www.sron.nl/r-extreme-materie

Chandra / XMM-Newton / INTEGRAL: Extreme materie  

b_180_0_3355443_00_images_stories_sron_50jaar_dashback50.jpg
Missie in het kort
Belangrijkste resultaten
Voortgezet onderzoek
Links
 

Missie in het kort

Extreem ijle of compacte materie in het heelal kan worden waargenomen bij extreme golflengten (röntgenstraling, gammastraling) omdat de materie erg heet is, of zorgt voor verschijnselen waarbij veel energie vrijkomt. Omdat hoogenergetische straling niet door de atmosfeer heen komt, zijn astronomen voor het onderzoek uitsluitend aangewezen op ruimtetelescopen. Vanaf de begindagen van het ruimteonderzoek is het onderzoek bij röntgenstraling en gammastraling een belangrijk aandachtsgebied voor de Nederlandse sterrenkunde. Naast onderzoek van de zon staan allerlei kosmische bronnen die met extreme materie te maken hebben in de belangstelling. Ons land behoort niet alleen tot de toonaangevende landen als het gaat om het onderzoek zelf, maar heeft ook internationale faam verworven door de bouw van satellietexperimenten om deze straling waar te nemen.

Kort na de eeuwwisseling komen twee grote röntgentelescopen in gebruik waaraan Nederland een belangrijke bijdrage levert. NASA’s Chandra-telescoop is uitgerust met transmissietralies die onder leiding van SRON zijn gebouwd. In ESA’s XMM-Newton-telescoop bevinden zich reflectietralies, eveneens gerealiseerd onder leiding van SRON. Beide telescopen zijn complementair aan elkaar. Chandra heeft een scherp ‘gezichtsvermogen’ door de zeer glad gepolijste spiegels en XMM-Newton is gevoeliger voor zwakke röntgenstraling vanwege het grote foton-verzamelende oppervlak, opgebouwd uit 58 in elkaar geschoven spiegels. Ook de spectrale capaciteiten vullen elkaar aan. Verder is de gammatelescoop INTEGRAL actief, eveneens van ESA. Daarin zijn technieken verwerkt die deels teruggaan op Nederlandse ervaringen, opgedaan met eerdere gamma- en röntgentelescopen, zoals voor detectoren en het gebruik van gaatjesmaskers.
Lees meer: het waarnemen van röntgen- en gammastralingHet observeren van röntgen- en gammastraling verschilt enorm van de ‘bekende’ sterrenkunde in het zichtbare licht. Lenzen of gewone spiegels zijn ongeschikt om de straling te verzamelen en te focusseren. Voor röntgentelescopen wordt het principe van ‘scherende inval’ gebruikt, waarbij de straling onder een kleine hoek een metalen (goud) spiegeloppervlak raakt en een klein beetje van richting verandert. Door een aantal cilindrische spiegels in elkaar te zetten – als een Russische Matroesjka – ontstaat een ‘lens’ met een lange brandpuntsafstand.

Een andere techniek is het gebruik van een metalen gaatjesmasker als ‘objectief’ waarbij elk gaatje werkt als een ‘gaatjescamera’. De afbeeldingen in het detectorvlak worden dan, met behulp van het bekende gaatjespatroon, gereconstrueerd tot een beeld van het object. Ook de detectoren om de straling te meten in het brandvlak zijn anders dan in het zichtbaar licht. Het gebruik van gasgevulde detectoren maakt plaats voor speciale ccd’s. Met slimme technieken worden valse signalen, veroorzaakt door het instrument zelf of door botsingen met elektrisch geladen deeltjes (kosmische straling, zonnewind) herkend en onderdrukt.

Röntgen- en gammatelescopen moeten extreem effectief zijn en feitelijk alle fotonen die van een bron afkomstig zijn kunnen tellen. Veel bronnen produceren maar enkele fotonen per seconde, per uur of zelfs per dag. Dit betekent dat je heel lang moet ‘kijken’ naar een bron om voldoende informatie op te halen zodat je jezelf (letterlijk) een beeld kan vormen van wat er aan de hemel gaande is. Het waarnemen van (snelle) veranderingen in de tijd, zoals bij pulsars, lukt alleen bij relatief sterke bronnen en het vereist bovendien dat de registratie-instrumenten zeer kort na het meten van een foton ‘klaar’ zijn voor de volgende.

En om het nog uitdagender te maken willen astronomen ook graag weten wat de energie van elk gemeten foton is. Want op die manier kun je een röntgen- of gammaspectrum van de bron verkrijgen, met daarin spectrale lijnen die kenmerkend zijn voor bepaalde chemische elementen en tegelijkertijd iets vertellen over de temperatuur van het object. Om röntgentelescopen spectrale capaciteit te geven moet, net als bij een prisma, de straling uiteengerafeld worden. Dat kan met behulp van tralies. Afhankelijk van de toepassing en het optisch ontwerp worden zowel transmissietralies als reflectietralies gebruikt. De eerste kun je in en uit de stralengang in de telescoop schuiven. De tweede maakt meestal onderdeel uit van het detectiesysteem zelf. Daarnaast is het mogelijk, met name bij gammadetectoren, om de energie rechtstreeks in de detector te meten.
 

   omhoogomlaag

Belangrijkste resultaten

De samenstelling van het heelal. Ongeveer 4% van de inhoud van het heelal bestaat uit gewone materie. Dat wil zeggen, uit protonen, elektronen en neutronen, plus een hele reeks aan ‘elementaire deeltjes’ die door het zogeheten standaard model worden verklaard. De rest van het heelal bestaat uit donkere materie waarvan we de aard niet weten maar die zich wel laat gelden via de zwaartekracht, en uit donkere energie. Ook de aard van donkere energie kennen we niet maar we kunnen de invloed wel meten, via de versnelde uitdijding van het heelal. Over donkere materie en donkere energie is onder de categorie Vragen voor de toekomst een apart venster opgenomen.
Lees meer: donkere materie?Met merendeel van de gewone materie bevindt zich in het heelal in de vorm van sterren en planeten, plus gas- en stofwolken. Ondanks het ‘gewone’ karakter bestaan ook zeer extreme vormen, zowel in de zin van ‘heel compact’ als van ‘heel ijl’. Het gedrag van gewone materie in die extreme omstandigheden vormt op allerlei manieren een test voor gangbare natuurkundige theorieën, en kan via een omweg zelfs licht werpen op de aard van de donkere materie en donkere energie. De NASA- en ESA-röntgentelescopen zijn erin geslaagd om bij enkele clusters van sterrenstelsels de vermoedelijke verdeling van donkere materie in kaart te brengen door te meten hoe het ijle, zeer hete (gewone) gas is verdeeld. Het eerste tipje van de sluier is op die manier opgelicht!

Compacte objecten. Sterren kunnen aan het eind van hun leven materie in zeer compacte vorm produceren: witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten.

Dubbelsystemen. Witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten kunnen voor heftige verschijnselen zorgen als ze worden ‘gevoed’. Dat kan het geval zijn als ze deel uitmaken van een dubbelstersysteem of zich in een gasrijke omgeving bevinden.
Lees meer: materiestromen in dubbelsystemenMaterie valt naar hen toe en verzamelt zich in een accretieschijf, van waaruit materie op het object lekt. Op witte dwergen kunnen zo gaslaagjes ontstaan die op een gegeven moment exploderen: een nova. Of ze worden zo zwaar dat ze ineenstorten, alsnog, tot een neutronenster: een supernova. Evenzo kunnen neutronensterren uiteindelijk veranderen in een zwart gat. In de enorme zwaartekrachtsvelden gedraagt de materie zich volgens de relativiteitstheorie. De extreme objecten zijn uitstekende ‘laboratoria’ om deze theorie te testen. Je kunt er verschijnselen waarnemen als roodverschuiving die door zwaartekracht wordt veroorzaakt, maar ook effecten op de ruimte en de tijd. Behalve ‘stellaire’ zwarte gaten, met een massa van enkele zonsmassa’s, bestaan er ook ‘massieve’ zwarte gaten die zich veelal in de kernen van sterrenstelsels bevinden. Zij hebben een massa van enkele honderdduizenden tot miljoenen zonsmassa’s. Het blijkt dat deze enorme objecten al vrij kort na het ontstaan van sterrenstelsels voorkwamen. Hoe ze precies zien ontstaan is een van de Vragen voor de toekomst in de sterrenkunde (zie in die categorie ook het aparte venster over de eerste sterren in het heelal).

Extreme ijle materiebevindt zich in en rondom groepen (clusters) van sterrenstelsels. Het bestaan ervan wordt opgemerkt doordat het gas ook heel erg heet is, waardoor het röntgenstraling uitzendt. Bijzonder genoeg blijkt dat het gas ook metalen bevat en dus door een stercyclus moet zijn gegaan.
   omhoogomlaag

Voortgezet onderzoek

Hoewel met de huidige generatie röntgen- en gammatelescopen fascinerende resultaten zijn verkregen, leiden die ook weer tot nieuwe vragen. Zoals hoe compacte objecten er in slagen om uit de materieschijf die er omheen draait, materie met hoge snelheid weg te schieten in twee tegenovergestelde richtingen. Om dergelijke vragen te beantwoorden, worden diverse toekomstige missies voorbereid. Dat is met name het geval in landen als Japan, Rusland, China en India, terwijl NASA en ESA plannen voor grote missies annuleren of terugschalen als gevolg van financieringsproblemen. Nederland zet onder andere in op een instrumentenrol aan boord van ESA’s Athena-missie.

De toekomstige missies betekenen veelal een verdere stap in de grootte en scherpte van het beeld, het meten van meer details in spectra en het meten van snelle veranderingen in de tijd. Door het steeds grotere foton-verzamelend oppervlak zijn ze ook steeds gevoeliger zodat zwakke bronnen waarvan we maar weinig fotonen ontvangen toch goed kunnen worden onderzocht. De volgende generatie röntgentelescopen zal het maken van plaatjes (imaging) steeds combineren met het maken van spectra (spectroscopie) omdat de beeldelementen in staat zijn de energie van elk binnenkomend foton nauwkeurig te meten.

Lees meer: onderwerpen toekomstige missies
  • Ontstaan en afkoeling van witte dwergen en neutronensterren / pulsars, waaronder de zeer snel roterende milliseconde pulsars
  • Ontwikkelingen bij witte dwergen en neutronensterren waar gas wordt toegevoerd. Hierdoor kunnen op gezette tijden explosies ontstaan, maar ook herschikkingen van materie binnen de ster restanten zelf. Dit laatste leidt tot (meetbare) sterbevingen.
  • Gedrag van zeer sterke magnetische velden rond witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten
  • Relativistische verschijnselen rond neutronensterren en zwarte gaten
  • Ontstaan en ontwikkeling van accretieschijven en de rol van materiejets
  • Gedrag van de verschillende supernovae, zoals witte dwergen die ineenstorten en imploderende kernen van zware sterren
  • Ontstaan en groei van massieve zwarte gaten in (actieve) kernen van sterrenstelsels
  • Botsingen tussen (massieve) compacte objecten en de relatie met gammaflitsen
  • Koppeling via de zwaartekracht van ijl, heet gas in clusters van sterrenstelsels, met donkere materie
  • Inventarisatie van donkere materie via de ‘gravitatielenswerking’ van zware sterrenstelsels
  • Testen van de algemene relativiteitstheorie in extreme zwaartekracht.


Links  

Missie in het kort
Chandra-missie : http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html
en : http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1999-040B
Meer over SRON en Chandra : http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=122&Itemid=276
XMM-Newton-missie : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
Meer over SRON en XMM-Newton : http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=137&Itemid=291
Integral-missie : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=21
Meer over SRON en INTEGRAL : http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=1972&Itemid=1806 en http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=936&Itemid=2140
Overzicht van röntgen- en gammamissies (deels vroeger, deels operationeel) : http://xmm.esac.esa.int/external/xmm_links/xray_links.shtml
Overzicht van NASA van vroegere en huidige röntgen- en gammamissies : http://heasarc.nasa.gov/docs/observatories.html

Belangrijkste resultaten
Inleiding in röntgensterrenkunde : http://www-xray.ast.cam.ac.uk/xray_introduction/
Inleiding in röntgentelescopen : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/introduction/xray_information.html
Chandra resultaten : http://chandra.harvard.edu/
XMM-Newton resultaten : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31220&farchive_objecttypeid=12&farchive_objectid=30910
Integral resultaten : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31218&farchive_objecttypeid=12&farchive_objectid=30910 en: http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=41414
Meer over sterevolutie : http://www.phys.uu.nl/~kortland/hisparc/HiSparc_1_1_1%20sterevolutie.pdf
Meer over ijl gas en donkere materie : http://www.astronomie.nl/nieuws/914/deel_verborgen_kosmische_materie_getraceerd.html
Meer over onderzoek aan neutronensterren en zwarte gaten : http://www.astronomie.nl/nieuws/128/netwerk_3:_astrofysica_van_neutronen-sterren_en_zwarte_gaten.html
Meer over witte dwergen : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/dwarfs.html
Meer over neutronensterren : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/neutron_stars.html
Meer over pulsars : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/pulsars.html
Meer over supernovae : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/supernovae.html
Meer over zwarte gaten : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/black_holes.html
Meer over het gedrag van extreme materie : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/mysteries_l2/conditions.html

Voortgezet onderzoek
ESA’s IXO/Athena-plan : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=103
ESA’s Cosmic Vision 2015-2025 voor röntgenonderzoek : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=38657 en http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=38658
ESA Cosmic Vision 2015-2025 brochure : http://www.esa.int/esapub/br/br247/br247.pdf
Indiase ASTROSAT-missie (2012) : http://meghnad.iucaa.ernet.in/~astrosat/
NASA’s NuSTAR-missie (2012) : http://www.nustar.caltech.edu/
Russische SRG-missie (2013) : http://hea.iki.rssi.ru/SRG/en/index.php
Japanse ASTRO-H-missie (2014) : http://astro-h.isas.jaxa.jp/index.html.en
NASA’s GEMS-missie (2014) : http://heasarc.nasa.gov/docs/gems/
Chinese HXMT-missie (2014) : http://www.integral.soton.ac.uk/missions/HXMT.html en http://www.cospa.ntu.edu.tw/aappsbulletin/data/19-2/36HXMT.pdf

In elkaar gezette spiegels voor röntgenstraling
Spiegels voor röntgenstraling werken via scherende inval en terugkaatsing. Om veel straling in het brandpunt te krijgen wordt een groot aantal spiegels als concentrische cilinders in elkaar gepast
In elkaar gezette spiegels voor röntgenstraling
Onderdeel van het afbeeldingssysteem van ESA's INTEGRAL satelliet
Gaatjes masker bij ESA?s Integral gamma-satelliet
Traliesysteem voor rontgenspectra, gemaakt door SRON voor NASA's Chandra satelliet
Transmissie tralie NASA?s Chandra satelliet
Reflectietralie-systeem, gemaakt door SRON voor ESA's XMM-Newton satelliet
Chandra
Tekening van NASA's Chandra satelliet. De telescoop-opening zit rechts en de detectoren bevinden zich links achterin de buis
XMM-Newton
tekening van ESA's XMM-Newton rontgensatelliet. De telescoop-openingen bevinden zich links. De detectoren zitten rechts aan het einde van de buis
Integral
tekening van ESA's INTEGRAL satelliet voor het maken van afbeeldingen en spectra in gammastraling
Witte dwerg Sirius B, de dichtstbijzijnde witte dwergster op circa 11 lichtjaar van de aarde
Witte dwerg Sirius B, de dichtstbijzijnde witte dwergster op circa 11 lichtjaar van de aarde. De witte dwerg is het kleine sterretje links onder, net buiten de gloed van de 'gewone' zware ster Sirius A
Witte dwergster in een planetaire nevel
Witte dwergster in een planetaire nevel

Neutronenster model
Neutronenster model. Deze sterren draaien snel rond. Rond de magnetische polen (rood) ontsnapt straling. Ligt de aarde in de baan van deze rondzwiepende 'vuurtorenbundels' dan zien we de ster periodiek oplichten
Neutronenster artist impression
Tekening van hoe een neutronenster er uit zou kunnen zien
Chandra waarneming van de neutronenster in supernovarest RCW 103
Chandra waarneming van de neutronenster in supernovarest RCW 103

Tijdreeks van de pulsar in de Krabnevel
Tijdreeks opnamen van de pulsar in de Krabnevel. De ster draait dertig keer rond zijn as in een seconde
Chandra waarnemingen van de Krabpulsar, een snel ronddraaiende neutronenster temidden van de explosierestanten van de vroegere zware ster
Chandra waarnemingen van de Krabpulsar
Supernova in sterrenstelsel
Supernova, links onder in dit sterrenstelsel
Supernova restant SN 1006 via Chandra
Supernova restant SN 1006 vastgeled met de Chandra-satelliet. De ster is in ons jaar 1006 ontploft
Indirecte waarneming donkere matere via XMM-Newton
Indirecte waarneming donkere matere via XMM-Newton

Model van accretieschijf om super zwaar zwart gat
Model van accretieschijf rond super zwaar zwart gat
Model van omgeving zwart gat
Model van omgeving zwart gat. Langs de draaiingsas kunnen zogeheten jets ontstaan waarin materie wordt weggeschoten
Animatie van een alleenstaand stellair zwart gat
Animatie van een alleenstaand stellair zwart gat

Model van zwart gat in dubbelsysteem
Model van zwart gat in dubbelsysteem

Sterren bewegen om het massieve zwarte gat in het centrum van de Melkweg
Sterren bewegen om het massieve zwarte gat in het centrum van de Melkweg

IXO/Athena
ESA studeerde op een opvolger van XMM-Newton onder de naam IXO/Athena. Het is allerminst zeker of ESA zo'n opvolger zal bouwen
Astrosat
Schema van Astrosat, een project van India voor waarnemingen op verschillende golflengten. De missie moet in 2012 starten
NuSTAR
NASA lanceerde op 13 juni 2012 de NuSTAR rontgensatelliet. De spiegels bevinden zich links op tien meter afstand van de detectoren (rechts). NASA verwacht door deze grote brandpuntsafstand zeer gedetailleerde rontgenspectra te kunnen verzamelen
Scherper beeld NuStar door grote brandpuntsafstand in vergelijking met Chandra
Animatie van het scherpere beeld van NuStar door de grote brandpuntsafstand, in vergelijking met Chandra
NASA GEMS
NASA's GEMS-satelliet (Gravity and Extreme Magnetism Small Explorer) moet in 2014 worden gelanceerd
Japan ASTRO-H
De Japanse ASTRO-H satelliet voor rontgenstraling moet in 2014 worden gelanceerd
China HXMT
Tekening van China's HXMT satelliet
Rusland SRG
Eerste ontwerp van Rusland's SRG project