www.sron.nl/t-gammaspectrometrie

Gammaspectrometrie: Samenstelling meten van de heetste gassen  

b_180_0_3355443_00_images_stories_sron_50jaar_dashback50.jpg
Uitdaging
Doorbraak
Inzet
Links
 

Uitdaging

Gammastraling is de meest energierijke elektromagnetische straling in het heelal. De energie wordt meestal uitgedrukt in elektronvolt. Een elektronvolt is de energie die een elektron krijgt als het wordt versneld in een elektrisch veld met een potentiaalverschil van 1 Volt. Gammafotonen hebben een energie van 100 keV of meer (100 000 elektronvolt). De meeste kosmische gammafotonen hebben een energie tussen ruwweg 10 MeV en 10 GeV (M – mega, een miljoen; G – giga, een miljard). Er bestaan nog veel krachtiger gammafotonen maar die zijn erg zeldzaam. De recordhouder heeft een energie van 7,5 x 1014 eV, ruim 50 maal meer dan we op aarde kunnen maken in de grootste deeltjesversnellers. De energie van één zo’n foton komt overeen met die van de hardst geslagen tennisballen.

Er is genoeg aanleiding om de hemel af te speuren naar gammastraling omdat je zo informatie kunt verzamelen over zeer energierijke gebeurtenissen in het heelal. Helaas is het meten van gammastraling niet gemakkelijk om een aantal redenen:

  • Weinig fotonen. De eerste satelliet die gammastraling kon meten, de Explorer XI in de jaren zestig van de vorige eeuw, registreerde 31 fotonen… Er zijn bronnen waarvan we maar 1 foton per dag ontvangen. In het algemeen moet je dus heel lang naar een gammabron ‘kijken’ om voldoende straling op te vangen, zeker als je ook nog spectraallijnen wilt meten.
  • Geen focus. Gammastraling kun je niet focusseren (en dus concentreren) met behulp van lenzen of spiegels. Bijgevolg kun je ook geen telescoop bouwen in de klassieke zin, waarmee je de herkomstrichting kan vaststellen.
  • Veel storing. Gammadetectoren meten in principe ook de inslagen van kosmische deeltjes: snelle protonen, elektronen, heliumkernen en zo verder. Deze ruis is vele malen sterker dan de intensiteit van de kosmische gammafotonen.
  • Groot energiebereik. Om iets te kunnen zeggen over de aard van de gammastraling die van een bron afkomstig is, moet je de intensiteit over een groot energiebereik meten (het spectrum). Elk eerder genoemd proces heeft zijn eigen karakteristieke continu-spectrum.

Lees meer: de natuurkundige processen die gammastraling veroorzaken. Remstraling. Wanneer snel bewegende elektrisch geladen deeltjes vlak langs elkaar bewegen kunnen ze afremmen en van richting veranderen. Het energieverschil tussen de oorspronkelijke en de nieuwe situatie wordt uitgezonden via een foton. Bij zeer hoge snelheden zijn dit gammafotonen. Dit verschijnsel doet zich voor in het vlak van het Melkwegstelsel, waar snelle elektronen en protonen op geïoniseerd gas kunnen botsen. Deze straling komt ook voor in supernovaresten, de gaswolken van uiteengespatte sterren. Comptonstraling. Gammastraling verstrooit in gaswolken en bij de wisselwerking met elektronen draagt het foton wat energie over terwijl het van richting wordt veranderd. Inverse Comptonstraling komt ook voor. Dan dragen snel bewegende elektronen wat energie over aan gammafotonen waardoor die nog meer energie krijgen. Ook deze straling zien we bij supernovaresten en in de buurt van de materieschijven die bijvoorbeeld om zwarte gaten draaien. Synchrotronstraling. Elektrisch geladen deeltjes – met name elektronen – kunnen door magneetvelden worden versneld. Ze bewegen spiraalsgewijs in een kurketrekkerbaan om de magnetische velden. Bij snelheden tegen de lichtsnelheid wordt de straling in een nauwe, voorwaartsgerichte kegel uitgezonden. Via synchrotronstraling kunnen sterrenkundigen de sterkte, vorm en ligging van magnetische velden bepalen. Door deze straling te bestuderen kunnen sterrenkundigen meer te weten komen over bijvoorbeeld de structuur van supernovaresten, of de manier waarop zwarte gaten via nauwe stralingsbundels materie uit de ronddraaiende schijf kunnen wegschieten. Radioactief verval. In de natuur komen 92 chemische elementen voor. De kleinste eenheid is een atoom, bestaande uit een kern en een elektronenwolk. In de kern bepaalt het aantal protonen het type element. Zo heeft aluminium 13 elektrisch positief geladen protonen in de kern. Daarnaast bevinden zich in de kern neutronen. Bij stabiel aluminium zijn dat er 14. Nu bestaat er ook een variant (een isotoop) met 13 neutronen. Zo’n kern is niet stabiel en valt uiteen waarbij onder andere gammastraling vrijkomt. Dit kunnen we zien als een emissielijn in het gammaspectrum. Het isotoop bestaat kosmisch gezien nooit lang: na een miljoen jaar is de helft vervallen, na twee miljoen jaar driekwart, en zo verder. Er bestaan verschillende isotopen van diverse elementen die gamma-lijnstraling produceren. Ze gelden als indicatoren voor recente supernovae. Kernfusie en kernsplijting. Bij deze processen botsen lichtere atoomkernen op elkaar om zwaardere te vormen, of vallen zwaardere kernen uiteen in lichtere. Gammastraling wordt voor korte tijd in grote hoeveelheden geproduceerd bij zeer zware supernova-explosies, bij het samensmelten van witte dwergen en neutronensterren en bij het ontstaan van zwarte gaten. We nemen deze fenomenen waar via gammaflitsen. Onder de categorie Resultaten zijn vensters opgenomen over het gedrag van extreme materie in de buurt van bijvoorbeeld supernovae en zwarte gaten, en over de zwaarste sterexplosies waarbij gammaflitsen ontstaan.  
 

   omhoogomlaag

Doorbraak

In de loop van (meer dan) vijftig jaar ruimteonderzoek zijn er verschillende manieren ontwikkeld om kosmische gammastraling te meten.

   omhoogomlaag

Inzet

Met behulp van de steeds verfijndere techniek om gammafotonen te detecteren heeft de ontwikkeling van de hoge-energieastrofysica een geweldige impuls gekregen. Naast de diffuse achtergrondstraling afkomstig van het gas uit het Melkwegvlak, zijn tal van aparte bronnen ontdekt. Sommigen komen overeen met supernovarestanten waarbij de gammastraling afkomstig is van de directe omgeving van het sterrestant en van gaswolken die met grote snelheid op elkaar botsen. Andere bronnen wijzen op processen rond neutronensterren en (massieve) zwarte gaten in ver weggelegen sterrenstelsels.

COS-B produceert de eerste gammastralingskaart van de hemel. Naast de Melkwegstraling zijn zo’n 25 aparte bronnen te zien. Daaronder zijn snel ronddraaiende neutronensterren (pulsars) als Cygnus X-3, een quasar (3C273, een zwaar zwart gat in een ver sterrenstelsel) en een stervormingsgebied. De meeste bronnen kunnen ten tijde van de ontdekking nog niet worden geïdentificeerd. COMPTEL produceert een catalogus van 63 bronnen van gammastraling. Twee daarvan zijn heel jonge supernovarestanten omdat daar gammalijnstraling wordt gemeten, afkomstig van het verval van aluminium 26Al en titanium 44Ti. Een van deze bronnen is maar 700 jaar oud en moet toen hij explodeerde even helder zijn geweest aan onze hemel als de volle maan. Verder omvat de catalogus pulsars en actieve kernen van sterrenstelsels. Over COS-B is een apart venster opgenomen onder de categorie Experimenten.

INTEGRAL produceert een reeks van grensverleggende resultaten. Rond de kern van het Melkwegstelsel is de verdeling van gammastraling in kaart gebracht, afkomstig van het samensmelten van elektronen en anti-elektronen. Verder is op enkele plekken het radioactieve verval waargenomen van aluminium 26Al, titanium 44Ti en ijzer 60Fe, waarmee de verdeling van jonge supernovarestanten nu beter bekend is. Aan compacte gammabronnen ziet Integral er in de eerste vijf jaar van de missie in totaal 421 stuks, waarvan een kwart nog niet is geïdentificeerd. Er is een nieuwe klasse van zware dubbelsterren ontdekt die röntgen- en gammastraling uitzenden. Ook zijn ‘magnetars’ gevonden: pulsars die extreem sterke magnetische velden blijken te bezitten. Verder zijn er nu meer dan 100 actieve kernen van sterrenstelsels bekend waarbij uit de directe omgeving van de reusachtige zwarte gaten gammastraling ontsnapt. En last-but-not-least ziet Integral regelmatig gammaflitsen, afkomstig van enorme supernovae, het versmelten van compacte objecten en de vorming van zwarte gaten.

Er zijn verschillende andere satellieten voor onderzoek van gammastraling, zoals NASA’s FERMI-missie die wordt beschouwd als de opvolger van het Compton Gamma Ray Observatory.

Links  

Uitdaging
Overzichtje over gammastralingsterrenkunde : http://missionscience.nasa.gov/ems/12_gammarays.html
Algemene informatie over gammastraling uit het heelal : http://www.kennislink.nl/publicaties/zoeken-naar-extreme-straling
Meer over gamma-sterrenkunde : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/introduction/gamma_information.html

Doorbraak
Overzicht van ruimtemissies (o.a.) gericht op onderzoek naar gammastraling : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/sats_n_data/gamma_missions.html
Meer over de vonkenkamer in COS-B : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31471
Meer over COMPTEL : http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/comptel/compteldesc.html
Meer over de gammastralingsdetectoren van ESA’s Integral-missie : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31175&fbodylongid=719

Inzet
Meer over de COS-B resultaten : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31457
Meer over de CGRO-missie : http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/cgro/
Meer over CGRO-resultaten : http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/cgro/comptel/
Meer over de Integral-resultaten : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=47058 en http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=41414
Meer over NASA’s FERMI-missie : http://fermi.gsfc.nasa.gov/

 

 

 

De Krabnevel is een supernovarest waarvan gammastraling wordt gemeten
De Krabnevel is een supernovarest die onder andere gammastraling uitzendt
Recente kaart van de hemel in gammastraling (NASA FERMI)
Recente kaart van de hemel in gammastraling, samengesteld aan de hand van metingen van de FERMI-missie van NASA
Massieve zwarte gaten (animatie) zijn bronnen van gammastraling
Massieve zwarte gaten, zoals op deze tekening, zijn vaak bronnen van gammastraling
Gammastraling afkomstig van een supernovarest (W44)
Gammastraling afkomstig van een supernovarest (W44)

Explosie in gammastraling afkomstig van een massief zwart gat in het stelsel 3C 454
Explosie, opgemerkt in gammastraling afkomstig van een massief zwart gat in het stelsel 3C 454
Verdeling van gammaflitsen aan de hemel, zoals waargenomen met het CGRO instrument BATSE
Verdeling van gammaflitsen aan de hemel, zoals waargenomen met het instrument BATSE aan boord van NASA's Compton Gamma Ray Observatory
ESA?s Integral ziet de kern van het Melkwegstelsel in gammastraling
ESA's INTEGRAL gammatelescoop ziet de gammabronnen in de richting van de kern van het Melkwegstelsel in gammastraling

COS-B satelliet
De COS-B satelliet produceerde de eerste kaart van de hemel bij gammastraling en opende daarmee nieuwe terreinen voor onderzoek
COS-B detectorschema
Schema van de detector van COS-B
CGRO bij het loslaten uit het ruim van de Spaceshuttle
NASA's Compton Gama Ray Observatory (CGRO) tijdens het 'lossen' uit het ruim van de space shuttle
COMPTEL detectorschema
Nederland leverde grote bijdragen aan het COMPTEL-instrument van NASA's CGRO-satelliet. De detector bevindt zich in een van de cilinders, zichtbaar op de foto van de satelliet
CGRO aanduiding instrumenten
Plaatsing van de instrumenten in de NASA satelliet CGRO voor onderzoek naar gammastraling uit het heelal
Integral detectoreenheid
Onderdeel van het masker-afbeeldende systeem van ESA's INTEGRAL-satelliet
Integral spectrometer
Schema van de spectrometer aan boord van ESA's INTEGRAL-satelliet
Meer over (andere) detectoren voor gammastraling
Schema van de gammastralingsdetector van COS-B

COS-B kaart van gammastraling aan de hemel
COS-B kaart van gammastraling aan de hemel

COS-B kaart van straling uit het Melkwegvlak
COS-B kaart van gammastraling, afkomstig uit het Melkwegvlak
COMPTEL kaart van gammastraling aan de hemel
COMPTEL kaart van gammastraling aan de hemel

COMPTEL kaart van straling uit het Melkwegvlak
COMPTEL kaart van gammastraling uit het Melkwegvlak
Enkele identificaties van COMTEL bronnen
Enkele aparte bronnen van gammastraling zoals gemeten met het COMTEL-instrument aan boord van NASA's CGRO-satelliet
COMPTEL ?foto? in gammastraling bij de emissielijn van 44Ti bij een zeer jonge supernovarest
COMPTEL 'foto' in gammastraling uitgezonden door het element titanium, verdeeld binnen een zeer jonge supernovarest
Integral kaart van compacte gammabronnen aan de hemel
ESA's INTEGRAL hemelkaart van aparte bronnen van gammastraling
Integral kaart van annihilatie-straling waarbij elektronen en anti-elektronen verdwijnen in een gammafoton met een energie van 511 keV
ESA's INTEGRAL kaart van het Melkwegcentrum bij gammastraling die wordt uitgezonden door de annihilatie van elektronen en anti-elektronen (511 keV)