www.sron.nl/i-cos-b

COS-B: Detector gevoelig voor gammastraling uit het heelal

b_180_0_3355443_00_images_stories_sron_50jaar_dashback50.jpg
De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links
 

De uitdaging

In de jaren zestig van de vorige eeuw, dus vlak na de start van het ruimteonderzoek in Nederland, is heel erg weinig bekend over hoe de hemel er uit ziet als je zou kijken naar de meest energierijke straling: gammastraling. Deze straling is eigenlijk bij toeval ontdekt. Amerikaanse defensiesatellieten, ontworpen om kernexplosies van kernproeven te detecteren, meten signalen terwijl op aarde alles rustig is. De Explorer XI-satelliet toont aan dat er inderdaad gammafotonen uit het heelal komen en maakt een registratie van 31 stuks. De OSO-3 meet er eind jaren zestig zelfs 661. Maar daarmee is nog niet bekend hoe de hemel er in gammastraling uit ziet, laat staan dat je weet van welke bronnen de straling afkomstig is. Hoe maak je een kaart van de hemel bij gammastraling? Deze straling laat zich niet 'vangen' met gewone film of gewone detectoren.

ESRO (ESA)’s COS-B satelliet, operationeel van 1975 tot 1982, krijgt een opdracht die vergelijkbaar is met die van de wat later gelanceerde IRAS-satelliet: maak een overzichtskaart van de hemel. Men besluit om een hele satelliet te besteden aan één enkel experiment, mede om praktische redenen want het is bepaald niet eenvoudig om gammastraling af te beelden. Het is een groot risico, maar anderzijds is het wetenschappelijk belang ook groot. In de GROC-werkgroep te Leiden bestaat, als een van de weinige plekken in Europa, ervaring met het meten van gammafotonen. Henk van de Hulst heeft een groot aandeel in het betrekken van deze groep bij de ontwikkeling van COS-B.

Er wordt een detector ontworpen die gammafotonen kan registeren met een energie tussen 30 miljoen en 10 miljard elektronvolt, waarbij de camera een beeldscherpte krijgt van 2 graden. Veel minder scherp dan het menselijk oog maar wel genoeg om een goede hemelkaart te maken. Het oorspronkelijke ontwerp vertoont gebreken maar projectleider Boudewijn Swanenburg weet die met zijn team tijdig te ontdekken en verbetert het geheel aanzienlijk. Het is  geluk bij een ongeluk. Want aan boord van ESRO’s TD-1A satelliet vliegt een vergelijkbaar experiment maar de uitkomsten zijn dramatisch slecht omdat de detector gestoord wordt door de satelliet zelf. Hoewel de bouw van COS-B al vergevorderd is, besluit het team om het experiment aan te passen. Gelukkig maar, want anders zou COS-B nooit het succes behalen dat nu wel wordt bereikt. Over Boudewijn Swanenburg is onder de categorie Onderzoekers een apart venster opgenomen. 

   omhoogomlaag

De oplossing

Hoe breng je gammastraling uit het heelal in kaart? Deze straling gaat dwars door veel materialen en laat zich niet focusseren met spiegels of lenzen tot een afbeelding. Evenmin kun je een gewone filmcamera gebruiken om de gammafotonen vast te leggen.

De detector in COS-B is gebaseerd op een vonkenkamer. Binnentredende fotonen veroorzaken een ionisatie van het gas waarmee de detector is gevuld. Dat leidt tot een meetbaar stroompulsje. Maar om ook de herkomstrichting te achterhalen, is de kamer wat subtieler samengesteld. Het geheel bestaat uit een kubus met een zijde van 24 centimeter. Daarbinnen zitten zestien paar draadroosters, onderling gescheiden door een plaatje wolfram. In dit materiaal wordt een binnenkomend gammafoton soms omgezet in een elektron / positron paar. Een positron is een elektron met een positieve elektrische lading. Beide deeltjes bewegen door de vonkenkamer en laten een ionisatiespoor achter. Uit de gegevens van de opvolgende dradenroosters is de oriëntatie van die sporen te achterhalen en, na het nodige rekenwerk, ook de oorspronkelijke richting van waaruit het foton uit de ruimte komt.
Lees meerUit de energie van het elektron / positron paar kan ook worden berekend wat de energie, en dus de golflengte, van het gammafoton is geweest. Dit gebeurt in een absorptie-element gemaakt van cesiumjodide. Bij inslagen van een elektron / positron paar wordt de energie in het element omgezet in warmte, en dat warmte-effect wordt geregistreerd. De detector heeft dus richtingsgevoeligheid en spectrale gevoeligheid. Het succes van deze methodiek staat of valt bij de manier waarop je ‘ruis’ kan onderscheiden van echte gammafotoneffecten. De detector is daarvoor geplaatst onder een plastic capsule. Die houdt valse signalen tegen,  bijvoorbeeld veroorzaakt door deeltjes van de kosmische straling. Dat zijn snel bewegende elektrisch geladen deeltjes als elektronen of protonen. Ook zij veroorzaken ionisatiesporen in de detector. Meer informatie is te vinden in het venster Gammaspectrometrie onder de categorie Technologieën.

Een prototype van het COS-B experiment wordt getest tijdens een ballonvlucht op enkele tientallen kilometers hoogte. Toch blijft het tot na de lancering spannend of de satelliet doet waarvoor hij is gebouwd. Maar het lukt: de satelliet blijft maar liefst zeven jaar gegevens verzamelen. De beoogde gammakaart van de hemel wordt opgeleverd. Naast achtergrondstraling, veroorzaakt door de botsing van snel bewegende deeltjes op het gas in het Melkwegstelsel, staan er 25 concrete bronnen op de kaart. Om die te identificeren met bekende bronnen wordt een heel nieuwe analysetechniek ontwikkeld. En inderdaad, sommige bronnen blijken oude bekenden, zoals de Krabnevel, een supernovarest met een snel roterende neutronenster (pulsar). Er zijn meer supernovaresten te zien. Maar andere bronnen blijven raadselachtig. Spectaculair is de ontdekking dat COS-B ook een quasar ziet, het actieve massieve zwarte gat in het sterrenstelsel 3C 273 op miljarden lichtjaren van de aarde. Dat moet een onvoorstelbaar krachtige bron zijn om zelfs op die afstand nog waarneembaar te zijn. Een lichtkracht van 10 biljoen zonnen!

   omhoogomlaag

Verdere ontwikkeling

COS-B zorgt voor doorbraken en effent de weg voor volgende missies. Op 5 april 1991 lanceert NASA met behulp van de Spaceshuttle Atlantis het Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Aan boord van deze maar liefst 17 ton zware satelliet bevinden zich vier telescopen, waarvan er één mede ontwikkeld wordt in Nederland door de Leidse groep onder leiding van Boudewijn Swanenburg. De telescopen bestrijken samen het hele golflengtegebied vanaf de harde röntgenstraling tot en met harde gammastraling, waarbij de fotonen een energie hebben tussen 100 duizend en 30 miljard elektronvolt. Het deels Nederlandse instrument, COMPTEL, werkt tussen 1 en 30 miljoen elektronvolt, een ‘venster’ dat nog onontgonnen is. Een interessant terrein bovendien omdat daar spectraallijnen te zien moeten zijn van materiaal dat bij sterexplosies vrijkomt. De CGRO-missie wordt een groot succes. Er worden veel meer gammaquasars gevonden en de COS-B kaart wordt verder verfijnd. Het COMPTEL-experiment laat zien hoe de hemel er uit ziet bij zachte gammastraling. De supernova-materialen worden inderdaad ontdekt en bovendien wordt duidelijk hoe de explosierestanten zich mengen met het oorspronkelijk aanwezige waterstofgas. De missie eindigt op 4 juni 2000.

Op 17 oktober 2002 lanceert ESA de opvolger van COS-B en het CGRO. Het is de International Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL). Met deze satelliet is het onder andere mogelijk de positie van gammabronnen aan de hemel te bepalen met een scherpte van 30 boogseconden. De missie loopt nog steeds. Nederland is bij de missie betrokken via deelname in het wetenschappelijke team.

Links  

De uitdaging
Meer over de COS-B missie vind je bij:
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=37772
COS-B informatie zie je ook bij:
http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1975-072A

De oplossing
Meer over de COS-B detector is te zien bij:
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31471
Meer over de resultaten zie je bij:
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31459
En bij: http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=33279

Verdere ontwikkeling
Meer over CGRO vind je bij: http://science.nasa.gov/missions/cgro/
En bij: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/cossc/
Meer over ESA’s INTEGRAL staat bij:
http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=21
En bij: http://www.esa.int/SPECIALS/Integral/index.html

COS-B
Tekening van ESA's COS-B satelliet in zijn baan om de aarde. Bijzonder is dat de satelliet feitelijk om maar een experiment is gebouwd

Laatste signaal
Laatste signalen van COS-B. De succesvolle satelliet laat de eerste complete kaart achter van de gammastraling aan de hemel

Baan van COS-B
De sterk elliptische baan van COS-B voert de satelliet periodiek voor lange tijd buiten de Van Allengordels zodat ongestoord kan worden gemeten aan de gammastraling uit het heelal

COS-B detector schema
COS-B detector schema. De detector is zo ontworpen dat valse signalen uit de metingen worden gefilterd

COS-B hemelkaart
COS-B hemelkaart in gammastraling. Behalve diffuse straling van de Melkweg (de horizontale band) zijn ook aparte bronnen zichtbaar

Latere versie van de kaart
Meer gedetailleerde versie van de hemelkaart van COS-B. De intensiteiten van de gammastraling zijn met contourlijnen aangegeven

Meting aan Cygnus X-3 (stellair zwart gat)
COS-B meting aan de variabele bron Cygnus X-3 (een stellair zwart gat) die, behalve in rontgenlicht, ook in gammastraling zichtbaar blijkt te zijn

Meting aan 3C 273
COS-B meting aan de bron 3C 273, een actieve kern van een zeer ver weg gelegen sterrenstelsel. Dit is een van de verbazingwekkende ontdekkingen van COS-B

Verdere ontwikkeling

CGRO
NASA's Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) bouwde voort op het werk van COS-B en had een belangrijk Nederlands experiment aan boord

CGRO
NASA's CGRO satelliet voor gammastraling is met behulp van een space shuttle in de ruimte gebracht. De beide cilinders vormen een onderdeel de detectoren om de gammastraling te meten

Integral
ESA's INTEGRAL satelliet voor gammastraling is nog steeds actief en vormt een directe 'afstammeling' van COS-B

Integral tijdens test
INTEGRAL tijdens een test bij ESTEC in Noordwijk