Utrechtse detectoren in baan rond de aarde: De stervenskreet van een ster
Utrechtse detectoren in baan rond de aarde: De stervenskreet van een ster
Drie satellieten met Utrechtse rontgendetectoren draaien baantjes om de aarde. Ze speuren naar explosies in het heelal. De zeer vooraanstaande Nederlandse ruimtevaartorganisatie SRON, die veertig jaar bestaat, ontwikkelt momenteel een vierde detector. Deze moet in 2015 door de dampkring gaan. Met sterrenkundige John Heise wordt een kijkje genomen in het lab.
Bij het openen van de deur naar de stof- en kiemarme ruimte waait een stevige bries de bezoekers in het gezicht. Stofdeeltjes krijgen geen kans om, tegen de wind in, de schone kamer in te kruipen van de Stichting Ruimtekundig Onderzoek Nederland. In de volgende kamer, met 'klasse 1000-10.000' lucht, trekt sterrenkundige prof. dr.John Heise een jas aan, doet plastic hoezen over de schoenen en trekt handschoenen aan. En antiroos-shampoo of niet, een muts is verplicht. Om de gevoelige apparatuur in de ontwikkelruimte niet te beschadigen, mag er geen stofdeeltje te veel de kamer binnen. Want klasse 1000 wil zeggen dat er slechts 1000 deeltjes van een halve micrometer (een duizendste millimeter) per volume-eenheid rond mogen zweven. En er zijn nog veel schonere laboratoria bij het SRON.
Via een sluisdeur treedt hij zo'n ruimte binnen waar een testmodel en een kopie staan van een in Utrecht ontworpen en gemaakte rontgendetector. Het fijngevoelige apparaat zit in een metalen bekisting van twee meter lang met aan de voorkant een dun gouden masker met 30.000 gaatjes. Twee van deze detector zitten er momenteel in een Nederlands-Italiaanse satelliet, de BeppoSAX, die in een baan om de aarde draait en onder meer speurt naar explosies in het heelal.
"Wij zijn een soort explosievenopruimingsdienst van het ruimteonderzoek", zegt Heise. De Utrechtse groothoekcamera's in de BeppoSAX turen met een wijde blik de ruimte in. Die brede blik is het grootste verschil met andere detectoren in de ruimte. De groothoeklenzen maken het mogelijk om op onverwachte plaatsen kortdurende flitsen te zien, die aan de aandacht van grotere telescopen en satellieten ontsnappen. Die telescopen, zoals de Hubble Space Telescope of de Keck op Hawaii, zijn wel heel scherp, maar ze kunnen maar een heel klein gebied van de ruimte bekijken.
BeppoSAX paart een wijde blik aan voldoende nauwkeurigheid. In de BeppoSAX, zit een soort camera obscura. Elke rontgenbron werpt een unieke schaduw op de detector erachter doordat de straling door een gouden masker gaat met 20.000 gaatjes. De computer kan vanuit de 20.000 ontstane schaduwen de bron terugrekenen. "Een simpele en geestige methode", vindt Heise. "Onze verdienste is dat wij snel en nauwkeurig genoeg kunnen aangeven waar een flits vandaan komt. Andere grote telescopen kunnen dan inzoomen op overblijfselen van de explosie die daaraan vooraf is gegaan." Anders gezegd: "Wij horen boem en zonder ons hoofd om te draaien zeggen we waar de explosie was, daarna pakken andere waarnemers hun verrekijker erbij."
Het is van wetenschappelijk belang om zo veel mogelijk explosies en rontgenstraling in de ruimte waar te nemen. Ze verschaffen andere wetenschappers informatie over de locatie van zwarte gaten en neutronensterren, objecten die met normale telescopen niet zichtbaar zijn. Rontgenflitsen ontstaan namelijk pas bij een temperatuur van honderd miljoen graden. Het wordt zo heet in de buurt van zwarte gaten. Dat komt doordat alle materie die ze aantrekken in de val naar het gat extreem verhit raakt. "Dat is een enorm efficiente manier om energie te maken uit materie", zegt Heise. "Veel efficienter dan de thermonucleaire processen in de zon. Zwarte gaten waar materie invalt, zijn daardoor de belangrijkste energieleverancier van het heelal."
Heise beleeft hoogtijdagen met drie rontgensatellieten in de ruimte. Zo gaven enkele jaren geleden de waarnemingen van de BeppoSAX een langverwachte impuls aan het onderzoek naar gamma-uitbarstingen, straling die nog krachtiger is dan rontgenstraling. Dankzij de Utrechtse groothoekcameria in BeppoSAX konden eindelijk de aard en de oorsprong van deze al dertig jaar mysterieuze straling onderzocht worden. De explosies bleken restanten van snelverdwijnende sterren te zijn in verweggelegen melkwegstelsels. "In een fractie van een seconde wordt daar eentiende van een zonsmassa aan materie omgezet in energie," schetst Heise.
In oktober nam BeppoSAX opnieuw rontgenflitsen waar, op aanwijzing van Heise en zijn collega dr. Jean in 't Zand keken grote telescopen over de hele wereld naar de plek aan de hemel waar BeppoSAX de straling zag. Naar nu blijkt, zijn de flitsen eigenlijk een veel voorkomend verschijnsel. "Een zware ster aan het eind van zijn leven stort in tot een zwart gat", legt Heise uit. "De rontgenstraling die daarbij ontstaat zou je dus kunnen zien als de geboortekreet van een zwart gat. Of de stervenskreet van een ster. In het heelal ontstaat op deze manier elk kwartier een zwart gat. Op aarde zien we er ongeveer een per dag, omdat de straling niet altijd in onze richting uitgezonden wordt. Onze detector ziet er weer een per maand."
In het lab wordt momenteel weer een nieuw soort rontgendetector ontwikkeld. "Ik ben daar verschrikkelijk trots op", zegt Heise. Deze detector moet nog gevoeliger worden en maakt gebruik van het principe van supergeleiding (zie kader). De nieuwe uitvinding moet in 2015 de ruimte in, maar Heise sluit niet uit dat het project voor die tijd misschien fuseert met een vergelijkbaar Amerikaans initiatief.
SRON gaat wel meewerken aan het maken van satellieten die infrarood-straling meten. "Dus de komende jaren ga ik niet aan rontgenastronomie doen. Dat is jammer voor me", zegt Heise met een knipoog naar de bekendheid die hij ermee verwierf. Niet getreurd, want de rontgenexplosies van de allerverste en dus allereerste sterren, zijn verschoven naar het infrarode gebied. Er blijkt werk aan de winkel.
Rinze Benedictus
In de derde Nederlandse detector die in de ruimte vliegt, de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX, zit geen tralies maar een soort camera obscura. Elke rontgenbron werpt een unieke schaduw op de detector erachter doordat de straling door een gouden masker gaat met 20.000 gaatjes. De computer kan vanuit de 20.000 ontstane schaduwen de bron terugrekenen. "Een simpele en geestige methode", vindt Heise.
Ruimtekoelkast
Het SRON ontwikkelt een nieuw soort rontgendetector, die gevoeliger is dan de huidige apparaten. Terwijl de organisatie al toonaangevend is met de huidige apparatuur, waarbij rontgenstraling wordt gemeten door de deeltjes tussen 'tralies' door te laten afbuigen. Met de nieuwe detector kan SRON haar toonaangevende positie bevestigen op het gebied van rontgendetectie. Heise legt het principe van de nieuwe detector uit. "Stel je hebt een bakkie water met een thermometer erin. Als er nu een rontgendeeltje invalt, stijgt de temperatuur een klein beetje. Dat meten we."
In iets meer technisch detail werkt de detector als volgt. SRON maakt gebruik van supergeleiding, het fenomeen dat metalen hun elektrische weerstand verliezen bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). De rontgendetector van SRON wordt met vloeibaar helium gekoeld tot net onder de temperatuur waar supergeleiding optreedt. Als nu een rontgenfoton in de detector valt, stijgt de temperatuur een heel klein beetje. Het apparaat is zo afgesteld dat net door die verhoging de supergeleiding wegvalt. Die verandering is goed meetbaar en zo is de energie van een enkel foton waar te nemen. "Dit kunnen we al", zegt Heise. "De moeilijkheid zit nu in het maken van een 'netvlies' waar we heel veel rijen detectoren naast elkaar zetten."
Hoewel het in de ruimte al niet echt warm is, is het toch nodig de detector te koelen. "Vergis je niet", zegt Heise, "door de aarde, de zon, de maan en kosmische deeltjes, kan het tamelijk warm worden op zo'n satelliet."
Verschenen op 07-02-2002 in U-blad 21.