SRON - De oorsprong achterhaald

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

Saturday Apr 01st, 2023

JWST / SPICA / Athena: De oorsprong achterhaald

Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links

Missie in het kort

Ons beeld van de vroegste stadia van het heelal is eigenlijk verrassend simpel. De big bang, of oerknal, bevat in essentie enorme hoeveelheden oerenergie. In een oogwenk wordt dit omgezet in achtereenvolgens 73% ‘donkere energie’ (dat nu voor versnelling van de kosmische expansie zorgt), 23% ‘donkere materie’ (waarvan we niet weten waaruit het bestaat maar waarvan we het zwaartekrachtseffect wel kunnen zien, en nog wat ‘restanten’, samen goed voor 4% van het geheel. Hierin bevindt zich alle waterstof, het kosmische helium, de huidige microgolfachtergrondstraling, de kosmische neutrinoachtergrond, en kleine spoortjes van de elementen lithium, beryllium en borium.
Lees meer: 'vlak' na de oerknal?Het heelal expandeert en koelt af. Na 180 miljoen jaar vormt zich neutraal moleculair waterstof, waaruit de eerste sterren ontstaan. Ze zijn vermoedelijk 30 tot 300 keer zo zwaar als de zon en jagen hun brandstofvoorraad er als een razende doorheen. Na een paar miljoen jaar zijn ze opgebrand. Ze storten waarschijnlijk allemaal in tot zwarte gaten, nadat ze in heftige supernova-explosies hun materiaal in het interstellaire medium hebben geschoten. Het oorspronkelijke waterstof en helium raakt ‘verrijkt’ met de fusieproducten uit de eerste sterren. Latere generaties sterren hebben zo een steeds hoger liggend gehalte aan ‘metalen’. De zwarte gaten trekken op hun beurt gas aan en raken actief. Ze gedragen zich als kleine quasars waarbij hun directe omgeving, waar het materiaal in een schijf ronddraait voordat het in het gat stort, enorme hoeveelheden energie afgeeft. Op de een of andere manier hebben die zwarte gaten ‘elkaar opgezocht’ en ontstaan in korte tijd massieve zwarte gaten met miljoenen zonsmassa’s. Zij vormen de kern van de sterrenstelsels die we zien.

Met het ontstaan van de eerste sterren en de mini-quasars eindigt het tijdperk van bijna 180 miljoen jaar waarin het heelal donker was. Er scheen voor het laatst (zichtbaar) licht toen enkele honderdduizenden jaren na de oerknal het heelal zover was afgekoeld dat protonen en elektronen tot neutrale atomen konden combineren. Op dat moment werd het heelal doorzichtig; voordien verstrooide het geïoniseerde gas (plasma) voortdurend al het licht. Straling en materie ontkoppelden van elkaar en dat moment is de oorsprong van de huidige microgolfachtergrondstraling in het heelal. Maar het ontstaan van de eerste sterren en mini-quasars luidt een nieuwe ionisatieperiode in. Het ultraviolet licht drukt elektronen en protonen in het waterstof van elkaar, met name in de directe omgeving van de lichtbronnen.

Of dit hele beeld klopt? Dat zal moeten blijken uit waarnemingen. Maar die zijn verre van eenvoudig omdat het om informatie gaat uit de allereerste periode van het heelal. Die vinden we terug aan de rand van het waarneembare heelal. Objecten uit die tijd bewegen mee met de expansie van het heelal en hebben, van ons uit gezien, een enorme snelheid die van ons vandaan gericht is. De straling die ze uitzenden, wordt dan ook met een flinke hoeveelheid roodverschuiving ontvangen: hoe meer verschoven, hoe verder weg en hoe verder in het verleden de bron staat. In het algemeen zullen het zichtbaar licht en ultraviolet licht van toen, voor ons hier op aarde sterk naar het infrarood zijn verschoven. Wie dus de vroegste perioden van het heelal wil bestuderen heeft zeer gevoelige infraroodinstrumenten nodig, het liefst gecombineerd met een telescoop die veel straling kan verzamelen. Zulke telescopen vinden we vooral in toekomstige ruimtemissies.
Lees meer: Hubble Ultra Deep FieldDe huidige telescopen dringen eigenlijk niet ver genoeg in het verleden door om de grote vragen te beantwoorden. De verste sterrenstelsels zijn bijvoorbeeld te zien in een van de ‘diepste’ opnamen die met de Hubble-ruimtetelescoop zijn gemaakt (Ultra Deep Field, verkregen met een ‘belichtingstijd’ van ruim 11 dagen!). Deze sterrenstelsels dateren uit een tijd dat het heelal ongeveer 500 miljoen jaar oud is. Maar veel van de processen waar de eerder opgesomde vragen over gaan spelen zich voor die tijd af. Overigens blijken zeer ververwijderde sterrenstelsels soms een ministelsel te zijn. Misschien gaat het om een ‘bouwsteen’ voor de latere grote stelsels zoals we die meer dichtbij zien staan, en bevat het jongste heelal misschien alleen maar kleine sterrenstelseltjes. Als de financiën geen roet in het eten gooien, zal het antwoord op deze vragen worden onderzocht met (tenminste) drie fascinerende toekomstige ruimtemissies.

De James Webb Space Telescope (JWST), genoemd naar een vroegere NASA-directeur, is een project geleid door Amerika (NASA) met belangrijke bijdragen van Europa (ESA) en Canada (via de Canadese ruimtevaartorganisatie CSA). Deze telescoop doet metingen in het nabij- en middeninfrarood en is voorzien van een spiegel met een diameter van 6,5 meter.
Deze reuzespiegel, opgebouwd uit aparte spiegelsegmenten, moet in combinatie met de zeer gevoelige meetinstrumenten in staat zijn om nieuwe ontdekkingen te doen.
Lees meerDe JWST wordt op 1,5 miljoen kilometer van de aarde geplaatst en wordt ‘passief gekoeld’ tot 50 graden boven het absolute nulpunt. Dat gebeurt vooral door een zonnescherm met de afmetingen van een tennisveld. Hij wordt gezien als de opvolger van de succesvolle Hubble-ruimtetelescoop. De lancering via een Europese Ariane-5 raket is, vanwege kostenoverschrijdingen in dit miljardenproject, onzeker maar staat gepland voor 2018. De JWST heeft verschillende instrumenten, waaronder een met een Nederlandse inbreng.

NIRCam, Near Infrared Camera. Dit is de hoofdcamera van de JWST waarmee de ultra diepe velden zullen worden gemaakt. Voor onderzoek aan exoplaneten (die natuurlijk veel dichterbij moeten staan dan de verre sterrenstelsels) is het instrument voorzien van techniek om de heldere moederster af te dekken. NIRSpec, Near Infrared Spectrograph. Dit instrument wordt ook ontwikkeld en gebouwd in Europa (ESA), samen met NASA’s Goddard Spaceflight Center. Het neemt spectra op in het golflengtegebied van 0,6 tot 5 micron en is ontworpen om gelijktijdig het spectrum van 100 uiterst lichtzwakke objecten waar te nemen. Dat moet ook wel want zelfs met de enorme JWST-spiegel zijn ‘belichtingstijden’ van honderden uren nodig om voldoende signaal uit de ruis tevoorschijn te krijgen. Dan is het wel zo efficiënt als je in die tijd meteen informatie over veel objecten kan verzamelen die bij elkaar in het beeldveld staan. FGS-TFI, Fine Guidance Sensor Tunable Filter Imager. Dit instrument kan precisiewaarnemingen doen in verschillende golflengtegebiedjes waarmee onder andere kan worden gekeken naar de bewegingen binnen sterrenstelsels en de vorming van planeten in stof/gasschijven.

De Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA) is een project van de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA met bijdragen uit Europa (ESA). Deze telescoop is ontworpen voor waarnemingen in het middeninfrarood en zal in staat zijn om zeer gedetailleerde spectra op te nemen van zwakke infraroodbronnen. Dat is mogelijk mede door de supergevoelige detectoren die SRON ontwikkelt. De lanceerdatum is nog niet vastgesteld maar zal liggen na 2020. Een van de instrumenten is het SAFARI-instrument. SRON heeft voor dat instrument de rol van Principal Investigator (wetenschappelijk projectleider). SPICA is in verschillende opzichten een kopie van Herschel maar een belangrijk verschil is de koeling van de spiegel tot vlak boven het absolute nulpunt zodat de detectoren geen last meer hebben van de warmtestraling van de telescoop zelf, en dus veel gevoeliger zijn.
Lees meerSPICA zal beschikken over drie instrumenten. SAFARI (SPICA Far Infrared Instrument) heeft een beeldveld van twee bij twee boogminuten aan de hemel en kan met een instelbare, grote precisie spectra opnemen in het golflengtegebied van 30 tot 210 micron. Daarnaast heeft het instrument de mogelijkheid om ‘gewone’ opnamen te maken door de helderheid en positie van bronnen te meten. SAFARI wordt ontwikkeld onder leiding van SRON. MIR Coronograph. Dit instrument is met name geschikt om onderzoek te doen aan de voorlopers van stofschijven waarin planeten ontstaan, en aan planeetvorming zelf. Het instrument kan de storende invloed van de heldere moederster goeddeels uitschakelen. MIR Camera and Spectrometer. Met dit instrument worden metingen gedaan in straling tussen 5 en 38 micron, het middeninfrarood. Er kunnen zowel afbeeldingen worden gemaakt van kleine stukjes van de hemel, als spectra worden opgenomen met een grote mate van detail. Deze spectra kunnen uitwijzen wat de samenstelling is van de eerste stervormingsgebieden en de eerste sterrenstelsels.

De Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (Athena) is voortgekomen uit het vroegere NASA/ESA-plan IXO. Dit project wordt geleid door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. SRON neemt deel in het wetenschappelijke team en wil een bijdrage aan het instrumentarium leveren. Athena is een röntgentelescoop en kan groothoek en gedetailleerde röntgenfoto’s van de hemel maken. Daarnaast kan het röntgenlicht tot in detail worden geanalyseerd via de intensiteit, spectrum, polarisatie en tijdvariaties. Of het project doorgaat is niet zeker omdat het moet concurreren met andere wetenschappelijke missies van ESA. De lanceerdatum ligt in 2020 of later. Naar verwachting zal eind 2011 duidelijk worden of de missie inderdaad doorgaat.
Lees meerAthena zal twintig keer meer röntgenstraling kunnen opvangen dan voorgaande telescopen. Er wordt gedacht aan een telescoopopening van 3,8 meter maar de metalen konische spiegelsets die daarvoor nodig zijn, worden veel te zwaar. Daarom onderzoekt men twee alternatieve technieken. Een daarvan is het maken van spiegels op basis van silicium giettechnieken, de andere is gebaseerd op glas dat uithardt op een mal.

High Time Resolution Spectrometer (HTRS) combineert het maken van gedetailleerde spectra met snelle tellingen, zodat op korte tijdschalen kan worden gekeken naar veranderingen in het röntgenspectrum. Zulke variaties komen voor in de buurt van grote zwarte gaten. X-ray Polarimeter (X-POL) combineert het meten van de polarisatie van röntgenstraling met de mogelijkheid om spectra op te nemen en dat alles met een hoog oplossend vermogen in de tijd. Polarisatie is het verschijnsel dat licht een voorkeursvlak kan hebben waarin het trilt. Normaal gesproken is straling ongepolariseerd maar interacties in de buurt van de gas- en stofschijven, en de materiestromen langs de schijf-as, kunnen polarisatie veroorzaken. Athena zal een van de eerste missies zijn die dit fenomeen bij hoge energie onderzoekt. X-ray Grating Spectrometer (XGS) is een transmissietraliesysteem dat in en uit de lichtweg voor de XMS kan worden geschoven. Samen met bijbehorende detectoren is dit instrument ontworpen voor het registreren van zeer gedetailleerde spectra. Aan de hand daarvan kan de samenstelling van het hete gas bij zwarte gaten en in clusters van sterrenstelsels worden gemeten.

Belangrijkste resultaten

De drie genoemde toekomstige ruimtemissies bedienen uiteraard ook onderzoeksgebieden die niet direct met het vroege heelal te maken hebben, zoals astrochemie in nabije stelsels, details van ster- en planeetvorming en de samenstelling van, en beweging in, het interstellaire gas en stof. Maar wat gaan deze telescopen betekenen voor de vragen over de oorsprong?

De James Webb Space Telescope moet letterlijk de grens verleggen tot waar we kunnen terugkijken in het verleden van het heelal. De JWST zal niet in staat zijn om de eerste sterren in het heelal te zien. Wat wel kan lukken is om de supernova-explosies waar te nemen waarmee deze reuzensterren aan het eind van hun leven exploderen. Hiervoor moet een relatief groot gebied voor lange tijd in de gaten worden gehouden. De schattingen over het aantal van deze explosies loopt uiteen van 1 tot meer dan 100 per vierkante graad per jaar.

De JWST zal ook in staat zijn om de eerste sterrenstelsels te zien, en daarbinnen wellicht sterrenhopen die bestaan uit groepjes van de eerste generatie sterren. Op die manier kan worden nagegaan hoe sterrenstelsels zich vormen, hoe de re-ionisatie van het heelal plaatsvindt en hoe actieve kernen van sterrenstelsels zich ontwikkelen. Met behulp van ultradiepe opnamen kunnen astronomen objecten zien die bestaan in een tijd dat het heelal nog maar 200 miljoen jaar oud is. Verder hopen zij er achter te komen hoe het stervormingsproces in die jonge stelsels verloopt, en hoe stelsels door onderlinge botsingen groter groeien. Om dat alles mogelijk te maken beschikt de JWST over verschillende instrumenten.

De Japanse SPICA-missie (met Europese inbreng) moet in 2018 met een H2A-raket worden gelanceerd vanaf de basis Tanegashima. Het werkterrein voor SPICA is het midden- en verinfrarood met golflengten tussen 5 en 210 micron. In deze straling moeten de sterrenstelsels in het jonge heelal de meeste energie uitzenden en SPICA zal, met een spiegel van 3,5 meter diameter, veel zwakkere stralingsbronnen kunnen zien dan al zijn voorgangers, waaronder ESA’s Herschel-satelliet. Met SPICA is uitstekend na te gaan hoe de intensiteit van de stervorming vanaf het begin is toegenomen om later weer te dalen. Een van de specifieke vragen die SPICA moet beantwoorden, is of er een relatie bestaat tussen de mate van stervorming en de manier waarop de kernen van sterrenstelsels zich ontwikkelen en activiteit vertonen.

In tegenstelling tot de twee andere missies die naar infraroodlicht kijken, richt de ESA-missie Athena zich op röntgenstraling. De telescoop zal met name kijken naar de ontwikkeling van zwarte gaten in kernen van sterrenstelsels. Rond die gaten bevinden zich enorme schijven van gas en stof waarin de materie zich verzamelt voordat het in het gat valt. Daarbij wordt het materiaal sterk op elkaar gedrukt en verhit, waardoor het röntgenstraling uitzendt. Langs de as van de schijf ontstaan nauwe bundels waarlangs materie met vrijwel de lichtsnelheid wordt weggeschoten. Ook dit gaat gepaard met hoge energie, krachtige magneetvelden en intensieve röntgenstraling.

Over de ontwikkeling van zwarte gaten tot miljoenen zonsmassa’s zware exemplaren weten we nog vrijwel niets. Evenmin is bekend wat de invloed is van zo’n gat op de ontwikkeling van het omliggende sterrenstelsel en het verloop van de stervorming. Behalve naar zwarte gaten kijkt Athena ook naar de ontwikkeling van de grote schaalstructuur in het heelal, waarin sterrenstelsels in groepen (clusters) bij elkaar staan en waarbij de clusters zich organiseren langs een draderige filamentenstructuur. In clusters van sterrenstelsels bevindt zich, buiten de stelsels zelf, ijl gas dat heel heet is en dus kan worden gezien met röntgenstraling.

Voortgezet onderzoek

In principe zal ESA een keuze van twee maken uit drie voorgestelde L-class-missies. Naast Athena zijn dat LISA – voor het meten van zwaartekrachtsgolven – en JUICE-Laplace, een missie naar Jupiter waarbij een observatorium in een baan om de grote maan Ganymedes moet worden gebracht. Elk van deze missies is grensverleggend en bevat topklasse wetenschap. Naar verwachting zal ESA in februari 2012 de keuze maken. Eén missie valt dan af. Een van de overblijvende zal dan in 2020 of later worden gelanceerd; het lot van ‘nummer twee’ is onzeker en hangt onder andere af van voldoende financiering uit het ESA budget, uit nationale budgetten en van middelen afkomstig van internationale partners.

Op langere termijn is de toekomst van grensverleggend ruimteonderzoek ook onzeker. Grenzen verleggen betekent vaak: nieuwe technologie ontwikkelen die onder extreme omstandigheden feilloos moet werken. Om ver in het heelal te kunnen kijken, komen ook de beperkingen die de natuur oplegt steeds nadrukkelijker in beeld. Er zijn daarvoor echter spectaculaire oplossingen bedacht; de creativiteit van onderzoekers en ontwerpers is nog lang niet uitgeput. De allergrootste uitdaging is om niet-wetenschappers enthousiast te krijgen voor de plannen, zodat voldoende middelen ter beschikking komen om plannen uit te voeren en … grenzen van het kennen en kunnen te verleggen.
Lees meer: onderzoeksvragen toekomstige missiesHoe ontstaan de eerste sterren precies uit het gas, afkomstig van de oerknal? Daar waar stof in de ‘moderne’ stervorming belangrijk is om een gaswolk te koelen zodat hij kan samentrekken tot een ster, moet dat oorspronkelijk anders zijn gelopen. En op welke manier komen die eerste sterren aan hun einde? Hebben de supernova-explosies van toen misschien eigenschappen die we niet zien in de explosies van zware sterren bij ons in de buurt? Wat zijn de eigenschappen van de mini-quasars die uit de eerste sterren zijn ontstaan? Hoe heeft de re-ionisatie van het heelal plaatsgevonden? Welke bronnen zijn precies de aanstichters geweest van die re-inonisatie? Hoe zijn zware zwarte gaten ontstaan uit de mini-quasars en hoe heeft dat in een heel korte tijd van slechts een paar honderd miljoen jaar kunnen gebeuren? Hoe zijn de eerste sterrenstelsels ontstaan? Wat is daarbij de rol van de ‘donkere materie’? En wat is de wisselwerking tussen deze ‘donkere materie’ en de (chemische) evolutie die zich binnen sterrenstelsels gaat afspelen? Wat bepaalt hun vorm, structuur en afmetingen? Wat is het verband tussen de structuren die we zien in de microgolfachtergrondstraling en de structuren waarlangs de eerste sterrenstelsels zich lijken te ontwikkelen? Wat is de interactie tussen sterrenstelsels onderling? We weten dat uit botsingen grotere stelsels ontstaan die veelal naar het midden van een grote groep ‘zakken’. Maar veel details over hoe, en hoe vaak, botsingen plaatsvinden zijn onbekend. Hoe ontstaan latere generaties sterren precies, samen met hun planeetsystemen? Gebeurt het altijd in groepen, of juist niet? Wat is precies de invloed van de veranderende samenstelling (metalen, stof) van het ‘bouwmateriaal’? En hoeveel sterren van welke massa ontstaan er precies? We weten dat zware sterren erg zeldzaam zijn en rode dwergsterren enorm talrijk. Maar waarom is dat zo?