www.sron.nl/i-letg

LETG: Transmissietralie voor röntgentelescoop Chandra (NASA) 


letg0.jpg De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links
 

De uitdaging

In het venster over de RGS in de categorie Experimenten wordt aangegeven waarom spectrometrie in röntgenstraling zo belangrijk is voor het sterrenkundig onderzoek. Het maken van een spectrum kan niet met de ‘gewone’ optische middelen als prisma’s, lenzen en spiegeltjes. Om de golflengten in de straling goed te scheiden maakt men gebruik van tralies, ook wel roosters genoemd. Bij reflectietralies, zoals in ESA’s XMM-Netwon telescoop, zijn groeven op een spiegelend oppervlak aangebracht. Maar je kunt ook transmissietralies gebruiken waarbij de straling door ‘spijltjes’ valt. Het voordeel van dit laatste systeem is dat het spectrum wordt afgebeeld in het brandvlak van de telescoop. 

Bij de passage door het transmissietralie ontstaat een interferentiepatroon; elke traliespleet fungeert als bron van waaruit golven zich verspreiden. Hierin kunnen op bepaalde afstanden golven elkaar versterken en verzwakken. Het resultaat is dat de oorspronkelijke bundel in verschillende bundels wordt gebroken. Elke afgebogen bundel vertegenwoordigt een ‘orde’ en bevat het volledige spectrum. Hoe verder de detectoren van het tralie staan, hoe groter de zogeheten dispersie is op het detectoroppervlak. De hoek waaronder een orde wordt afgebogen hangt af van de golflengte en het aantal lijnen per millimeter. Omdat de golflengte van röntgenstraling zo enorm kort is moet het rooster veel (tot wel 1000) lijnen per millimeter bevatten. Daarbij is het belangrijk materiaal te gebruiken dat in ragfijne en toch sterke draden kan worden geproduceerd en dat ondoorzichtig is voor röntgenstraling. Goud heeft daarvoor prima eigenschappen, maar hoe krijg je 1000 draadjes per millimeter netjes naast elkaar? En dat op zo’n manier dat het hele tralie robuust genoeg is om de trillingen en schokken van de lancering goed te doorstaan?

   omhoogomlaag

De oplossing

In Nederland bestaat een lange traditie op het gebied van sterrenkundig röntgenonderzoek. Zo worden onder leiding van SRON tralies vervaardigd voor verschillende internationale missies, waaronder het Einstein Observatory van NASA en EXOSAT van ESA. Het is mede vanwege de uitstekende staat van dienst dat Nederland de kans krijgt om zowel deel te nemen aan NASA’s Chandra-röntgentelescoop als ESA’s XMM-Newton-telescoop. Een unieke positie voor een klein land. Die positie is mede te danken aan de technieken die in de loop van de tijd zijn ontwikkeld om heel kleine structuren te produceren. De basis van deze techniek is de lithografie. Met fotografische methoden worden zulke structuren 'belicht' op een geschikte drager, waarna de niet-belichte, of juist de wel-belichte delen kunnen worden geëtst en 'ingevuld' met ander materiaal. Op die manier kunnen tegenwoordig elektronische schakelingen in chips worden gemaakt, maar dus ook 'gereedschappen' als röntgentralies. 

De Low Energy Transmission Grating (LETG) is een transmissietralie voor de LETG spectrometer van NASA's Chandra-telescoop. Deze spectrometer produceert spectra van zachte röntgenstraling met een golflengte tussen 0,5 en 14 nm (energie tussen 80 en 2000 elektronvolt). Het tralie bestaat uit een ringstructuur met een diameter van 110 centimeter. Hierop zijn 540 individuele cirkelvormige tralie-elementen gemonteerd met een diameter van 1,5 centimeter. Ze bestaan uit fijne draadjes goud op steeds een micrometer afstand van elkaar, dat is 1000 lijnen per millimeter.
Lees meerIn de tralie-elementen worden deze draadjes gefixeerd met een systeem van kleine en grotere draagbalkjes. Het complete tralie kan in en uit de stralengang worden geschoven en bevindt zich vlak achter de hoofdspiegel van de Chandra-telescoop. Die spiegel bestaat zelf uit een set van vier in elkaar geschoven cilinders. Ze zijn zodanig gevormd dat het scherend invallende röntgenlicht wordt gefocusseerd in het brandvlak. De ‘brandpuntsafstand’ is ongeveer 10 meter. Daar bevindt zich een detectorsysteem waarmee de inslagpositie en de energie van de fotonen kan worden gemeten. Er zijn twee soorten detectoren: ccd’s en multi channel plates. Het laatste systeem werkt op basis van met gas gevulde detectoren waarin een foton een ionisatie-effect veroorzaakt. Afhankelijk van het golflengtegebied gebruiken de onderzoekers de ene of de andere soort. De ccd’s werken het meest nauwkeurig maar kunnen tot een golflengte van 6 nm worden ingezet.

Zonder transmissietralie fungeert het geheel dus als een ‘gewone’ camera (waarmee vanwege de energiemeting ook wat spectrale informatie wordt verkregen) en met transmissietralie is het een zeer nauwkeurige röntgenspectrometer. Het spectraal oplossend vermogen is ongeveer 1000, wat wil zeggen dat de energie van de röntgenfotonen kan worden gemeten met een nauwkeurigheid van 0,1%. Dit is meer dan genoeg om talloze spectraallijnen in het spectrum te onderscheiden. Het tralie is zo gemaakt dat iedere ‘kleur’ in het spectrum op een aparte plek op het detectorvlak wordt afgebeeld. Deze geometrie wordt bepaald door de draadafstand in het spectrum, de golflengte van de fotonen en de afstand tot de detectoren.


De LETG wordt vooral gebruikt voor het spectrale onderzoek van heldere puntbronnen. Zoals de hete corona van sterren, de hete atmosfeer van witte dwergen en veranderlijke sterren die grote vlammen of explosies produceren. Daarnaast wordt de LETG gebruikt voor het onderzoek naar röntgendubbelsterren en de actieve kernen van sterrenstelsels, waarin zich een superzwaar zwart gat bevindt. De LETG is ontworpen en gebouwd onder leiding van SRON (Principal Investigator, wetenschappelijk projectleider). De tralie-elementen zijn gemaakt in Duitsland (Max Planck Institut, Garching) terwijl SRON en het Nationaal Lucht en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) de ringstructuur hebben ontwikkeld. Chandra is operationeel sinds juli 1999 na een lancering met een Spaceshuttle.

   omhoogomlaag

Verdere ontwikkeling

In het venster over de RGS onder de categorie Experimenten staat aangegeven wat de Nederlandse inzet is voor toekomstige röntgenmissies.

Chandra is één van van de vier Great Observatories van NASA. De anderen zijn de Hubble Space Telescope (HST), de infraroodtelescoop Spitzer en het Compton Gamma Ray Observatory (CGRO). Alleen de laatste is niet meer operationeel. Het doel van dit viertal is om over een groot deel van het elektromagnetisch spectrum grensverleggend sterrenkundig onderzoek te doen. Alle vier de observatoria zijn zeer succesvol. Nederland is participant in alle vier projecten. Het CGRO en Chandra hebben Nederlandse hardware aan boord. NASA voorziet voortgang in het röntgenonderzoek met enkele ‘kleinere’ missies. Ze hebben tot doel om in röntgenstraling polarisatie te meten, en om ervaring op te doen met detectoren die afbeeldingen en spectra tegelijkertijd opnemen.

Voor de verre toekomst ontbreekt het niet aan ideeën. Zo denkt NASA aan een missie om zwarte gaten op te sporen en ze in beeld te brengen. Ook circuleert er een plan om een missie te maken met een spiegeloppervlak dat 500 x groter is dan dat van Chandra. In Europa is er een plan om meer onderzoek te doen naar gammastraling (achtergrond, gamma-explosies). China wil donkere materie in kaart gaan brengen en ook Brazilië en Italië ontwikkelen plannen om te kijken naar röntgenexplosies en naar polarimetrie.
Lees meer: NASA-plannenIn 2014 moet de zeven meter lange GEMS (Gravity and Extreme Magnetism Spectrometer) worden gelanceerd. Het nieuwe aan deze missie is dat wordt geprobeerd om polarisatie in röntgenstraling te meten. GEMS kijkt naar het effect van het sterke zwaartekrachtsveld van snel draaiende zwarte gaten op de omliggende ruimte en de tijd. Ook compacte objecten met enorm sterke magneetvelden, zoals magnetars en pulsars behoren tot de onderzoeksobjecten. De missie richt zich verder op verschijnselen in supernovaresten. Eerder, in februari 2012, vertrekt NUSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Die richt zich op het onderzoek van harde röntgenstraling (6 - 79 keV). De detectoren en de hoofdspiegel zijn aan elkaar verbonden via een uitschuifbare mast. Het is een van de eerste afbeeldende telescopen voor deze straling. Men hoopt meer te weten te komen over de materiestromen (jets) die loodrecht op de accretieschijven rond zware zwarte gaten staan. Verder kijkt de missie onder andere naar de elementen die tijdens supernova-explosies ontstaan uit kernfusie en kernsplijting. 
Lees meer: toekomstige röntgenmissies ASTROSAT, India (2012). Deze missie onderzoekt zachte en harde röntgenstraling (0,3 – 150 keV) met drie verschillende instrumenten, en heeft ook nog een ultraviolet telescoop aan boord. De missie moet minimaal 5 jaar duren. De lancering vindt plaats vanaf de basis Sriharkota in India. ASTRO-H, Japan (2014), zie ook het venster Experimenten – RGS. Hard X-Ray Modulation telescope (HXMT), China (2014). De bedoeling is dat deze telescoop een complete hemelkaart maakt in harde (20 – 200 keV) röntgenstraling. Men verwacht zo’n 1000 bronnen te ontdekken. Athena, ESA (rond 2020). Deze missie moet gebruik maken van detectoren die afbeeldingen en spectra tegelijkertijd opnemen. SRON is betrokken bij de voorbereidingen van deze missie. LOFT (Large Observatory for X-ray Timing), ESA (rond 2022). Deze missie wordt speciaal ontwikkeld om (snelle) tijdvariaties in röntgenbronnen te meten. Men hoopt zo meer te weten te komen over materie in extreme omstandigheden, zoals in de buurt van (superzware) zwarte gaten.

Links  

De uitdaging
Meer over de werking van een tralie : http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=777823
Meer over NASA’s Chandra satelliet : http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html

De oplossing
SRON en LETG : http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=2027&Itemid=1892
Meer over de LETG : http://www.sron.nl/divisions/hea/chandra/
en http://cxc.harvard.edu/cal/letg/index.html
Uitgebreide beschrijving van de LETG : http://cxc.harvard.edu/proposer/POG/html/chap9.html#tth_chAp9
Meer over de wetenschappelijke instrumenten van Chandra : http://chandra.harvard.edu/about/science_instruments.html
Meer over de resultaten van Chandra : http://chandra.si.edu/

Verdere ontwikkeling
Meer over GEMS : http://gems.gsfc.nasa.gov/mission.html
Meer over NUSTAR : http://www.nustar.caltech.edu/
Meer NASA studies en andere studies voor röntgenmissies in de verdere toekomst : http://heasarc.nasa.gov/docs/heasarc/missions/concepts.html
Meer over ASTROSAT : http://meghnad.iucaa.ernet.in/~astrosat/
Meer over ASTO-H : http://science.nasa.gov/missions/astro-h/
Meer over HXMT : http://www.hxmt.cn/english/
Meer over ESA's Athena-missie:
http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=48729
Meer over de LOFT-missie: http://gri.rm.iasf.cnr.it/index.php
en http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=125

Principe van transmissie- en reflectietralie
Werkingsprincipe van een transmissie- en reflectietralie
 

Elektronenmicroscoopfoto van een stukje transmissietralie
Elektronenmicroscoopfoto van een stukje transmissietralie. De straling buigt af bij passage door de nauwe openingen. De mate van afbuiging is afhankelijk van de golflengte. Zo wordt de straling 'uiteengerafeld' tot een spectrum
 

NASA?s Chandra röntgentelescoop
NASA's Chandra röntgentelescoop bevat transmissietralies voor zachte rontgenstraling (LETG) en harde rontgenstraling (HETG)
 

Instrumenten aan boord van Chandra
Instrumenten aan boord van Chandra
 

Enkele tralie-elementen van de LETG
Enkele tralie-elementen van de LETG
 

Draagstructuur voor de LETG gouddraadjes
Draagstructuur voor de LETG gouddraadjes
 

Een deel van het LETG traliewiel met tralie-elementen
Een deel van het LETG traliewiel met daarop de gemonteerde tralie-elementen
 

Overzicht van het LETG traliewiel
Overzicht van het LETG traliewiel
 

De traliewielen voor de LETG en HETG (High Energy) bij de assemblage van Chandra
De traliewielen voor de LETG en HETG bij de assemblage van Chandra
 

LETG spectrum van de heldere ster Procyon
LETG spectrum van de heldere ster Procyon. De lijnen zijn afkomstig van neon, ijzer en stikstof
 

LETG spectrum van Mkn 421. Het is een actieve kern in een sterrenstelsel die gemeten werd op een moment dat hij 100 keer helderder was dan normaal. Mogelijk verslindt het zwarte gat een gaswolk of een ster. De bron staat in het midden en de helderste lijnen aan weerszijden vormen het nulde-orde spectrum. De hogere orden liggen ernaast. Uit de intensiteitsvariaties in deze ?strepen? kan de spectrale informatie worden afgeleid
LETG spectrum van Mkn 421. Dit is een actieve kern in een sterrenstelsel. De meting werd gedaan op een moment dat de bron 100 keer helderder was dan normaal. Mogelijk verslindt het zwarte gat een gaswolk of een ster. De bron staat in het midden en de helderste lijnen aan weerszijden vormen de spectra
 

Elkaar aanvullende metingen van de LETG en de eveneens onder Nederlandse leiding gebouwde RGS van ESA?s XMM-Newton telescoop. Het spectrum is van de ster omicron Geminorum, een onregelmatig veranderlijke ster die af en toe röntgenexplosies vertoont.
Elkaar aanvullende metingen van de LETG en de eveneens onder Nederlandse leiding gebouwde RGS van ESA's XMM-Newton telescoop. Het spectrum is van de ster Omicron Geminorum, een onregelmatig veranderlijke ster die af en toe röntgenexplosies vertoont
 

LETG spectra van de witte dwergsterren Sirius B en HZ43 A
LETG spectra van de witte dwergsterren Sirius B en HZ43 A
 

LETG spectrum van de ster V4743 Sgr in de Boogschutter. Op het moment van de registratie vertoonde de ster een nova-explosie. Het is een dubbelstersysteem met een magnetische witte dwergster. Uit de accretieschijf waarin opgezogen gas van de begeleidende ster zit, lekt gas naar de witte dwerg. Tijdens een nova explodeert dit gas in een kernreactie.
LETG spectrum van de ster V4743 Sgr in de Boogschutter. Op het moment van de registratie vertoonde de ster een explosie. Het is een dubbelstersysteem met een magnetische witte dwergster. Uit de accretieschijf met gas van de begeleidende ster lekt gas naar de witte dwerg. Tijdens een (nova) explodeert dit gas in een kernreactie
 

Röntgenspectrum opgenomen met Chandra van de . Er zijn lijnen van neon te zien. Op de animatie is aangegeven dat deze lijnen afkomstig kunnen zijn van stervlammen.
Röntgenspectrum opgenomen met Chandra van een ster met actieve stervlammen. Er zijn lijnen van neon te zien. De tekening geeft een indruk van wat zich bij de ster afspeelt
 

Röntgenspectrum opgenomen met Chandra van de bron J1655, een röntgendubbelster waarin een zwart gat van zeven zonsmassa?s ronddraait.
Röntgenspectrum opgenomen met Chandra van de bron J1655, een röntgendubbelster waarin een zwart gat van zeven zonsmassa?s ronddraait
 

NASA?s GEMS
NASA's GEMS missie gaat niet door omdat de kosten te hoog oplopen. De kleine telescoop had met name sterke magnetiche velden bij compacte objecten moeten onderzoeken
 

NASA?s NUSTAR
Op 13 juni 2012 bracht NASA de NuSTAR in de ruimte. De rontgenspiegels en de detectoren zijn aan elkaar verbonden via een 10 meter lange uitschuifbare mast. Dit zorgt voor een lange brandpuntsafstand en een hoog scheidend vermogen in de spectra en afbeeldingen
 

NASA?s NUSTAR
NASA's NuSTAR onderzoek onder andere supernovaresten en de verschijnselen rond materieschijven bij zwarte gaten
 

ASTROSAT van India
Tekening van de geplande ASTROSAT van India
 

ASTROSAT van India
De rontgensatelliet ASTROSAT van India wordt voorzien van verschillende instrumenten
 

ASTRO-H van Japan
Indruk van de ASTRO-H rontgensatelliet van Japan
 

HXMT van China
Tekeningen van de door China geplande HXMT rontgensatelliet