Japanse raket met Nederlandse kennis
De ASTRO-H-missie gaat met behulp van Nederlandse hardware een aantal energierijke verschijnselen bestuderen, waaronder invallende materie nabij zwarte gaten, turbulenties in clusters van melkwegstelsels, schokgolven veroorzaakt in supernova-explosies en grootschalige structuren in het universum. Ook de versnelling van kosmische deeltjes tot hoge energieën en donkere materie behoren tot het onderzoeksveld van de missie.
De Soft X-ray Spectrometer die aan boord mee vliegt, is ontwikkeld en gebouwd door het Japanse ruimteagentschap JAXA/ISAS in samenwerking met NASA/GSFC, met bijdragen van SRON en de Universiteit van Genève. Het instrument gaat met ongekende nauwkeurigheid de energie van inkomende röntgenstralen meten. De nieuwe technologie die dit mogelijk maakt is spectaculair.
Op het Tanegashima Space Center schoot het Japanse ruimteagentschap JAXA de telescoop de ruimte in aan boord van een H-IIA-raket. Het instrument – 14 meter lang bij een gewicht van 2,7 ton – wordt afgezet in een baan om de aarde op een hoogte van 575 km. Daar zal hij elke 96 minuten een rondje om de aarde vliegen. Na een testfase van drie maanden beginnen de wetenschappelijke waarnemingen, die zo’n drie jaar gaan duren.
Blik vooruit naar 2028
De ASTRO-H-missie richt zich op zeer hete gaswolken in het heelal. Gas zendt pas röntgenstraling uit wanneer het heter wordt dan ongeveer 1 miljoen graden Celsius, maar zulke hoge temperaturen zijn geen zeldzaamheid in de ruimte. Gassen die rond een zwart gat draaien bereiken bijvoorbeeld zeer hoge temperaturen. Sterren die als supernova ontploffen laten ook een hete gaswolk na en zelfs de grootste objecten in het heelal, clusters van melkwegstelsels, worden omgeven door een enorme hete gasnevel met een diameter van miljoenen lichtjaren.
De sonde heeft de beschikking over vier telescopen voor zachte en harde röntgenstraling, die het röntgenlicht bundelen en doorgeven aan twee röntgencamera’s, een spectrometer voor zachte röntgenstraling en een detector voor zachte gammastraling. Deze missie is in feite een verkenner voor de nog krachtiger ruimteavontuur, waarvan de lancering gepland staat in 2028. SRON ontwikkelt voor die ATHENA-missie nieuwe technologie die weer voor een sterk verbeterde beeldkwaliteit zal zorgen.
Innovatie in pixels
Met de Soft X-ray Spectrometer (SXS) heeft ASTRO-H als eerste ruimtetelescoop een instrument aan boord dat heel nauwkeurig de ‘kleurcode’ kan meten van de röntgenstraling die de hete gasnevels in het heelal uitzenden. Zijn voorgangers konden dat alleen met objecten die als een puntje in de telescoop te zien waren.
Een heel bijzondere innovatie maakt het mogelijk om nauwkeuriger naar veel voorkomende chemische elementen te kijken die in hete gaswolken voorkomen, zoals zuurstof, silicium en ijzer. Deze elementen hebben elk hun eigen ‘kleurcode’ in röntgenstraling, waarmee ze van elkaar te onderscheiden zijn. De SXS is bovendien zo nauwkeurig dat hij zelfs de snelheid van de gassen kan meten.
De beeldsensor van 6×6 pixels wordt in een kleine koelkast op een temperatuur gehouden die dichtbij het absolute nulpunt ligt (-273°C). Elke pixel van deze camera bevat een piepkleine elektronische schakeling die heel gevoelig is voor temperatuur. Als een röntgenfoton op het pixel valt, neemt de temperatuur een heel klein beetje toe. Die kleine verandering in temperatuur zorgt voor een veel grotere verandering in de weerstand van de schakeling. Door de weerstand in het pixel heel nauwkeurig te meten, kan de energie (ofwel de ‘kleur’) van het invallende röntgenfoton tot op 0,1 procent nauwkeurig worden uitgerekend.
Een wiel met filters
SRON leverde essentiële technologie voor de SXS, die voor het eerst tegelijkertijd kaarten én uiterst nauwkeurige spectra kan maken van clusters van sterrenstelsels en overblijfselen van supernova’s. Samen met de Universiteit van Genève ontwikkelde SRON een wiel met filters die elk maar een bepaald deel van de röntgenstraling doorlaten. De camera is namelijk zo gevoelig dat hij soms tegen te felle röntgenbronnen moet worden beschermd.
Het filterwiel zorgt ervoor dat het instrument een groot bereik kan combineren met een grote gevoeligheid, waardoor het instrument scherpe waarnemingen kan doen aan een grote variëteit aan astrofysische bronnen.
Daarnaast ontwikkelde SRON samen met Photonis Netherlands een speciale röntgenlamp om het instrument in de ruimte te kunnen ijken. Met die lokale kalibratiebron kunnen de ruimteonderzoekers de camera continu blijven afstellen, zodat een zo groot mogelijke nauwkeurigheid wordt behaald.
