Astronomisch rontgenoloog

De Duitse rontgensatelliet Rosat die gisteren werd gelanceerd, begint binnenkort met zijn waarnemingen. Deskundigen verwachten dat de rontgenastronomie hiermee een grote sprong voorwaarts zal maken.

Over enkele dagen begint de Duitse rontgensatelliet Rosat met een tot nu toe ongeevenaarde gedetailleerdheid systematisch de hemel af te speuren naar kosmische rontgenbronnen. Rosat is de zevende wetenschappelijke satelliet van Duitse makelij, maar de eerste die voor uitsluitend astronomisch onderzoek is gebouwd. Met Rosat heeft Duitsland zich een belangrijke plaats verworven op het nog vrij jonge, maar veelbelovende terrein van de rontgenastronomie. De satelliet en zijn telescoop, de grootste en de beste in zijn soort, werken perfect: Duitse Grundlichkeit in een baan om de aarde.

580 kilometer hoogte

Rosat werd gebouwd in opdracht van het Bondsministerie voor Onderzoek en Technologie (BMFT) onder de programmaleiding van de Duitse Onderzoeksinstelling voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR). Hoofdcontractant was de firma Dornier, ondercontractanten onder andere Messerschmitt-Bolkow-Blohm en Carl Zeiss. Maar ook de Verenigde Staten, Engeland en zelfs Nederland hebben bijdragen aan het project geleverd. De wetenschappelijke leiding berust bij het Max-Planck-Instituut voor buitenaardse fysica in Garching bij Munchen. De 2,4 ton zware satelliet werd op 1 juni met behulp van een Amerikaanse Delta-II raket in een baan op exact 580 kilometer hoogte rond de aarde gebracht.

Toen Wilhelm Konrad Rontgen in 1895 de geheimzinnige, onzichtbare en later naar hem genoemde straling ontdekte, kon hij niet vermoeden dat er aan de hemel ontelbare bronnen zijn die zulke straling in grote hoeveelheden uitzenden. In feite zenden ook alle gewone sterren, zoals de zon, rontgenstraling uit. Het waarnemen van deze kosmische rontgenstraling werd echter pas mogelijk na de komst van raketten en kunstmanen, aangezien de straling door de dampkring van de aarde wordt tegengehouden.

Op het eerste gezicht lijkt dit vreemd, want rontgenstraling kan wel door vaste stoffen heendringen. Daaraan ontleent deze straling immers zijn toepassingen in de geneeskunde, de kristallografie en het materiaalonderzoek. Hoe kan de ijle luchtlaag rond de aarde die straling dan tegenhouden? Dit komt doordat de atmosfeer zo uitgebreid is, dat elk rontgenfoton dat van buiten komt op een bepaald moment toch een atoom op zijn weg treft en erdoor wordt geabsorbeerd.

In de jaren dertig suggereerden enkele onderzoekers dat de allerbuitenste atmosfeer van de zon, de corona, ultraviolette straling en rontgenstraling uitzendt en dat daardoor de aardatmosfeer op grote hoogte wordt geioniseerd. Deze straling kon in 1948 worden waargenomen door Amerikaanse onderzoekers, die met behulp van een in Duitsland buitgemaakte V-2 raket een meetinstrument tot buiten de dampkring schoten. De rontgenstraling van de zon was echter zo zwak, een miljoenste van de intensiteit van alle straling van de zon, dat men niet verwachtte ooit rontgenstraling van andere, veel verder verwijderde sterren te zullen opvangen.

Sco X-1Het was dan ook een grote verrassing toen in 1962 bij toeval een andere, veel sterkere rontgenbron aan de hemel werd ontdekt: Sco X-1 (dat wil zeggen de eerste rontgenbron in het sterrenbeeld Schorpioen). Vier jaar later toonden optische astronomen aan dat het hier om een lichtzwakke ster gaat die in het rontgengebied duizend maal meer energie uitzendt dan in zichtbaar licht. De eerste rontgenster was ontdekt: de eerste van een geheel nieuwe klasse van hemellichamen.

In de jaren zestig werden er met behulp van raket-experimenten nog enkele tientallen kosmische rontgenbronnen ontdekt, maar het was pas door de Amerikaanse Uhuru-satelliet in 1970 dat het venster op de rontgenhemel volledig werd geopend. Andere satellieten volgden. Sommige waren vooral bedoeld voor het opsporen van zoveel mogelijk bronnen, andere voor het meer in detail bestuderen van speciaal uitgezochte objecten. Het aantal bekende bronnen nam in de loop van dit onderzoek toe tot enkele duizenden en men ontdekte dat de rontgenhemel er heel anders uitziet dan de hemel die met optische of radiotelescopen wordt waargenomen. De rontgensterrenkunde was een nieuwe pijler van het astronomisch onderzoek geworden.

Rontgenstraling wordt door allerlei objecten in het heelal uitgezonden: gewone sterren, dubbelsterren, kosmische nevels, sterrenstelsels en quasars. Altijd zijn er echter extreme omstandigheden in het spel, zoals zeer snel bewegende deeltjes, extreem hoge temperaturen, of supersterke magnetische velden of gravitatievelden. Rontgenonderzoek is daarom niet alleen van belang voor de astronomie, maar ook voor de fysica, omdat de verschijnselen die men hierbij in het heelal bestudeert niet in laboratoria op aarde kunnen worden nagebootst. Een voorbeeld van hoe 'heet' het er soms toegaat levert de rontgenbron Hercules X-1. Dit is een dubbelster waarvan de ene component door zijn enorm sterke aantrekkingskracht voortdurend materie van de andere component opzuigt. Door het magnetische veld van die aantrekker (sterkte 4,6 biljoen gauss; aarde: 100 gauss) wordt de materiestroom gefocusseerd op een gebiedje van ongeveer een vierkante kilometer op een van de twee polen. Iedere seconde stort hier met een vaartje van 150.000 km ongeveer 100 miljard ton gas neer. Door de schok ontstaat een heet plasma, dat bij een temperatuur van 200 miljoen graden intense rontgenstraling uitzendt. Deze ene vierkante kilometer zendt 5.000 maal zoveel energie uit als de gehele zonnebol. 'Een gebiedje met een diameter van een duizendste millimeter op dit poolgebied heeft in het rontgengebied een vermogen waarmee de energiebehoefte van de Bondsrepubliek gemakkelijk gedekt kan worden', aldus professor Joachim Trumpler, de wetenschappelijk leider van het Rosat-project. 'In vergelijking met kernfusiereacties, die de sterren hun licht laten geven, zijn hier processen aan het werk die honderd maal zo efficient zijn'. Dubbelsterren zoals Hercules X-1 zenden periodiek rontgenflitsen uit, die het gevolg zijn van de draaiing van de ster: een soort vuurtoreneffect. Andere bronnen, zoals de in 1975 door de Amerikaans-Nederlandse satelliet ANS ontdekte rontgenbursters, vertonen onregelmatige uitbarstingen die het gevolg zijn van een soort kernfusie-explosies op het steroppervlak. En dan zijn er nog rontgenbronnen die plotseling verschijnen en verdwijnen en bronnen die op tijdschalen van milliseconden flikkeren. De rontgenhemel wordt dus in tegenstelling tot de hemel die wij met optische telescopen zien gekenmerkt door voortdurende veranderingen. 'Steeds gaat er wat aan of uit, met tussenpozen van seconden, minuten, uren of dagen', aldus Trumpler.

Interessante bronnen

Rosat gaat dit alles gedurende de eerstkomende twee of drie jaar gedetailleerd bestuderen. De eerste zes maanden zijn bestemd voor het systematisch en met tot nu toe ongeevenaarde nauwkeurigheid in kaart brengen van de gehele rontgenhemel. Daarna zullen een groot aantal interessante bronnen langduriger worden bestudeerd, bijvoorbeeld wat betreft hun energiederdeling, structuur of veranderlijkheid. In het kader van een 'gastwaarnemingsprogramma' zullen talloze astronomen uit allerlei landen aan dit onderzoek deelnemen. In Nederland zijn dat astronomen van het Sterrenkundig Instituut Anton Pannekoek van de universiteit van Amsterdam.

Het hart van Rosat is een rontgentelescoop met een diameter van 83 centimeter. Deze telescoop werkt heel anders dan de bekende optische telescopen, waarin het licht via vrijwel loodrechte inval en reflectie op spiegels naar een brandpunt wordt geleid. De telescoop van Rosat bestaat uit twee stellen van telkens vier in elkaar geplaatste 'kokers', waarvan het voorste stel licht paraboloide e is en het achterste stel licht hyperboloide. Ze zijn gemaakt van Zerodur, een keramisch materiaal dat vrijwel ongevoelig is voor temperatuurveranderingen, en bedekt met een goudlaagje. De inkomende rontgenstraling wordt hier via scherende reflectie naar het brandpunt gebracht.

Deze techniek, uitgevonden door de Duitse fysicus Hans Wolter in 1951, is de enige om via optische middelen van een rontgenbron een afbeelding te verkrijgen. Zou de straling namelijk onder een grote hoek op het oppervlak invallen, dan zou ze er dwars doorheen bewegen of erdoor worden geabsorbeerd. Alleen bij reflectie onder een zeer kleine hoek, in dit geval van twee graden, vindt er reflectie plaats. Rontgenfotonen zijn hier dus te vergelijken met kogels die alleen bij zeer schuine inval op een oppervlak afketsen. De eis van zeer schuine inval maakt het mogelijk om verscheidene spiegels in elkaar te plaatsen en aldus het opvangend oppervlak te vergroten.

Zeer glad

Rontgenstraling is evenals licht een vorm van elektromagnetische straling, maar met een golflengte duizend maal zo klein, dus in de orde van de grootte van atomen. Dit vereist dat het reflecterend oppervlak ook zeer glad moet zijn, want anders vindt er geen reflectie (in een richting) maar vooral verstrooiing (in allerlei richtingen) plaats en dat vermindert het contrast in de afbeelding. Om deze gladheid te bereiken moesten geheel nieuwe slijp- en polijsttechnieken, maar ook geheel nieuwe meetmethoden worden ontwikkeld. De uiteindelijke oppervlakteruwheid bedraagt 0,3 nanometer (1 nm is een miljoenste millimeter), slechts enkele malen de diameter van een waterstofatoom. Daarmee heeft deze rontgentelescoop het gladste oppervlak ter wereld. Het zou tot 250 km moeten worden uitvergroot om oneffenheden van 0,1 millimeter te kunnen zien. 'De door de firma Carl Zeiss voor Rosat gemaakte rontgentelescoop is een technologische Spitzenleistung van de eerste orde', aldus wetenschappelijk projectleider Trumpler.

Woltertelescopen zijn al enkele malen eerder in de ruimte gebruikt, maar die van Rosat is de grootste en de gevoeligste en zal dus meer en beter kunnen waarnemen. Men verwacht dat het aantal bekende rontgenbronnen, dat nu rond de 5.000 ligt, tot 100.000 zal oplopen. De nauwkeurigheid waarmee de bronnen gelokaliseerd kunnen worden bedraagt 10 boogseonden of beter. 'Dat is voldoende om vele van de door Rosat gevonden bronnen te kunnen identificeren met objecten uit de radio- of optische astronomie', aldus Trumpler.

Drie detectoren

In het brandvlak van de telescoop bevinden zich drie detectoren, die de rontgenstraling omzetten in elektrische signalen die gemeten en vastgelegd kunnen worden. De detectoren werken in het golflengtegebied tussen 0,6 en 10 nanometer. Twee ervan zijn gebouwd door het Max-Planck-Instituut voor buitenaardse fysica in Garching, de derde door de NASA, die als tegenprestatie voor het 'meevliegen' op de satelliet de lancering heeft verzorgd.

Een Brits onderzoeksconsortium onder leiding van Leicester University heeft een groothoekcamera van 54 cm diameter geleverd, die gelijktijdig met de rontgentelescoop de hemel in het extreme ultraviolet waarneemt. In dit golflengtegebied (tussen 6 en 30 nanometer), dat ook samenhangt met energierijke processen, is tot nu toe nog weinig waargenomen. Men hoopt hierin minstens 5.000 nieuwe bronnen te kunnen ontdekken.

Doordat Rosat om de aarde draait en de aarde zelf ook draait, is de satelliet slechts zesmaal per dag gedurende korte tijd (acht minuten) in het zicht van het grondstation in Weilheim. Daarom worden de waarnemingen eerst aan boord van de satelliet opgeslagen en alleen in het zicht van het grondstation naar de aarde gezonden. Vanuit het controlecentrum in Oberpfaffenhofen bij Munchen wordt er contact met de satelliet onderhouden. Van hieruit worden ook alle waarnemingen doorgezonden naar het wetenschappelijke datacentrum op het Max-Planck-Instituut in Garching.

Klassieke lancering

Het Rosat-project werd in 1975 door het Bondsministerie voor Onderzoek en Technologie gepresenteerd als een van de zes belangrijkste wetenschappelijke projecten voor de komende jaren. Al in 1973 was men in Duitsland echter al begonnen met de ontwikkeling van afbeeldende rontgenoptiek. In 1982 werd het samenwerkingsverband met de Amerikanen gesloten en kort daarna dat met de Britten. De lancering van Rosat zou in 1988 met de space shuttle hebben moeten plaatsvinden, maar de ramp met de Challenger in 1986 gooide ook hier roet in het eten. Dank zij een 'klassieke' lancering met een raket kon het uitstel tot slechts twee jaar worden beperkt. Rosat heeft in totaal 560 miljoen DM gekost. Daarvan kwam 260 miljoen DM van het Bondsministerie voor Onderzoek en Technologie en 80 miljoen DM van de Max-Planck-Gesellschaft en de Duitse Onderzoeksinstelling voor Lucht- en Ruimtevaart. De bijdragen van de niet-Duitse landen bedroegen circa 220 miljoen DM (inclusief de lancering). Ook Nederland heeft een bijdrage aan Rosat geleverd. De Technisch Physische Dienst-TNO en Fokker bouwden elk een onderdeel voor het standregelingssysteem van de satelliet.

Kort voor het jaar 2000 willen zowel de Amerikanen als de Europese ruimtevaartorganisatie ESA met nog weer grotere en gevoeliger afbeeldenderontgentelescopen de veranderlijke rontgenhemel gaan bestuderen. Tot die tijd zal Rosat alleenheerser aan het rontgenfirmament zijn. 'En hoe de ontwikkeling van dit interessante onderzoekgebied van de rontgenastronomie dan ook verder gaat: zij zal in belangrijke mate op Rosat en zijn resultaten zijn gestoeld', zo heeft professor Trumpler alvast voorspeld. Een uitstekend en ook voor de niet-astronoom leesbaar overzicht van de geschiedenis van de rontgensterrenkunde wordt gegeven in: Wallace Tucker en Riccardo Giacconi, The X-Ray Universe, Harvard University Press, 1985.