SRON - LETG

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Sunday Mar 26th, 2023

LETG: Transmissietralie voor röntgentelescoop Chandra (NASA)

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?

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.

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 röntgenmissiesASTROSAT, 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.