Van V2 naar Chandra

Een halve Nobelprijs ging dinsdag naar de astrofysicus Riccardo Giacconi. Deze pionier op het gebied van de röntgenastronomie ontdekte de eerste röntgenbron buiten ons zonnestelsel en is geestelijk vader van Chandra.

Met zijn 71 jaar is hij de jongste van het trio winnaars van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2002. Riccardo Giacconi, geboren in Genua maar al tientallen jaren Amerikaans staatsburger, kreeg dinsdag vijf miljoen Zweedse kronen (een miljoen euro) voor zijn pioniersarbeid op het gebied van de detectie van kosmische röntgenbronnen. In de jaren zestig opende hij een nieuw venster op het heelal. Een venster dat zicht biedt op onstuimige processen die met `gewone' telescopen verborgen blijven.

Röntgenstraling is in 1895 ontdekt door Wilhelm Conrad Röntgen, die daarvoor vijf jaar later de eerste Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg. In de geneeskunde leidde de nieuwe straling direct tot toepassingen (doorlichten, bestralen). Ook het kristallografisch onderzoek, zo bleek in 1912, had er baat bij.

In de astronomie zou het nog een halve eeuw duren voor röntgenstraling tot een factor van betekenis kon uitgroeien. Dat komt doordat de aardse atmosfeer röntgenstraling uit het heelal zo goed als geheel absorbeert. Om `zachte' röntgenstraling, met een energie van 3 keV (kilo-elektronvolt) waar te nemen, moet de detector zich op minstens 80 kilometer hoogte bevinden en `harde' straling (30keV) vereist een hoogte van 35 kilometer. Valt de laatste met ballonnen nog wel te bereiken, voor het waarnemen van zachtere röntgenstraling moest gewacht worden op het ruimtetijdperk. Bovendien is röntgenstraling, in tegenstelling tot zichtbaar licht, niet via lenzen te focusseren. De brekingsindex is praktisch één, zodat van breking geen sprake is. Een röntgentelescoop vergt dus een heel andere constructie dan een optische telescoop. Een technische oplossing voor dit probleem diende zich pas rond 1960 aan.

De start van de röntgenastronomie was in 1949. Herbert Friedman, verbonden aan het researchlaboratorium van de Amerikaanse marine, plaatste toen een simpele detector, bestaande uit enkele Geigertellers en een opening om röntgenstraling binnen te laten, in een V2-raket die op de Duitsers was buitgemaakt. Ontdekt werd dat de zon röntgenstraling uitzendt – door tijdens een zonsverduistering een serie raketten achter elkaar af te vuren, kwam in 1958 aan het licht dat de corona en zonnevlammen de bronnen waren. Het ging om een miljoenste deel van de totale uitgestraalde zonne-energie. Dat geringe bedrag leidde rond 1960 tot de conclusie dat röntgenwaarnemingen aan de dichtstbijzijnde ster honderd keer gevoeliger detectors vereisten dan toen beschikbaar waren. Gekkenwerk, vonden astrofysici.

Zo niet Riccardo Giacconi. Deze groepsleider bij het bedrijf American Science & Engineering, opgericht om pas afgestudeerden van MIT aan contracten van Defensie en de NASA te helpen, had lak aan zwartkijkers. Toen zijn voorstel om kosmische röntgenbronnen op te sporen het door de NASA was afgewezen, wendde hij zich met succes tot de Amerikaanse luchtmacht. Eerste project: kijken of de maan röntgenstraling weerkaatst. Twee vluchten met een Aerobee-raket gingen de mist in maar de derde poging, juni 1962, had succes. Op de maan gericht hielden de drie geigertellers aan boord zich stil. Omdat de raket tijdens zijn vlucht van vijf minuten draaide, werd ook een ander stuk hemel afgetast en daar zagen de tellers wel wat. In het sterrenbeeld schorpioen bleek zich een krachtige röntgenbron op te houden, later Scorpius X-1 gedoopt, en bovendien kwam uit alle richtingen gelijkmatige achtergrondstraling. Overigens werd de (uitermate zwakke) röntgenstraling van de maan in 1990 met de röntgensatelliet Rosat alsnog waargenomen.

krabnevel

Op dat moment had Giacconi in samenwerking met Bruno Rossi al een methode bedacht om röntgenstraling alsnog te focusseren. Het centrale idee was een serie over elkaar passende parabolische metaalsegmenten, die binnenscherend röntgenlicht richting `brandpunt' kaatsten. In combinatie met gevoeliger detectors en raketten die beter op koers te houden waren, zodat de bron langer in beeld bleef, leidde dat tot een stortvloed van kosmische röntgenbronnen. Voor een deel waren ze te identificeren met optische waarnemingen. Zoals de krabnevel, restant van een supernova-explosie uit 1054 en qua röntgenstraling 10 miljard keer krachtiger dan de zon.

In 1970 brak het satelliettijdperk voor de röntgenastronomie aan. Oktober dat jaar werd uit Kenya de Uhuru gelanceerd (`vrijheid' in het Swahili). Zeven jaar eerder had Giacconi het plan voor deze röntgensatelliet geopperd en het instrumentarium was door zijn AS&E-groep ontwikkeld. Iedere week dat de Uhuru rondjes om de aarde draaide werden er meer gegevens verzameld dan in alle eerdere röntgenexperimenten bij elkaar. Tot de spectaculaire vondsten van Uhuru behoorde Centaurus X-1, een sneldraaiende en compacte neutronenster die in een baan om een hete reuzenster beweegt. Door zijn enorme zwaartekracht trekt de neutronenster materie van deze reus naar zich toe, en de verhitting die dat oplevert leidt tot röntgenstraling.

Uhuru werd gevolgd door andere röntgensatellieten, uitmondend in de in 1999 gelanceerde Chandra (naar de Indiase astrofysicus en Nobelprijswinnaar Subrahmanyan Chandrasekhar) en zijn Europese tegenhanger XMM-Newton. Het idee voor de Chandra had Giacconi al in 1976 bedacht, maar door geldgebrek stelde de Nasa het project steeds uit. De resolutie van Chandra is vijf boogseconden, vergelijkbaar met die van optische telescopen, terwijl CCD-detectors de gevoeligheid sterk hebben vergroot. Over de waarneemprestaties van Chandra zijn astrofysici laaiend enthousiast.

gekromde ruimtetijd

Röntgenbeelden van het heelal zijn per definitie geassocieerd met processen bij extreem hoge temperaturen. Die worden gegenereerd op plekken waar actie is: krachtige magneetvelden, verwoestende explosies, intense zwaartekrachten. Locaties variëren van de interstellaire ruimte tot de gekromde ruimtetijd om neutronensterren of zwarte gaten. Door een röntgenbril oogt het heelal ineens stukken dynamischer, dankzij satellieten als Chandra kijkt de astrofysicus zijn ogen uit. Riccardo Giacconi, die met zijn instrumenten en methodieken het vakgebied in leven riep, later de Hubble-telescoop runde en als directeur van de ESO (European Southern Observatory) in de Andes de bouw van de Very Large Telescope in gang zette, kijkt tevreden mee.