliet het zeven jaar bleef doen, in plaats van de voorziene één jaar.” Later wordt Boudewijn Swanenburg de eerste auteur van het artikel waarin de COS-B catalogus van gammabronnen wordt gepubliceerd.

En over COMPTEL zegt hij dat het een geweldig lastig experiment was om te maken. “Je moet het signaal goed van de ruis kunnen onderscheiden. Bij COS-B wisten we hoe dat moest vanwege het testen van prototypes aan een stratosferische ballon. Dat was hier niet goed mogelijk. We hebben de ruisonderdrukking en afbeeldingstechniek zo goed mogelijk uitontwikkeld maar de test … was meteen ook de echt vlucht. De kijkopening van het instrument is ongeveer 60 graden en we verwachtten zo’n 20 signalen per seconde te meten. Daarvan zijn er gemiddeld 4 een gammafoton, de rest is ruis van het instrument, van kosmische stralingsdeeltjes, en dergelijke. En van die gammafotonen komt 99% uit de diffuse hemelachtergrond en maar 1% van een echte, discrete gammabron. Gammametingen is dus een kwestie van alles tellen, goed onderscheiden welk signaal waar vandaan komt, en lang kijken naar een bron. En dat alles terwijl je detectoren stabiel blijven en hun gedrag voorspelbaar is.”