STERRENKUNDE

Vrijdagmorgen zal vanaf de lanceerbasis van de European space agency (ESA) in Kourou, Frans Guyana, de astronomische ISO-satelliet gelanceerd worden. ISO, welke afkorting staat voor Infrared space observatory, is een puur Europese satelliet waarvan de astronomen hoge verwachtingen hebben. Als opvolger van IRAS (Infrared astronomical satellite, 1983) moet ISO de infrarood- sterrenkunde vele en grote stappen verder brengen. Ook Nederlandse astronomen zullen, onder meer met een Nederlands instrument, belangrijk ontdekkingen gaan doen.

Sinds 1983 werkt de ESA aan ISO, in het kader van het Horizon2000 programma. Het ontwikkelen van de satelliet, de lancering ervan en het in bedrijf houden kost bij elkaar ongeveer 650 miljoen ECU, ofwel ruim 1,3 miljard gulden. Dat bedrag is dan nog exclusief de instrumenten, welke op nationaal niveau door de ESA-lidstaten zijn gefinancierd. Aan boord van ISO is ook een Nederlands instrument, de Short wavelength spectrometer of SWS, die door SRON (NWO Stichting ruimte onderzoek Nederland) in samenwerking met een Duits instituut is ontwikkeld.

Infrarood 'licht' wordt gemeten met de eenheid micron ofwel duizendste millimeter. Zulke golflengten, hoe kort ook, zijn te lang voor het menselijk oog, en infrarood licht kunnen we dus niet zien. De eerste die de realiteit van infrarood licht - of beter: infraroodstraling - inzag was Sir William Herschel. Deze Engelse astronoom experimenteerde in 1800 met zonlicht, en ontdekte dat dit licht voorbij het rode deel van het kleurenspectrum nog steeds energie bevatte: een thermometer registreerde een toename terwijl er geen zichtbare straling op de het instrument viel.

Herschel stelde de naam 'infrarood' voor deze onzichtbare straling voor. Al is het dan niet met het oog, de mens kan infraroodstraling wel detecteren: onze huid voelt infraroodstraling als stralingswarmte. Net als IRAS onderzoekt ISO dus de stralingswarmte van kosmische objecten.

Elk object dat warmer is dan het absolute nulpunt van minus 273 graden Celsius of 0 graden Kelvin zendt warmtestraling uit. Het hangt van de temperatuur van dat object af wat voor soort straling dit is. Ligt de temperatuur maar net boven het absolute nulpunt dan wordt radiostraling uitgezonden. Een mooi voorbeeld is de beroemde achtergrondstraling van het uitdijende heelal minus 270 graden Celsius of drie graden Kelvin. Bij hogere temperaturen, enkele tientallen graden, wordt voornamelijk infraroodstraling uitgezonden. Objecten met een temperatuur van duizenden graden zenden daarnaast ook zichtbaar licht uit. Sterren zoals onze zon, met een oppervlaktetemperatuur van ongeveer zesduizend graden, zijn een prachtig voorbeeld van dat laatste.

ISO is dus een telescoop die gevoelig is voor warmtestralers met een temperatuur vanaf enkele tientallen graden Kelvin. Als die temperatuur niet te hoog is zullen deze objecten weinig of geen zichtbare straling uitzenden: ISO kan 'koele' objecten bestuderen die onzichtbaar zijn voor conventionele telescopen. Bovendien kan ISO hete objecten bestuderen die door verduistering, door kosmisch stof, geheel aan het visuele oog zijn onttrokken. Deze objecten verraden hun aanwezigheid doordat ze het omringende stof tot gloeien, tot het uitzenden van infraroodstraling brengen.

Koel gas en stof is overal in het heelal te vinden: in de atmosferen van planeten, in kometen, in en rond sterren, tussen de sterren - in het bijzonder in gebieden waar zich jonge sterren vormen -, in de kernen van sterrenstelsels en in hun diffuse buitendelen. Bij stofdeeltjes moeten we overigens denken aan silicaten, koolwaterstoffen en amorfe koolstofdeeltjes zoals grafiet. Dat stof en gas kan door jonge, hete sterren of door andere processen tot gloeien worden gebracht.

Zoals gezegd, ISO kan die jonge sterren, welke veelal verstopt zijn in of achter dikke wolken gas en stof in kaart brengen, terwijl ze voor conventionele telescopen volkomen onzichtbaar zijn. Bepaalde sterrenstelsels blijken onverwacht rijk aan stof en moleculair gas (onder meer waterstof en koolmonoxide). De details van die gloeiprocessen zijn af te leiden door analyse van infraroodstraling. Men verwacht dat met name jonge sterrenstelsels veel moleculair gas en stof bezitten, en hun aard door hun infraroodstraling zullen openbaren. Jonge sterrenstelsels kwamen frequent voor in het verre (lees: vroege) heelal. IRAS was niet gevoelig genoeg om zulke objecten te kunnen waarnemen, ISO moet hier baanbrekend werk kunnen doen.

Waarnemingen doen bij infrarode golflengten is moeilijk. Een eerste vereiste is natuurlijk dat de te detecteren warmtestraling van een object niet mag 'verdrinken' in de warmtestraling van de telescoop zelf, van de aarde, of van haar atmosfeer. De situatie is een beetje te vergelijken met optisch waarnemen: dat doen we bij voorkeur ook niet overdag, of met een telescoop die van binnen verlicht is!

Een infrarood-telescoop moet extreem koud zijn en zich bevinden in een extreem koude omgeving. Dat koelen van o'n telescoop kan het beste in de vacuüm-omstandigheden van de ruimte. Een tweede reden dat infrarood-sterrenkunde slechts vanuit de ruimte kan geschieden is gelegen in het feit dat kosmische infraroodstraling onze dampkring simpelweg niet kan binnendringen. Een paar korte infrarood-golflengten worden doorgelaten, maar daarmee houdt het op. Alle overige infraroodstraling wordt geabsorbeerd door atmosferische waterdamp en kooldioxide. Slechts vanuit het koude vacuüm van de interplanetaire ruimte kan ISO haar werk naar behoren doen.

De foto toont ISO in een testopstelling bij ESTEC, het European space technology research centre te Noordwijk (eigenlijk niet de echte satelliet maar een vluchtmodel). ISO is een witte cylinder met een diameter van 3,5 en een lengte van 5,3 meter, en heeft bij lancering een totaalgewicht van ongeveer 2 500 kilogram. De eigenlijke telescoop heeft een diameter van zestig centimter en bevindt zich midden in een cryostaat, een thermoskan, met vloeibare helium, te zamen met vier instrumenten.

Vloeibaar helium heeft in de omstandigheden van de ruimte een kookpunt, of verdampingstemperatuur, van minus 271 graden Celsius, 1,8 graden boven het absolute nulpunt om precies te zijn. ISO kan dus gezien worden als een telescoop-in-een-vrieskist. De vrieskist bevat ongeveer 2 100 liter vloeibare helium, welke - terwijl ze langzaam verdampt - de satelliet gedurende minimaal achttien maanden op deze temperatuur zal houden.

Onder de cryostaat bevinden zich de computer-, voedings- en radio-communicatiesystemen. Zonnepanelen leveren zeshonderd Watt vermogen en dienen tegelijkertijd als afscherming tegen de infraroodstraling van de stoorbronnen zon, aarde, maan en Jupiter. Genoemde warmtestralers mogen nooit in het blikveld van de telescoop komen! Deze eisen gekoppeld aan het feit dat de ISO-baan nagenoeg constant blijft resulteert in een enigszins beperkt gezichtsveld van de telescoop. Zo zal een substantieel deel van de hemel, namelijk de richting van het sterrenbeeld Orion door ISO niet waargenomen kunnen worden.

Buiten op de cryostaat zijn twee zogenaamde stervolgers gemonteerd. Dit zijn kleine optische telescopen die de precieze stand van de telescoop controleren en eventueel bijsturen, met behulp van relatief heldere volgsterren in hun beeldveld. Voor alle objecten die ISO gaat waarnemen is er tenminste één zo'n volgster in het beeldveld van de stervolgers. ISO kan gedurende verschillende uren achtereen perfect stabiel in de ruimte blijven hangen, en aldus met grote gevoeligheid een zwakke infraroodbron trachten te detecteren. Daarnaast kan ISO een klein stukje hemel aftasten ('scannen') en zo een infraroodkaart van dat stukje hemel, bij voorbeeld een stervormingsgebied, maken.

De lancering van ISO was aanvankelijk voor het afgelopen weekeinde voorzien maar is verschoven naar vrijdag. Een Ariane-raket zal ISO in een langwerpige elliptisch baan rond de aarde brengen. Deze 24-uurs baan heeft een kortste afstand tot de aarde van duizend kilometer, en een langste afstand van zeventigduizend kilometer. Het baanvlak maakt een hoek van vijf graden met het equatorvlak van de aarde. Deze baan impliceert dat ISO per 24 uur zich acht uur binnen de zogeheten Van Allen stralingsgordels van de aarde bevindt, waar door de grote hoeveelheden geladen deeltjes astronomische waarnemingen onmogelijk zijn. Zestien uur per dag echter zal ISO continu astronomische waarnemingen uitvoeren.

De informatie voor deze waarnemingen hebben de astronomen afgelopen voorjaar en zomer in de computers van ESA (Noordwijk) en NASA (Pasadena, Californië) ingevoerd, en de waarneemschema's liggen thans volledig gepland en geoptimaliseerd in deze computers klaar. Ground control van de missie vindt plaats vanuit Villafranca, nabij Madrid, waar de ESA een grondstation heeft dat onlangs met een extra ISO-sectie is uitgebreid. Ook Japan en de Verenigde Staten hebben een aandeel in de ISO-operatie. Zo zal de tachtig meter radio-antenne van de NASA in Goldstone (Mojave-woestijn, Californie) de communicatie met de satelliet verzorgen wanneer deze vanuit Europa 'onzichtbaar' is.

Na testen en calibratie, de ijking van de instrumenten, zullen de echte waarnemingen naar verwachting in februari 1996 beginnen. ISO zal per dag zo'n 170 megabytes aan gegevens naar de aarde seinen. Dat is beduidend meer dan IRAS. Voeg daarbij de verwachte langere levensduur van ISO en het feit dat de IRAS gegevens nog steeds niet volledig zijn uitgewerkt, en het zal duidelijk zijn dat een generatie van jonge sterrenkundigen met ISO gegevens kan worden 'opgevoed'.

Als eerste verkenner heeft IRAS de globale infrarood-eigenschappen van veel klassen objecten bepaald, en daarnaast de eerste globale infraroodkaarten van de hemel gemaakt. De allerbelangrijkste wapenfeiten van IRAS zijn echter de ontdekking van stofschijven rond sommige sterren (proto-planetenstelsels) en het identificeren van de zogeheten extreem-krachtige infrarood-sterrenstelsels geweest.

Laatstgenoemde klasse betreft sterrenstelsels waarin als het ware explosief sterren worden gevormd: in het Engels spreekt men van een superstarburst. Bovendien zijn er aanwijzingen dat zich in het centrum van deze stelsels een zwaar zwart gat bevindt met een geassocieerde quasar, een extreem aktieve kern.

Het mag geen wonder heten dat veel ISO projecten voortborduren op deze ontdekkingen. Uiteraard zal ISO ook geheel nieuwe paden inslaan, zoals het bestuderen van de atmosferen van Mars en de Saturnusmaan Titan, de chemie van het interstellaire medium, stof en gas in het centrum van de Melkweg, stervorming in diverse typen - waaronder botsende - melkwegstelsels, de temperatuuropbouw van warm stof en gas in actieve sterrenstelsels en quasars en tenslotte kosmologische studies: studies naar het ontstaan en de evolutie van het heelal.

Een derde deel van der ISO waarneemtijd is bestemd voor de vier teams die de belangrijkste instrumenten hebben ontwikkeld: voor wat hoort wat, ook in de sterrenkunde! Ook het Nederlandse SWS team heeft 'gegarandeerde' waarneemtijd, en deze zal gebruikt worden voor heel divers onderzoek, aan objecten variërend van planeten tot quasars. Het andere deel, de zogenaamde 'open' waarneemtijd, is toegekend aan (groepen van) astronomen op basis van hun onderzoeksvoorstellen.

Een commissie van 36 experts heeft eind vorig jaar zo'n duizend van deze voorstellen beoordeeld, in de categorieën zonnestelsel, interstellaire materie, circumstellaire materie, sterren, sterrenstelsels, actieve stelsels en quasars, en tenslotte kosmologie. Deze open tijd was 'overschreven' met een factor vier. Dat wil zeggen: de astronomen vroegen vier keer zo veel tijd aan als er is - uitgaande van een ISO levensduur van achttien maanden. Ook voor die open tijd hebben Nederlandse astronomen voortreffelijk gescoord: de verhouding toegekende/aangevraagde waarneemtijd voor Nederland behoort in vergelijking tot andere landen tot de allerhoogste.

Het Nederlandse ISO onderzoek bestrijkt vele terreinen van de astronomie, en zal de basis vormen voor grensverleggend onderzoek in het komende decennium. Niet alleen ISO staat koel, maar ook de de champagne. Vrijdagmorgen hoopt men in Groningen, waar Nederlandse astronomen de lancering via een communicatiesatelliet zullen volgen, deze te kunnen ontkurken als ISO succesvol in haar baan is gebracht. Dr. Thijs de Graauw, vader van één van de vier ISO-instrumenten, bewaart een fles voor begin december, als - twintig banen verder - het deksel van de telescoop eraf is en de instrumenten aan de praat zijn gebracht.

Intussen denkt men bij de ESA al aan FIRST, de Far infrared space telescope, de opvolger van ISO. Die is gepland voor het jaar 2005.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden