SRON - Thijs de Graauw

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

Wednesday Jun 07th, 2023

Thijs de Graauw (1942): Ontwikkelt technologie om het koele heelal te bestuderen

Onderscheid
Belangrijkste bijdragen
Opmerkelijk
Links

Onderscheid

Prof. dr. M.W.M. (Thijs) de Graauw studeert sterrenkunde in Utrecht en promoveert in 1975 bij prof. dr. H. van Buren op een proefschrift over heterodyne techniek, toe te passen voor infraroodwaarnemingen. Hij werkt van 1975 tot 1983 bij de wetenschappelijke staf van het Space Science Department van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. In de grootste ESA vestiging, ESTEC te Noordwijk, ontwikkelt hij microgolfontvangers. In 1983 wordt hij directeur van de Groningse vestiging van SRON. Daarnaast is hij buitengewoon hoogleraar aan de Leidse Sterrewacht. In 2008 wordt hij interim-directeur, later directeur, van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), die zal uitgroeien tot de grootste radiotelescoop ter wereld.

Thijs de Graauw staat ook aan de basis van het ontwikkelen van heterodyne techniek voor sterrenkundige waarnemingen bij (sub)millimetergolflengten. Hij ontwikkelt de techniek eerder voor gebruik in het infrarood. In het ruimteonderzoek is hij kernspeler bij twee baanbrekende missies: ESA’s Infrared Space Observatory (ISO) en ESA’s Herschel-missie. De lijn voor onderzoek bij SRON in spectraalgebieden voor lage energie, wordt doorgetrokken naar toekomstige missies, zoals het project SAFARI (SPICA Far Infrared Instrument) dat een onderdeel vormt van de SPICA-missie van het Japanse ruimtevaartbureau JAXA.
Lees meer: ALMAALMA ligt op 5 kilometer hoogte in het Chileense Andesgebergte en is een initiatief van Europa, Japan en de Verenigde Staten. Het geldt als het grootste internationale sterrenkundig project dat ooit is ondernomen. De telescoop bestaat uiteindelijk (de bouw is in 2003 begonnen en duurt nog voort) uit tientallen individuele radiotelescopen met een diameter van 12 en 7 meter. Voor het doen van waarnemingen worden ze elektronisch gekoppeld, vergelijkbaar met de manier waarop in het Drentse Westerbork de 14 opgestelde radiotelescopen samen één grote radiotelescoop vormen. ALMA is echter speciaal ontwikkeld om waarnemingen te doen bij mm-golflengten. Vocht in de atmosfeer is daarbij een enorme spelbreker vanwege de absorptie van die straling. Daarom staat de telescoop in een zeer droog gebied waar de luchtvochtigheid heel erg laag is. Waarnemingen bij submillimetergolflengten zijn alleen vanuit de ruimte goed mogelijk en dat is de hoofdtaak van ESA’s Herschel-missie.
Lees meer: heterodyne techniekHeterodyne techniek maakt het mogelijk signalen waar te nemen die niet zo geschikt zijn voor het rechtstreeks elektronisch ontvangen en afbeelden. De techniek is gebaseerd op het meten van zwevingen. Ze ontstaan als je een signaal mengt met een signaal dat bijna dezelfde frequentie heeft. Het voordeel is dat de zwevingen een langere golflengte hebben dan het oorspronkelijke signaal, en daardoor gemakkelijker kunnen worden gemeten. Het stemmen van snaarinstrumenten verloopt op een enigszins vergelijkbare manier. Bij deze techniek wordt een ‘local oscillator’ gebruikt, een zeer stabiel signaal met een precies bekende golflengte. Het opgevangen signaal wordt er dan mee gemengd, waarna het resulterende ‘vermengde’ signaal wordt geanalyseerd op zwevingen. Je kunt een heterodyne detector ook zien als een ‘vertaler’. Bij Herschels HIFI wordt het kosmische signaal van submillimetergolflengten, met een frequentie in de orde van 1000 gigahertz, en waarvan het signaal een bandbreedte heeft van maar een paar gigahertz, vertaald naar een duizend keer lagere frequentie, zonder dat ook maar iets van de inhoud van het signaal verloren gaat. Die lagere frequentie is vervolgens wel goed te versterken met elektronica. Om de ruis van de telescoop en de detector zo laag mogelijk te houden, worden heterodyne detectoren voor (sub)millimetergolflengten gekoeld tot vlak bij het absolute nulpunt.

Belangrijkste bijdragen

Infrared Space Observatory (ISO) – ESA-missie voor gedetailleerd onderzoek van infraroodbronnen (1995 – 1998). Thijs de Graauw is Pinrcipal Investigator (wetenschappelijk projectleider) voor de Short Wavelength Spectrometer (SWS), een van de meest succesvolle instrumenten aan boord van de satelliet. Het is een diepgekoeld optisch meetinstrument, ontwikkeld onder leiding van SRON Groningen met als partners TNO – Thechnisch Physische Dienst en het Max Planck Institut in Garching, nabij München (Duitsland).

ISO-SWS zet de vakken ‘astrochemie’ en ‘astromineralogie’ op de kaart. De ervaringen met ISO blijken waardevol voor de realisatie van de volgende grote infraroodmissie: NASA’s Spitzer-telescoop. Zonder Nederlands instrument maar wel met een grote Nederlandse wetenschappelijke inbreng, zoals van Ewine van Dishoeck. Zij is ook betrokken bij het midinfraroodinstrument voor NASA’s JWST-telescoop die vermoedelijk in 2018 wordt gelanceerd.
Lees meer: detectorenDe detectoren van ISO-SWS zijn deels afkomstig uit de Verenigde Staten. Het instrument neemt minder dan 10 liter ruimte in en weegt 9 kilogram. Met een ingewikkeld stelsel aan spiegeltjes en roosters met lijntjes op een honderdste millimeter afstand, ontstaat een gedetailleerde infraroodspectrum. Het reduceren van de metingen tot informatie en ‘plaatjes’ is lastig omdat de detectoren na elke meting van een infraroodfoton weer moeten ‘recupereren’ voordat de volgende kan worden geregistreerd. Uitgekiende elektronica en gegevensverwerking zijn daarbij onmisbaar. Het Nederlandse instrument blijkt het, mede hierdoor, veel beter te doen dan een ander, tweemaal zo duur instrument. SWS is 1500 maal gevoeliger dan voorganger IRAS en levert ruim 25.000 spectra op. De talloze spectraallijnen maken het mogelijk chemische processen en de vorming van mineralen gedetailleerd te volgen.

Herschel – ESA-missie voor onderzoek bij submillimetergolflengten (2009 – heden). De telescoop met een spiegel van 3,5 meter heeft drie instrumenten aan bood. Thijs de Graauw is tot zijn vertrek naar ALMA Principal Investigator voor het HIFI-instrument (Heterodyne Instrument for the Far Infrared). Dat is een spectrometer waarmee spectra kunnen worden opgenomen in twee golflengtebanden: 157 – 212 micron en 240 – 625 micron. Het ontwerpen en bouwen van dit zeer ingewikkelde instrument vergt een zeer complexe projectorganisatie waarin ruim twintig partijen deelnemen. “Gelukkig heb ik mijn wortels niet alleen in de sterrenkunde liggen, maar ook in system-engineering en in optische technieken. Naast heterodyne techniek natuurlijk. Deze combinatie is nodig omdat je als projectleider steeds besluiten moeten nemen op de grensvlakken tussen wetenschap, techniek en … financiën natuurlijk. Er wordt heel veel van je gevraagd. Soms denk je wel eens: gaat dat allemaal wel lukken, is het niet té ingewikkeld geworden voor SRON, voor mijn team, voor mijzelf. Maar uiteindelijk telt het eindresultaat,” zegt Thijs de Graauw.
Lees meer: resultaten HIFISterrenkundig gezien zorgt HIFI inmiddels voor belangrijke inzichten bij onder andere: Stervormingsprocessen, met name hoe wolken kunnen samentrekken door te koelen via de aanwezigheid van water; Astrochemie, met name de vorming van complexe (organische) moleculen in de aanwezigheid van ijs- en stofdeeltjes; Moleculaire processen in gebieden waar schokfronten optreden in gas- en stofwolken, rond jonge sterren, maar ook rond actieve kernen van sterrenstelsels; Samenstelling van gas en stof in de ruimte tussen de sterren, en hoe die verandert doordat oude sterren gas en stof afgeven; Processen in sterrenstelsels op zeer grote afstanden, uit een tijd dat het heelal nog maar een fractie had van de huidige leeftijd, door hun infraroodspectrum te vergelijken met dat van nabije stelsels.

Opmerkelijk

Thijs de Graauw geldt als de ‘vader’ van de sterrenkundige heterodyne techniek. De oorsprong gaat terug tot 1969 toen in de Tjechische Ondrejov sterrenwacht de techniek werd toegepast bij zichtbaar licht. Samen met Herman van de Stadt ontwikkelt De Graauw oscillatoren die het mogelijk maken om de techniek toe te passen in het infrarood, bij 10 micron in 1973 en bij 3 micron in 1975. Dan ontstaat bij De Graauw het plan om vanuit een satelliet heterodyne waarnemingen te doen bij sub-millimeter golflengten, een tot dan toe nog nooit bestudeerd deel van het elektromagnetisch spectrum. Maar de bestaande heterodyne techniek moet daarvoor eigenlijk opnieuw ontwikkeld worden, omdat die zo niet geschikt is voor een ruimtemissie. Het plan FIRST (Far Infrared Space Telescope) met daarin HIFI (Heterodyne Instrument fot FIRST) ziet het levenslicht en omvat een diepgekoelde ruimtetelescoop met een diameter van 8 meter. “ESA ontdekte een begrotingstekort van tien procent bij deze missie en nam het besluit om de spiegel te verkleinen tot 3,5 meter. Maar daarna was het tekort nog steeds 10 procent. Ontzettend jammer dat die grote spiegel verder uit het project bleef, want dat had de wetenschappelijke waarde van de huidige Herschel-missie nog veel en veel groter kunnen maken” zegt Thijs de Graauw. Intussen ziet hij in samenwerking met Rusland en/of China kansen voor een twaalf-meter telescoop en misschien komt het ooit nog van een ALMA-in-de-ruimte zodat een telescoop van honderden meters wordt gerealiseerd…