Gammaschaduwen

De donderdag gelanceerde esa-satelliet Integral gaat op zoek naar gammastraling. Deze meest energierijke straling in het heelal hangt samen met kosmisch geweld.

De europese gammasatelliet Integral die donderdag vanaf de Russische lanceerbasis Baikonoer in Kazachstan werd gelanceerd, heeft de meest gevoelige gammatelescoop die ooit is gebouwd. De satelliet is 5 meter lang en weegt 4 ton. Hij draait in 72 uur in een zeer elliptische baan die hem tot op 153.000 kilometer van de aarde brengt en lange tijd ver van diens storende stralingsgordels houdt. Tot de doelen van Integral behoort studie van de meest onstuimige processen die in het heelal plaatsvinden.

Gammastraling is de meest energierijke straling die in het heelal wordt geproduceerd. Het is straling met een golflengte van kleiner dan 10 (een honderdmiljardste) meter, bestaande uit fotonen met een energie van meer dan een miljoen elektronvolt (eV). Deze zeer hoge energie hangt samen met het feit dat de straling het gevolg is van zeer energetische processen, waarbij (sub)atomaire deeltjes en zeer sterke magneet- en gravitatievelden een rol spelen. De straling wordt bijvoorbeeld geproduceerd tijdens de explosie van (super)zware sterren, door het gas rond neutronensterren en zwarte gaten, door de `motor' in het centrum van sterrenstelsels en door mysterieuze `flitsers' in de diepten van het heelal.

gammahemel

Gammastraling plant zich ongehinderd door de ruimte voort, maar wordt door de aardatmosfeer geabsorbeerd. Daarom heeft men, net als bij waarnemingen in röntgenstraling en ultraviolette straling, satellieten nodig. ESA beet in feite in 1975 met de lancering van haar COS-B het spits af van het onderzoek van de gammahemel met behulp van satellieten. COS-B werd opgevolgd door de Russisch-Franse Granat (1989-1998) en NASA's Compton Gamma-Ray Observatory (1991-2000). En in 1993 besloot ESA, als tweede medium sized-project in haar wetenschappelijke programma Horizon 2000, een nog geavanceerdere satelliet te bouwen.

Integral heeft vier elkaar aanvullende telescopen die alle in dezelfde richting kijken. Het hoofdinstrument is IBIS (Imager on Board the Integral Satellite): een camera die gamma-opnamen met een detailscherpte van 30 boogseconden maakt, veel scherper dan alle eerdere telescopen. Het instrument werkt in het energiegebied van 15 keV tot 10 MeV. De detector is opgebouwd uit twee lagen beeldelementen (pixels). De bovenste laag bestaat uit 16.384 pixels van cadmiumtelluride die gevoelig zijn voor laag-energetische gammastraling. De onderste laag bestaat uit 4096 pixels van cesiumjodide die gevoelig zijn voor de hoog-energetische component.

De energie van gammafotonen is zo groot dat deze deeltjes niet door reflecterende oppervlakken kunnen worden opgevangen en gefocusseerd. Daarom wordt hier gebruikgemaakt van de techniek van de coded mask imaging. De in de telescoop binnenkomende gammastraling ontmoet een dikke plaat wolfraam waarin zich een bepaald patroon van gaatjes bevindt. De gaatjes in dit `masker' laten gammafotonen door, maar het er tussen liggende materiaal houdt ze tegen. Op de detector, die zich 3,2 meter achter het masker bevindt, ontstaat zo een schaduwpatroon.

Doordat de straling van verschillende delen van een waargenomen object onder verschillende hoeken de telescoop binnenkomt, worden op de detector echter vele schaduwbeelden geprojecteerd. Computers op aarde moeten al deze elkaar overlappende gammaschaduwen ontrafelen en er één normaal gammabeeld van maken. Een telescoop met zo'n masker is in feite een gaatjescamera, maar dan met een veel grotere effectieve opening: de som van alle gaatjes. Om de storende effecten van andere hoog-energetische deeltjes die van elders komen te minimaliseren, is de detector omringd door een absorberende mantel van bismut-germaniumoxyde.

Het tweede instrument, SPI (Spectrometer on Integral), is een spectrometer die honderd maal zo nauwkeurig als bij eerdere satellieten de energie van de gammafotonen meet. Hij neemt gammabronnen in het energiegebied tussen 20 keV en 8 MeV waar met behulp van een detector van 19 hexagonale blokken van zuiver germanium die gekoeld worden tot -183 °C. De `lens' bestaat ook hier uit een masker van wolfraam en ook dit instrument heeft een mantel die storende deeltjes van elders absorbeert. Deze mantel maakt het instrument uitzonderlijk zwaar: met zijn 1300 kilogram heeft het een derde van het gewicht van de gehele satelliet.

De twee gamma-instrumenten worden geassisteerd door twee andere instrumenten die respectievelijk röntgenstraling en zichtbaar licht waarnemen. Het eerste, JEM-X (Joint European X-Ray Monitor), bestaat uit een röntgentelescoop en een röntgenspectrometer, eveneens met `maskers'. Zij doen simultaan met de gamma-instrumenten waarnemingen in het energiegebied tussen 3 en 35 keV en spelen een cruciale rol bij de identificatie van bijvoorbeeld gammaflitsers: de zwaarste explosies in het heelal. Met de tweede, OMC (Optical Monitoring Camera), wordt het (eventuele) zichtbare licht van de gamma- en röntgenbronnen waargenomen. Dit is van groot belang omdat de straling van sommige gamma- en röntgenbronnen snel kan variëren.

gratis lancering

Integral is onder leiding van hoofdaannemer Alenia Spazio in Turijn gebouwd door instituten uit 12 ESA-lidstaten. In Nederland waren dat Fokker Space (voor de zonnepanelen) en TNO-TPD (zon-sensoren). De ontwikkeling en bouw hebben 330 miljoen euro gekost. De wetenschappelijke instrumenten zijn geleverd door universitaire en industriële consortia. Rusland heeft in ruil voor de gratis lancering een kwart van de waarnemingstijd op de satelliet bedongen. Het contact met de satelliet wordt onderhouden via het European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt.

In het Integral Science Operations Centre (ISOC) in Noordwijk wordt steeds op grond van de beoordeling van voorstellen uit de astronomische wereld beslist welke objecten Integral gaat waarnemen. De ruwe waarnemingsdata van de satelliet gaan naar het Integral Science Data Centre (ISDC) in Versoix bij Genève. Daar worden ze omgezet in bruikbare gegevensbestanden, gearchiveerd en snel verspreid over een wereldwijd netwerk van astronomische instituten en sterrenwachten. Die kunnen dan desgewenst direct hun telescopen naar dat deel van de hemel richten waar Integral een interessante gammabron heeft ontdekt.

    • George Beekman