www.sron.nl/i-exosat

EXOSAT: Traliesysteem voor een röntgensatelliet  

b_180_0_3355443_00_images_stories_sron_50jaar_dashback50.jpg
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.
Lees meer: EXOSATEXOSAT 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.

   omhoogomlaag

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.
   omhoogomlaag

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.

Links  

De uitdaging
EXOSAT-overzicht : http://www.esa.int/esaSC/120394_index_0_m.html
Waarnemen in röntgenstraling : http://www.esa.int/esaSC/SEMTA2T1VED_index_0.html
EXOSAT-overzicht : http://heasarc.nasa.gov/docs/exosat/exosat_about.html

De oplossing
Meer over de EXOSAT-missie: http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=32
Meer over EXOSAT-instrumenten: http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31271
Overzicht resultaten : http://www.rssd.esa.int/index.php?project=EXOSAT&page=obs
Beeldarchief : http://heasarc.nasa.gov/docs/exosat/exosat_cd.html

Verdere ontwikkeling
Meer over NASA’s Chandra-missie : http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html
Meer over ESA’s XMM-Newton missie : >http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
En: http://xmm.esac.esa.int/

EXOSAT
Tekening van ESA's EXOSAT voor rontgensterrenkunde. De satelliet maakte gebruik van in Nederland ontwikkelde traliesystemen om spectra te kunnen meten
EXOSAT opbouw
Schema van EXOSAT met daarop aangegeven de plaats van de verschillende instrumenten en apparatuur
Andromeda nevel in röntgenstraling
Afbeelding gemaakt door EXOSAT van de Andromeda nevel. Het meest nabije grote sterrenstelsel blijkt tal van rontgenbronnen te herbergen
EXOSAT supernovaresten
EXOSAT deed metingen aan verschillende supernovaresten. De uitdijende schillen van gas botsen op interstellair gas en zenden daardoor rontgenstraling uit
Supernovaresten in röntgenstraling
Niet alle supernovaresten blijken mooie circelvormige structuren te laten zien in rontgenstraling. Blijkbaar is de weerstand van interstellair gas niet overal even groot
De Krab nevel in röntgenstraling
EXOSAT metingen aan de Krabnevel, een supernovarest van een explosie die nog geen 1000 jaar geleden door mensen werd gezien. De explosie was tijdelijk ook overdag zichtbaar!
Spectrum van de CAS-A supernovarest
EXOSAT spectrum van de CAS-A supernovarest. Uit de spectraallijnen kan worden afgeleid welke chemische elementen zich in de uitdijende gasschil bevinden, zoals ijzer
LE instrument
EXOSAT's instrument voor zachte rontgenstraling met in het midden zichtbaar de wegklapbare traliering
Spectrum van een actieve kern van een melkwegstelsel
EXOSAT liet zien dat de rontgenstraling uit actieve kernen van sterrenstelsels in de tijd variaties vertoont. Dat geeft aanwijzingen over wat zich afspeelt nabij het superzware zwarte gat
Spectrum met ijzerlijnen
De spectraallijnen, zoals van ijzer, bestaan uit kleine rimpelingen op het algemene verloop van de intensiteit van de rontgenstraling
Chandra satelliet
NASA's Chandra satelliet is nog steeds actief en een van de opvolgers van EXOSAT
XMM Newton RGS
Reflectietralie voor ESA's XMM Newton satelliet. SRON maakte bij het ontwerp en de realisatie gebruik van de eerder opgedane ervaring bij EXOSAT
XMM Newton
ESA's XMM-Newton satelliet voor rontgensterrenkunde