I - EXOSAT - SRON Netherlands Institute for Space Research

EXOSAT: Traliesysteem voor een röntgensatelliet

De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links

De uitdaging

De röntgenstraling uit het heelal is uiterst zwak. Als je bij deze golflengten scherp wilt kijken en spectrale details wilt zien, moet de telescoop een groot fotonverzamelend oppervlak hebben. Een grote kijkeropening dus. Om röntgenstraling ‘uit elkaar te rafelen’ kun je een traliesysteem gebruiken. Dat bestaat uit een groot aantal lijnen. In geval van een tralie waar de straling doorheen valt, zijn dat heel dunne staafjes van een materiaal dat voor röntgenstraling ondoorzichtig is. Bij een reflectietralie zijn het ‘krassen’ in een gespiegeld oppervlak. Achter het tralie ontstaat via interferentie een ‘waaier’ van straling waarin de röntgengolven worden gesorteerd op golflengte: het spectrum. Je ‘diagnostische’ apparatuur waarmee je zo’n spectrum maakt, moet heel efficiënt zijn om elk foton in de juiste richting te sturen, en de detectoren meten idealiter alle individuele fotonen. Moderne röntgentelescopen zijn daarom aan de ene kant reusachtig groot, en leunen aan de andere kant op micro- en nanotechnologie. En dat alles zo robuust uitgevoerd dat de apparatuur het geweld van de lancering overleeft en jarenlang bestand is tegen de invloeden van de ruimte.

Nederland speelt vanaf het begin van het ruimteonderzoek een belangrijk rol in de ontwikkeling van de röntgensterrenkunde. Voor de Amerikaanse Einstein Observatory-missie (1978 – 1981) levert het Utrechtse Laboratorium voor Ruimteonderzoek een zogeheten transmissietralie. Nederland krijgt deze rol toebedeeld omdat het op dat moment als enige in de wereld de technologie beheerst om zo’n instrument te maken. De missie is een succes. Voor de Europese EXOSAT-missie (1983 – 1986) maken de Utrechters wederom de tralies, en legt een Leidse groep zich toe, samen met de industrie, op het maken van het telescoopsysteem. Ook deze missie is een succes.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: EXOSAT{end-link}EXOSAT beweegt zich in een sterk elliptische baan om de aarde, tussen 350 en 191.000 kilometer, waarbij een omloop 90 uur duurt. Deze baan is zo gekozen omdat de satelliet per omloop langere tijd buiten de stralingsgordels in de magnetosfeer verblijft. De satelliet verzamelt 1780 gedetailleerde waarnemingen en levert wetenschappelijk zeer waardevolle informatie op. Tot de objecten waarvan we meer te weten komen, behoren de actieve kernen van sterrenstelsels waar een superzwaar zwart gat energierijke processen aandrijft, de hete buitenste atmosfeer (corona) van sterren, hete uitgebrande resten van sterren (witte dwergen en supernovaresten), uiteraard röntgendubbelsterren waarvoor ook de ANS baanbrekend werk heeft verricht, en veranderlijke sterren die onregelmatige explosies vertonen.{end-tooltip}

De oplossing

EXOSAT krijgt drie instrumenten aan boord. Een daarvan wordt in Nederland gebouwd. Het is een telescoop waarmee röntgenafbeeldingen kunnen worden gemaakt in het energiebereik van 0,05 – 2 kilo elektronvolt, zachte röntgenstraling. Feitelijk bestaat het instrument uit twee telescopen waarbij de straling wordt gefocusseerd door inval onder een kleine hoek aan metalen spiegels. De opening van de telescopen is 30 centimeter en de brandpuntsafstand 110 centimeter.

Er kunnen twee instrumenten in de stralengang worden geplaatst: de Channel Multiplier Array (CMA) en de Position Sensitive Proportional Counter (PSD). Verder kan er een transmissietralie worden geplaatst, de Transmission Grating Spectrometer (TGS) waarvan het spectrum met de CMA wordt vastgelegd. In de ene telescoop heeft het tralie 500 lijnen per millimeter en in de andere 1000. Het golflengtebereik loopt in het eerste geval van 8 tot 400 Ångstrom en in het tweede geval van 8 tot 200 Ångstrom. Er kunnen spectrale details worden gezien van 2 en 1 Ångstrom (een tienmiljardste meter). Met de CMA alleen kan een ruwe vorm van het spectrum worden bepaald, de TGS levert de details. De PSD’s vallen al vroeg in de missie uit en in het najaar van 1983 valt ook een van de CMA’s uit en hapert het mechanisme om de tralies in en uit de stralengang te schuiven. De opgedane ervaring en de bereikte resultaten zijn echter waardevol en effenen het pad naar volgende missies voor röntgensterrenkunde.

Verdere ontwikkeling

Het is met de EXOSAT-missie duidelijk dat röntgentelescopen die scherp kijken en kleine details in de spectra vastleggen, enorm bijdragen aan de kennis over hoge-energieprocessen in het heelal. Je krijgt dan een indruk van de structuur van de röntgenbronnen en hoe ze samenhangen met wat je ziet in andere golflengtegebieden, zoals zichtbaar licht en infrarood. Het spectrum is belangrijk omdat je daarmee informatie krijgt over de processen die de straling veroorzaken, de chemische elementen die erbij betrokken zijn en bijvoorbeeld de temperatuur van heet, ijl gas.

In Amerika worden al vanaf de jaren zeventig van de vorige eeuw grootse plannen gesmeed voor verder röntgenonderzoek. Dat leidt uiteindelijk tot NASA’s Chandra-telescoop, voorheen Advanced X-ray Astrophysics Facility (AXAF) genoemd. Europa ontwikkelt de latere X-ray Multiple Mirror (XMM) Newtontelescoop. Beide telescopen vullen elkaar aan. Chandra heeft een hoge beeldkwaliteit en XMM-Newton heeft het grootste fotonverzamelend oppervlak en maakt de scherpste spectra. En … Nederland is als enig ‘klein’ ruimteonderzoeksland bij beide missies betrokken door het leveren van – overigens verschillende – traliesystemen.