I - ANS - SRON Netherlands Institute for Space Research

ANS: Ultraviolettelescoop uit Groningen naast een röntgentelescoop uit Utrecht

De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links

De uitdaging

Het idee voor een nationale sterrenkundige satelliet ontstaat bij Jan Borgman van de GROC-werkgroep Fotometrie in Groningen. Hij maakt ook de keuze om ultravioletwaarnemingen van sterren te gaan doen, omdat dit aansluit bij de wetenschappelijke expertise die in Groningen aanwezig is. Aanvankelijk ontmoet Borgman scepsis omdat ons land ‘te klein’ zou zijn voor zo’n project waaraan alleen grootmachten zich lijken te wagen. Hij weet uiteindelijk de sterrenkundige gemeenschap achter het idee te krijgen en de vrees weg te nemen dat financiering niet ten koste zou gaan van andere ruimteonderzoek-werkgroepen, in Utrecht en Leiden. De Utrechtse groep, onder leiding van Kees de Jager, ziet de kans schoon om een eigen telescoop aan boord te krijgen. Het project wordt ANS gedoopt: Astronomische Nederlandse Satelliet.

Met hulp van het industrieel consortium Fokker / Philips stelt Borgman de financiering veilig. Samenwerking met de Amerikanen vereist een geweldige lobby maar is noodzakelijk om aan een lanceerraket te komen. Het lukt en de Amerikanen krijgen in ruil daarvoor ruimte voor een eigen instrument. De satelliet behelst een technisch hoogstandje omdat veel methoden en technieken tot dan toe nog niet operationeel zijn gemaakt voor gebruik in de ruimte. Los van eisen aan de instrumenten, worden ook aan de satelliet zelf hoge eisen gesteld. Hij moet om drie assen gestabiliseerd kunnen worden zodat hij langdurig naar een bron kan staren, terwijl hij in een baan om de aarde draait. Fokker ontwikkelt een oplossing met reactiewielen om deze pointing te realiseren. Andere zaken waar oplossingen voor nodig zijn hebben te maken met de vereiste stijfheid van de constructie, de warmtehuishouding en zonnepanelen voor de stroomvoorziening. Onder leiding van het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR) en met een flinke inbreng van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) gaat het consortium met de Groningse en Leidse groep aan de slag. In Utrecht werkt men aan de röntgentelescoop.

De satelliet wordt op 30 augustus 1974 gelanceerd. Niet helemaal succesvol want in plaats van een cirkelvormige baan op 500 km hoogte beschrijft de satelliet een ellips tussen 270 en 1100 km hoogte. De stralingsgordels in het magnetisch veld van de aarde verstoren de metingen en het programma kan slechts vertraagd worden afgewerkt. Het einde van de missie … wordt niet bepaald door technische problemen. De overheid besluit dat de missie lang genoeg heeft geduurd en stopt de financiering. De uitstekend werkende satelliet wordt uitgeschakeld. Zou dat niet zijn gebeurd dan had de ANS ontdekt hoeveel variabele röntgenbronnen er aan de hemel staan.

De oplossing

Hoe verzamel je goede waarnemingen van sterren bij röntgen- en ultravioletstraling? Aan het telescoopsysteem en de detectoren worden andere eisen gesteld dan aan optische telescopen. Dat komt omdat de ‘hardere’ straling andere eigenschappen heeft en een andere wisselwerking heeft met materie, zoals spiegels en lenzen.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Ultravioletstraling is voor het menselijk oog onzichtbaar. De ultravioletfotonen dragen meer energie dan fotonen in zichtbaar licht. Röntgenfotonen dragen nog weer meer energie dan ultravioletfotonen. Maar beiden komen niet door de atmosfeer van de aarde heen. Vanaf het aardoppervlak kun je dus nooit metingen doen aan deze energierijke straling. Vandaar het idee om voor deze waarnemingen een ruimtetelescoop te bouwen. Ultraviolet- en röntgenstraling komen vrij bij extreme processen in het heelal. Veelal gaat het om sterren die veel heter zijn dan de zon, of die omhulsels hebben van ijl gas (‘corona’) met een temperatuur van miljoenen graden. De straling komt ook vrij bij explosies op sterren, en bijvoorbeeld bij het exploderen van zware sterren. Wat het heelal ons zal laten zien bij deze golflengten, is bij het rijpen van het idee nog goeddeels onbekend.{end-tooltip}

In het midden van de satelliet bevindt zich de ultraviolettelescoop. De binnenkomende straling passeert de opening en komt terecht op een spiegel van 22 centimeter doorsnede. De straling wordt, door de vorm van de spiegel, nauwkeurig naar een vangspiegeltje gekaatst dat zich nabij de opening van de telescoop bevindt. Vanaf dat spiegeltje wordt de stralingsbundel verder gefocusseerd en door een gat in de hoofdspiegel gestuurd. Zo kun je een grote telescoop ‘opvouwen’ en in de satelliet laten passen. Via het gat valt de straling in de spectrometer. Die ‘ziet’ steeds een klein beeldveld van 2,5 bij 2,5 boogminuten. Dat is veel kleiner dan de afmeting van de maan aan de hemel, die zo’n 30 boogminuten beslaat. De ultraviolettelescoop wordt gebouwd bij de Werkgroep Fotometrie / het Laboratorium voor Ruimteonderzoek Groningen (nu SRON Groningen).
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Het kleine beeldveld helpt om storende achtergrondstraling te beperken, zodat het echte signaal beter wordt gemeten. In de spectrometer wordt de straling via een tralie uiteengerafeld en naar vijf detectoren geleid. Die meten dus ieder een stukje van het ultravioletspectrum tussen 150 en 300 nanometer. Overigens wordt met een tweede spiegelsysteem het sterbeeld op een camera geprojecteerd, waarvan het beeld gekoppeld is aan het besturingssysteem van de satelliet. De detectoren van de spectrometer bestaan uit fotomultipliers. Binnenkomende ultravioletfotonen ioniseren het gas in de buis en dat veroorzaakt een elektrische stroompje. Aan de optische elementen worden, voor toepassing in ultraviolet licht, extreme eisen gesteld aan de juiste vorm en uitlijning. De kleinste verontreiniging maakt het systeem snel onbruikbaar.{end-tooltip}

De tweede Nederlandse telescoop aan boord van de ANS wordt gebouwd door het Laboratorium voor Ruimteonderzoek in Utrecht (nu SRON Utrecht), en is geschikt voor het meten van röntgenstraling. Hij bestaat uit twee delen. In het eerste deel wordt zachte röntgenstraling gemeten en in het tweede de harde straling, tot 0,5 nanometer golflengte. De derde telescoop van Amerikaanse makelij sluit aan op de metingen van harde röntgenstraling in het Utrechtse experiment. Om richtingsgevoeligheid te krijgen is achterin de telescoop een collimator geplaatst, in de vorm van een honingraatstructuur. Het beeldveld voor de detector bedraagt 90 x 37 boogminuten.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}De detector voor de harde straling bestaat uit een aluminium behuizing, aan de intredekant voor de straling afgedicht met een heel dun laagje titanium. In de detector bevindt zich neon en kooldioxide. Röntgenfotonen kunnen door het titanium heen dringen en veroorzaken in het gas een ionisatie waardoor een stroompulsje ontstaat. De sterkte van de puls is een maat voor de energie (golflengte) van het foton. Met een gasfles wordt weglekkend gas in de detector aangevuld. De detector voor de zachte straling werkt op een zelfde manier maar in plaats van titanium is nu een kunststofvenster gebruikt. Om gasverlies tegen te gaan is het venster klein. Maar dan kun je nog maar weinig röntgenfotonen meten. Om dat aantal te verhogen is het systeem uitgerust met een open paraboolspiegel waarmee scherend invallende fotonen geconcentreerd worden op het venstertje.{end-tooltip}

De wetenschappelijke oogst van de ANS is verbluffend. De ultraviolettelescoop doet meer dan 20.000 metingen aan circa 6.000 objecten. Daaronder bevinden zich hete sterren, koele sterren met een heet gasomhulsel (‘corona’), en sterhopen. Maar er zitten ook heel oude sterren tussen die gas afstoten, en sterren die instabiel zijn en (on)regelmatig in helderheid veranderen. Er worden ook sterrenstelsels gedetecteerd, zoals de nabije stelsels Messier 31 en Messier 33 in respectievelijk de sterrenbeelden Andromeda en Driehoek. Een belangrijke doorbraak is dat er hete sterren bestaan van wel 200.000 graden die hun invloed doen gelden op het gas en stof in hun omgeving.

Ook de röntgentelescoop is succesvol. Er worden heel korte (vijf tot tien seconden) maar krachtige uitbarstingen geregistreerd uit bolvormige sterhopen. Het blijkt te gaan om explosies op het oppervlak van neutronensterren. Ook wordt ontdekt dat, net als de zon, sterren soms stervlammen vertonen. In enkele gevallen zijn die 1000 keer krachtiger dan de zon. De telescoop meet ook straling van heel hete, maar ijle, gasomhulsels van sterren en ziet dat er röntgenstraling komt van het centrum van de Melkweg, van supernovaresten en van sommige witte dwergen.

Verdere ontwikkeling

In veel opzichten legt de ANS de basis voor toekomstige technieken en methoden om energierijke straling uit het heelal te meten, zoals ultraviolet- en röntgenstraling. De open parabolische spiegel constructie treffen we, in veel geavanceerdere vorm, aan bij moderne röntgensatellieten als XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA). De ervaring met detectortechnologie, en allerlei microtechnieken die daarvoor nodig zijn, hebben het pad geëffend voor een reeks van succesvolle instrumenten die in ons land zijn ontwikkeld. Overigens is het niet zo dat alle ervaringen die met de ANS zijn opgedaan, leiden tot onderzoeks- en ontwikkelingslijnen die vandaag zichtbaar zijn. Wat Philips betreft was het satellietavontuur eenmalig, terwijl Fokker bij de tweede satelliet, IRAS, een grote rol bleef spelen. En dat nu nog steeds doet in de vorm Dutch Space, het voormalige Fokker Space and Systems. Ook de onderzoekslijn in de ultravioletsterrenkunde is niet doorgetrokken. Het is een kwestie van keuzes maken en inzetten op de meest kansrijke gebieden. Op alle fronten volop blijven inzetten, is helaas niet realistisch in termen van menskracht en geld.

De prestaties die met de ANS worden geleverd, trekken internationaal de aandacht. Het zet Nederland op de kaart bij de Amerikaanse NASA en bij de Europese ESRO, later ESA. Het is dan ook geen toeval dat in 1980 Nederland prominent participant is in NASA’s Solar Maximum Mission. Ook de deelname in NASA’s Chandra-project en ESA’s XMM-Newton, gaan terug op het aanzien dat al met de ANS werd verworven.