De zwaarste astronomische satelliet ooit gelanceerd; Gamma Ray Observatory

De Amerikaanse Gamma Ray Observatory werd afgelopen week door de space shuttle in een baan om de aarde gebracht. Het is een samenstel van vier zware gammadetectoren, sterk lijkend op aardse deeltjestellers.

Na een voorbereidingstijd van ruim twaalf jaar werd op 7 april vanuit de space shuttle Atlantis het Amerikaanse Gamma Ray Observatory in een baan op 450 kilometer om de aarde gebracht. Met zijn gewicht van 17 ton is dit ruimte-observatorium het zwaarste dat ooit werd gelanceerd.

Aan boord bevinden zich vier gammatelescopen, waarmee gedetailleerde waarnemingen zullen worden verricht aan gammastraling, de meest energierijke straling die in het heelal wordt geproduceerd. Aan de ontwikkeling van een van de vier telescopen is meegewerkt door onderzoekers van het Laboratorium voor Ruimteonderzoek Leiden en van het ruimtevaartcentrum ESTEC in Noordwijk.

Gammastraling is elektromagnetische straling met een golflengte van kleiner dan 10- meter. De straling bestaat evenals andere soorten straling uit fotonen, maar dan met een zeer hoge energie: meer dan een miljoen elektronvolt (eV). De fotonen van het zichtbare licht hebben een energie van slechts een elektronvolt. De zeer hoge energie van gammastraling hangt samen met het feit dat deze straling het gevolg is van zeer energetische processen, namelijk die waarbij atoomkernen, elementaire deeltjes en zeer sterke magnetische velden een rol spelen.

Op aarde komt gammastraling vrij tijdens het verval van radioactieve atoomkernen (zowel in de aarde zelf als in de atmosfeer). In het heelal wordt gammastraling geproduceerd op plaatsen die uiteenlopen van de zeer ijle, maar toch niet geheel lege ruimte tussen de sterren tot zeer compacte en exotische objecten als neutronensterren en kernen van sterrenstelsels.

De gammastraling plant zich ongehinderd door de ruimte voort, maar wordt door de aardatmosfeer tegengehouden (geabsorbeerd). Daarom heeft men, net als bij waarnemingen in rontgenstraling, ultraviolette straling en een groot deel van het infrarood, satellieten buiten de dampkring nodig. Dit is overigens ook om een andere reden gewenst: in de aardatmosfeer wordt door geladen deeltjes uit de ruimte nogal wat gammastraling geproduceerd, en die zou verstorend werken.

INDIRECT

De gammasterrenkunde is een tak van de astronomie die pas laat tot ontwikkeling is gekomen. Deze late ontwikkeling ligt vooral aan de moeilijkheid om gammastraling te detecteren. De straling heeft zo'n hoge energie, dus zo'n groot doordringend vermogen, dat ze niet met behulp van reflecterende oppervlakken kan worden opgevangen en gefocusseerd, iets wat bij de wat minder energierijke rontgenstraling nog net wel kan. Gammastraling dringt ongehinderd door een laag lood van enkele centimeters dikte heen en daardoor moet ze op een indirecte manier worden waargenomen, namelijk door haar wisselwerking met materie.

Een tweede oorzaak van die late ontwikkeling ligt in de geringe intensiteit van de bronnen van gammastraling aan de hemel. De sterkste bronnen zenden niet meer dan enkele gammafotonen per uur uit. Die intensiteit is zo gering (bij waarnemingen in zichtbaar licht gaat het om stromen van fotonen per seconde), dat het nodig is om ieder gammafoton afzonderlijk te registreren, wil men er uiteindelijk voldoende van hebben om van een 'waarneming' te kunnen spreken. Hoewel in het begin van de jaren vijftig al was voorspeld dat er in de ruimte tussen de sterren in ons Melkwegstelsel gammastraling zou worden opgewekt, heeft het nog twintig jaar geduurd voordat dit met zekerheid kon worden vastgesteld.

De eerste puntbronnen van kosmische gammastraling werden overigens geheel bij toeval ontdekt. In 1963 was door enkele landen het Kernstopverdrag gesloten, waarin kernexplosies in de dampkring en in de ruimte verboden werden. In de Verenigde Staten werd toen de eerste van een serie Vela-satellieten, met op het Los Alamos Laboratorium gebouwde gammadetectoren, gelanceerd. Deze moesten vanuit hun cirkelvormige baan op 125.000 km hoogte op de naleving van dit verdrag toezien. Clandestiene kernexplosies zouden zich immers onvermijdelijk via de vrijkomende gammastraling verraden.

In 1967 ontdekten de onderzoekers dat er ieder jaar enkele kortdurende uitbarstingen van gammastraling door de satelliet werden waargenomen.

Zo'ngammastoot was in een seconde op volle sterkte en was dan na zo'n tien seconden weer verdwenen. Dit was een heel vreemde puls voor een kernexplosie. Door het combineren van de meetresultaten met die van een tweede Vela-satelliet kon men later de ruwe posities van de bronnen bepalen en de mogelijkheid van kernexplosies uitsluiten. Het bleek dat de straling niet van de aarde of de maan afkomstig was en dat deze rontgenbursters hun oorsprong buiten het zonnestelsel moesten hebben. Deze conclusie werd in 1973 officieel bekendgemaakt.

SATELLIETEN

Zo rond 1970 begonnen ook de gammawaarnemingen met astronomische satellieten, met name die van de Amerikaanse OSO's en de SAS-2, vruchten af te werpen. Er werd gammastraling van de zon (zonnevlammen) en van het Melkwegstelsel waargenomen. Het was echter de Europese COS-B die de gammasterrenkunde volwassen maakte. Had de OSO-3 satelliet precies 621 gammafotonen gedetecteerd en de SAS-2 ongeveer 8000, de COS-B kwam tijdens zijn onverwacht lange levensduur (1975-1982) op meer dan 200.000 fotonen en hij maakte de tot nu toe meest gedetailleerde kaart van de hemel in gammastraling.

Inmiddels was, door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA, in 1977 het voorstel voor de bouw van het Gamma Ray Observatory op tafel gelegd. De instrumenten van deze satelliet zouden veel groter moeten zijn dan die van eerdere satellieten. Grootte is namelijk cruciaal voor de gammasterrenkunde: grote detectoren zijn nodig voor het detecteren van een redelijk aantal fotonen binnen een redelijke tijd.

En grote detectoren zijn ook nodig vanwege het feit dat gammastraling alleen kan worden gedetecteerd wanneer zij in wisselwerking treedt met materie. De in de gammasterrenkunde gebruikte detectoren kunnen daardoor nauwelijks nog 'telescopen' worden genoemd. Zij lijken bijna als twee druppels water op de deeltjesdetectoren die in de hoge-energiefysica worden gebruikt.

Het Gamma Ray Observatory (GRO) is de eerste satelliet waarmee het gehele gamma-energiegebied van 20.000 elektronvolt (eigenlijk nog 'harde' rontgenstraling) tot meer dan 30 miljard elektronvolt wordt bestreken. Zo'n groot energiegebied kan echter niet met een instrument worden waargenomen. Gammastraling treedt namelijk op verschillende manieren in wisselwerking met materie, al naar gelang de energie van de gammafotonen. Daarom heeft het GRO vier verschillende, elkaar aanvullende gammatelescopen. In volgorde van toenemende energie zijn dat BATSE (Burst and Transient Source Experiment), OSSE (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment), COMPTEL (Compton Telescope) en EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment).

In alle vier de instrumenten wordt gebruik gemaakt van scintillatoren. Dit zijn speciale materialen (kristallen, vloeistoffen en andere stoffen) die als belangrijke eigenschap hebben dat ze het energieverlies van een binnendringend gammafoton omzetten in een lichtflitsje, dat geregistreerd kan worden door fotomultipliers: elektrische sensoren die veel gevoeliger zijn dan het menselijk oog.

Uit de richting van de flitsjes kan de richting van het binnenvallende gammafoton worden afgeleid en uit de intensiteit de energie van de fotonen.

In de twee instrumenten voor de hogere energieen wordt ook gebruik gemaakt van twee geheel andere soorten wisselwerking tussen gammastraling en materie. Bij COMPTEL is dat de zogeheten Compton-verstrooiing, waarbij hoogenergetische straling een deel van zijn energie afstaat aan de elektronen in een materiaal, waarbij overigens ook weer lichtpulsjes worden geproduceerd. Bij EGRET, die gammastraling van de hoogste energie opvangt, laat een invallend gammafoton een elektron en zijn antideeltje (positron) ontstaan, die in een zogeheten vonkenkamer worden gedetecteerd.

Anticoincidentietellers Met deze ingenieuze instrumenten alleen is men er echter nog niet. Het probleem is namelijk dat ook de deeltjes van de kosmische straling met het scintillatormateriaal reageren. Deze deeltjes zijn veel talrijker dan de kosmische gammafotonen: het zonder meer waarnemen van gammastraling in de achtergrond van kosmische straling is als het overdag proberen waar te nemen van de sterren. Alle vier de detectoren zijn daarom opgesloten in koepelvormige hulsels van een speciale kunststof, zogeheten anti-coincidentietellers, die gammafotonen ongehinderd doorlaten maar deeltjes van de kosmische straling tegenhouden en een signaal laten afgeven dat verschilt van het gamma-signaal. Zo kan men zorgvuldig het kaf van het koren scheiden, al vereist dit wel een zeer gecompliceerde verwerking van de meetresultaten.

Terwijl de satelliet om de aarde draait, kijken de vier gammatelescopen naar hetzelfde deel van de hemel. Hun gezichtsveld is groot: enkele tot vele tientallen graden in het vierkant. Een telescoop, OSSE, kan worden gedraaid, dus kan op de zon of een ander object worden gericht wanneer het hoofdobject tijdelijk door de aarde wordt afgeschermd. Gammabronnen zullen tot twee weken achter elkaar kunnen worden waargenomen en de aankomsttijd van de individuele fotonen zal tot op een fractie van een milliseconde kunnen worden vastgelegd. Hierdoor kunnen ook de zeer snelle variaties die sommige bronnen eigen is worden vastgelegd.

DIFFUSE GAMMASTRALING

Met het Gamma Ray Observatory zullen bronnen kunnen worden bestudeerd die 10 tot 50 maal zo zwak zijn als de weinige tot nu toe bekende bronnen. Om zo'n bron ook in andere golflengtegebieden te kunnen waarnemen, met telescopen op aarde of in andere satellieten, moet de positie ervan zo nauwkeurig mogelijk bekend zijn. Met de GRO zullen posities tot op een fractie van een graad, soms tot beter dan 0,1 graad, bepaald kunnen worden. Hoewel dit vergeleken met waarnemingen in zichtbaar licht en zelfs rontgenstraling ronduit slecht mag worden genoemd, is het tien maal zo nauwkeurig als wat voorgaande gammasatellieten hebben gepresteerd.

De gammastraling uit het heelal ontstaat tijdens de onderlinge wisselwerking van elementaire deeltjes en atoomkernen en bij hun wisselwerking met stralingsvelden en zeer sterke magnetische velden.

Het overgrote deel van de gammastraling is afkomstig uit ons Melkwegstelsel, waar zij wordt geproduceerd tijdens de botsingen van zeer snel bewegende deeltjes van de kosmische straling met het ijle gas tussen de sterren. Deze diffuse gammastraling geeft belangrijke informatie over de oorsprong en beweging van deze kosmische straling en over de structuur van ons Melkwegstelsel.

Gammastraling wordt ook geproduceerd in de sterke magneet- en zwaartekrachtsvelden rond neutronensterren, de overblijfselen van zware sterren na een supernova-explosie. De radioactieve atoomkernen die bij dergelijke explosies vrijkomen, zenden tijdens hun verval gammastraling uit die unieke informatie geeft over het proces van de vorming van zware elementen in het heelal (de nucleosynthese). Deze verval-straling heeft men tot nu toe een keer waargenomen: bij de supernova 1987 A.

MYSTERIEUZE KERNEN

De vermoedelijk meest energierijke objecten in het heelal zijn de mysterieuze kernen van zogeheten 'actieve' sterrenstelsels. De centrale bron hierin is mogelijk een zwart gat, waarin materie met zo'n geweld naar binnen wordt gezogen dat zij bijna volledig in straling wordt omgezet. Een belangrijk deel van deze straling komt bij deze processen tevoorschijn als gammastraling. De vorige gammasatellieten waren nog niet gevoelig genoeg om meer dan een of twee van die stelsels waar te nemen. Het Gamma Ray Observatory zou op dit gebied dus voor verrassingen kunnen zorgen.

Zeer intrigerend is ook de ware aard van de eerder genoemde kortstondige uitbarstingen van gammastraling, die van de rontgenbursters, die geheel onverwachts en overal aan de hemel kunnen plaatsvinden. In de paar seconden dat die bronnen er zijn, wordt er meer gammastraling ontvangen dan van alle andere gammabronnen tezamen.

Tijdens een zo'n gammastoot in 1979, vermoedelijk afkomstig uit de Grote Magelhaense Wolk (een zeer nabij sterrenstelsel), zou er honderd miljard maal zoveel energie zijn uitgezonden als de zon in duizend jaar uitzendt. De meeste astronomen denken dat ook deze tijdelijke bronnen neutronensterren zijn, maar over het mechanisme van stralingsproduktie lopen de meningen nog uiteen. De theorie van hevige bevingen in het inwendige van deze snel om hun as tollende sterren lijkt momenteel veld te winnen.

Het Gamma Ray Observatory zal de eerstkomende anderhalf jaar de gehele gammahemel systematisch in kaart brengen en daarna detailonderzoek aan individuele bronnen gaan verrichten. Momenteel is van slechts een handjevol puntbronnen de ware aard bekend, zodat er nog een heel terrein braak ligt. Mocht zich een interessant verschijnsel voordoen, bijvoorbeeld het optreden van een supernova, dan kan het lopende waarnemingsprogramma altijd worden onderbroken. Het observatorium is ontworpen voor een minimale levensduur van twee jaar, maar men verwacht dat de satelliet wel vijf jaar of langer in werking zal kunnen blijven. Het observatorium is voorzien van een motor, waarmee het zichzelf in een hogere baan kan brengen, mocht het als gevolg van de geringe luchtweerstand wat te laag zijn gekomen. Ook het bijtanken via een space shuttle is mogelijk.

Het GRO-project staat onder leiding van het Goddard Space Flight Center van de NASA. De bouw van de satelliet heeft 617 miljoen dollar gekost, waarvan 557 miljoen is betaald door de NASA. Het grootste deel van de rest is bekostigd door Duitsland. Drie van de vier gammatelescopen zijn grotendeels van Amerikaanse makelij. Engeland heeft een inbreng gehad in het OSSE-instrument en Duitsland in EGRET.

Het COMPTEL-instrument is gebouwd in een samenwerkingsverband tussen het Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik in Garching (Munchen), de Universiteit van New Hampshire in de Verenigde Staten, het Europese Ruimtevaartcentrum ESTEC in Noordwijk en het Laboratorium voor Ruimteonderzoek Leiden. Ook de verwerking van de gegevens zal door de instituten gezamenlijk worden gedaan.

Het Gamma Ray Observatory is een onderdeel van NASA's Great Observatories programma: vier grote observatoria die in de jaren negentig in een baan om de aarde moeten worden gebracht. De andere ruimte-observatoria in dat programma zijn de Hubble Space Telescope (HST, vorig jaar gelanceerd), het Advanced X-Ray Astrophysics Facility (AXAF) en het Space Infrared Telescope Facility (SIRTF). De twee laatste, voor waarnemingen in rontgenstraling, respectievelijk het infrarood, zullen niet voor het einde van de jaren negentig worden gelanceerd.

Met deze observatoria kan, in combinatie met telescopen op aarde, de hemel in vrijwel het gehele elektromagnetische spectrum worden waargenomen. In hoeverre dat ook gezamenlijk zal gebeuren is nog maar de vraag, omdat de HST al sinds de lancering met problemen kampt en de bouw van het SIRTF nog het groene licht moet krijgen.

Het Amerikaanse ruimteveer Atlantis, dat binnenkort zal terugkeren op aarde na een verblijf in de ruimte van zeven dagen, heeft alle taken verricht die op zijn programma stonden. De belangrijkste opdracht werd zondag uitgevoerd, toen de 17 ton zware GRO-satelliet overboord werd gezet. Voor het zover was moest eerst een onwillige antenne aan deze Gamma Ray Observatory met de hand worden uitgetrokken.

Met deze onverwachte reparatie-opdracht verrichtte de bemanning de eerste Amerikaanse ruimtewandeling sinds 1985. Een dag later werd een ruimtewandeling uitgevoerd die wel op het programma stond. Twee astronauten verbleven maandag zes uur buiten het ruimteveer, om technieken en instrumenten te testen die de NASA wil gebruiken bij de bouw van het ruimtestation Freedom. Het ruimtestation, waarvan de bouw almaar wordt uitgesteld, moet operationeel zijn rond het jaar 2001.

De astronauten Ray en Ross namen proeven met drie soorten karretjes over een vijftien meter lange rail om ze te testen onder gewichtsloosheid. Ook werden proeven gedaan met de 15 meter lange grijparm. Tijdens hun verblijf buiten de cabine maakten de astronauten gebruik van drukpakken en bleven met een lijn verbonden aan het ruimteschip. Allerlei soorten handgereedschap werden getest op hun bruikbarheid. In de toekomst zullen astronauten heel wat constructiewerkzaamheden moeten verrichten.

Op dinsdag leidde commandant Steven Nagel zijn ruimteschip tot op 14 kilometer van de GRO-satelliet, na een achtervolging die begon op 152 kilometer afstand. Nagel orienteerde zich hierbij via sterren en niet via radar, als test voor noodprocedures. De shuttle bleef enkele uren achter het observatorium hangen in een zig-zag baan.

Eveneens op dinsdag beantwoordden de astronauten vragen van scholieren uit de staat Ohio. 'We have demonstrated, I think, the value of man in space', sprak astronaut Cameron. Kort voordat de landing werd ingezet, passeerde de Atlantis het Russische ruimtestation Mir. De vijf Amerikaanse astronauten wisselden groeten uit met de kosmonauten Afanasiev en Manarov die al sinds 2 december 1990 in de Mir verblijven.

foto: Het observatorium met uitgeklapte zonnepanelen. Aan boord de vier gammastraling detectoren. Linksonder de richtantenne naar de aarde.

Bovenop, van links naar rechts, de detectoren: OSSE, COMPTEL, EGRET en BATSE.

tekening: De COMPTEL-detector opengewerkt.

Een nuclear electric engine werkt ook op basis van kernsplijting. In dit type motor wordt argongas of waterstofgas zodanig verhit, dat het in plasma verandert. De gasmoleculen verliezen hun elektronen en worden geladen. Deze ionen wordt voortgestuwd door een elektrostatische of elektromagnetische kracht.

    • George Beekman