R - Eerste warmtekaart - SRON Netherlands Institute for Space Research

IRAS: Eerste warmtekaart van de hemel

Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missie in het kort

De eerste plannen voor een infraroodsatelliet bestaan al voordat de Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS) wordt gelanceerd. Jan Borgman realiseert zich dat er voor het optisch sterrenkundig onderzoek in Groningen eigenlijk geen toekomst meer is. Maar wel in andere golflengtegebieden, zoals het ultraviolet en het infrarood. Om de bestaande kennis uit zichtbaar licht te laten aansluiten bij wat in deze andere golflengtegebieden wordt ontdekt, zou er zowel in het infrarood als het ultraviolet éérst een algemeen overzicht van de hemel moeten worden gemaakt, een survey. Voor het infrarood, weet Borgman, zal dat niet eenvoudig zijn. Je moet de telescoop koelen tot vlak boven het absolute nulpunt om te voorkomen dat de detectoren alleen de straling van de telescoop zelf zullen zien. Hij ziet in dat er sterke technische ondersteuning nodig is voor dit project en zoekt contact met TNO in Rijswijk. Daar wordt Reinder van Duinen aangesteld als projectleider en Borgman zelf wordt Project Scientist. Wat later zal Harm Habing de rol van Principal Investigator toebedeeld krijgen. Over Harm Habing is onder de categorie Onderzoekers een apart venster opgenomen.

In 1973 ligt er een conceptplan. Bovendien wordt samenwerking gezocht met de Amerikanen. Ball Aerospace heeft inmiddels ervaring opgedaan met de vereiste cryogene koeltechnieken. Later worden ook de Britten bij het project betrokken. Eind 1978 besluit het kabinet de InfraRood Astronomische Satelliet (IRAS) financieel te steunen. De satelliet wordt gebouwd onder aannemerschap van Ball Aerospace, Fokker Space en Hollandse Signaalapparaten. De coördinatie is in handen van het NIVR, het (toenmalige) Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart. De ruim 1000 kilo zware satelliet wordt op 26 januari 1983 gelanceerd vanaf de Amerikaanse basis Vandenberg met een Thor Delta-raket. De missieduur wordt vooral bepaald door het verdampen van het vloeibare helium, nodig om de telescoop en de instrumenten te koelen. Uiteindelijk blijft de satelliet 10 maanden operationeel. Hij draait in een lage omloopbaan om de aarde met een omlooptijd van 100 minuten, zodanig dat de zon steeds ‘van opzij’ op het vaste zonnepaneel (voor de stroomvoorziening) blijft schijnen.

De telescoop heeft een opening van 57 cm. Dat is vrij klein naar de huidige maatstaven maar voldoende om de primaire opdracht te vervullen: het maken van een warmtekaart van de hemel. Het Amerikaanse hoofdinstrument voor de survey bestaat uit 62 detectoren die samen in vier golflengtegebieden metingen doen in het infrarood.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: Nederlands instrument{end-link}Het Nederlandse instrument, Dutch Additional Experiment (DAX), is het resultaat van het Laboratorium voor Ruimteonderzoek Groningen (nu SRON Groningen), Hollandse Signaalapparaten en de Technisch Physische Dienst van TNO. Het omvat drie delen. De Low Resolution Spectrometer maakt infraroodspectra tussen 7,5 en 23,5 micrometer. Het Chopped Photometric Channel meet stralingsintensiteit tussen 50 en 100 micrometer. En het Short Wave Channel doet hetzelfde bij ongeveer 6 micrometer. {end-tooltip}

Belangrijkste resultaten

De IRAS-missie is een groot succes en de telescoop doet het beter dan verwacht. Er wordt inderdaad een nagenoeg volledige warmtekaart van de hemel gemaakt bij verschillende infraroodgolflengten. Er staan meer dan 250.000 infraroodbronnen op waarvan het merendeel nog nooit is gezien. Van veel bronnen levert het Nederlandse instrument ook het spectrum, zodat ook de aard van die bronnen kan worden vastgesteld. Zo blijken 20.000 bronnen samen te hangen met gas- en stofwolken in het Melkwegstelsel, waar sterren worden gevormd, en met zogeheten planetaire nevels. Die markeren een eindfase in de levensloop van lichte sterren zoals de zon. Veel puntbronnen blijken sterren te zijn, vaak heel erg jong en nog verborgen in een soort ‘cocon’ van de gas- en stofnevel waaruit ze kortgeleden zijn ontstaan. Het warme stof veroorzaakt de infraroodstraling. In zichtbaar licht zijn de sterren (nog) niet te zien. Maar er zijn ook puntbronnen die samenvallen met juist heel oude sterren. Zij staan als het ware te ‘walmen’ en produceren veel stof, dat ook weer infraroodstraling uitzendt omdat het door de ster wordt verwarmd. Later, met gedetailleerd spectroscopisch onderzoek van ESA’s Infrared Space Observatory (ISO) blijkt dat in de grote gas- en stofwolken soms ook ingewikkelde organische moleculen voorkomen. Deze moleculen ontstaan in dichte, koele gaswolken waarbij de stofdeeltjes een belangrijke ‘katalysator’ blijken te zijn.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: andere ontdekkingen van IRAS{end-link}IRAS ziet ook nog zo’n 20.000 sterrenstelsels. Sommige staan dichtbij maar anderen vallen samen met quasars. Dat zijn actieve kernen van melkwegstelsels die over het algemeen miljarden lichtjaren ver weg staan. Ze behoren tot de ‘bevolking’ (populatie) van het vroegere heelal. Sommige sterrenstelsels stralen meer dan 80% van hun totale stralingsenergie uit in het infrarood..

Een grote verrassing is de ontdekking van stofschijven rondom gewone sterren. De stofhoeveelheden zijn er enorm, tenminste, zolang de sterren net ouder zijn dan een half miljard jaar. Het vermoeden rijst dat deze schijven te maken hebben met planetenstelsels in wording. Inmiddels is duidelijk dat deze ontdekking een belangrijke aanzet is geweest tot het daadwerkelijk ontdekken en onderzoeken van zogeheten exoplaneten. De schijven hangen inderdaad samen met planeetvorming; inmiddels zijn enkele honderden planeetstelsels bij andere sterren dan de zon ontdekt..

Verder ontdekt IRAS (bij toeval) zes nieuwe kometen en drie nieuwe planetoïden, waaronder Phaeton die wordt gezien als de bron van de jaarlijks in december terugkerende ‘regen’ van vallende sterren: de Geminiden.{end-tooltip}

Voortgezet onderzoek

Een directe opvolger van IRAS is het ESA-project Infrared Space Observatory (ISO). Deze satelliet vliegt 12 jaar na IRAS. ISO maakt geen overzichtskaart maar legt zich toe op het in detail bestuderen van bronnen die IRAS heeft ontdekt. Daaronder bevinden zich de moleculaire wolken, planetaire nevels, jonge- en oude sterren en natuurlijk melkwegstelsels. Nederland heeft een zware inbreng. Thijs de Graauw (SRON Groningen) wordt Principal Investigator en Harm Habing Mission Scientist. Over beiden is onder de categorie Onderzoekers een apart venster opgenomen. Nederland levert voor ISO een detectiesysteem voor korte golflengten waarmee spectra worden verkregen. Het instrument, om te bouwen een klus van 400 werkjaren, onderzoekt tot in detail de moleculaire samenstelling van stervormingsgebieden.

Een van de belangrijkste recente opvolgers van de ‘IRAS-lijn’ is de Amerikaanse Spitzer Space Telescope. Het is een 85 cm telescoop die op een ‘vast punt’ staat, ongeveer een miljoen km van de aarde. Met dit instrument zijn zeer gedetailleerde infraroodwaarnemingen gedaan van 2003 tot 2008. Daarmee is onder andere de astrochemie in een ware stroomversnelling terechtgekomen.

Bijzonder is ook de missie van de Japanse infraroodsatelliet AKARI. Bijna 20 jaar na IRAS maakte deze telescoop opnieuw een survey van de infraroodhemel, maar nu met een veel betere scherpte, tot wel 1000 maal beter. Daarmee is dit de nieuwe ‘referentiecatalogus’ geworden in de infraroodsterrenkunde.

In veel opzichten is ook ESA’s Herschel-telescoop een verre nazaat van het onderzoek dat met IRAS is gestart. Deze ruimtetelescoop kijkt in het verre infrarood en bij submillimetergolflengten. De metingen verrijken onder andere de inzichten over moleculair-chemische processen die zich in het heelal afspelen. Over het Nederlandse instrument aan boord van Herschel (HIFI) is onder de categorie Experimenten een apart venster opgenomen. Onder de categorie Technologieën wordt in het venster Heterodyne Techniek dieper op het werkingsprincipe van HIFI ingegaan.