Toekomstige astrofysische ruimteonderzoekprojecten

Transcriptie

1 Toekomstige astrofysische ruimteonderzoekprojecten voor Nederland Drs. G. Cornet Het Nederlandse ruimteonderzoek staat dit jaar uitgebreid stil bij het feit dat het veertig jaren geleden werd geïnstitutionaliseerd, aanvankelijk binnen de GROC (Commissie voor Geofysica en Ruimteonderzoek) en uiteindelijk in het tegenwoordige Nationale Instituut voor Ruimteonderzoek van SRON. Een tentoonstelling in het Utrechtse Universiteitsmuseum laat zien wat ruimteonderzoek is, welke technologische en wetenschappelijke principes eraan ten grondslag liggen en toont voorbeelden van opmerkelijke resultaten. Verder zal er dit najaar een boek worden uitgegeven door Natuur & Techniek waarin het ontstaan en de ontwikkeling van het ruimteonderzoek in Nederland vanuit het persoonlijk perspectief van de betrokken onderzoekers zal worden geschetst. Op deze plaats is het wellicht aardig om even vooruit te blikken in de toekomst. Inleiding De huidige inspanningen binnen het Nederlandse ruimteonderzoek kenmerken zich door de diagnostische deskundigheid die in de loop der jaren is opgebouwd. Allereerst op het gebied van de astrofysica, vervolgens met succes ingezet en uitgebouwd voor aardgericht onderzoek. In het kader van deze uitgave van Ruimtevaart beperk ik mij tot de astrofysica. Typerend voor de beoefening van ruimteonderzoek is de projectcyclus, waarbij telkens nieuwe wetenschappelijke vragen worden geformuleerd, de benodigde instrumentatie en methoden worden ontworpen om deze vragen te adresseren, vervolgens het bouwen en kwalificeren van de hardware ter hand wordt genomen, en uiteindelijk de analyse en interpretatie van de waarneemgegevens ook binnen het instituut en de brede internationale ruimteonderzoekgemeenschap plaatsvindt. Het is een aanpak die een meerwaarde oplevert door de voortdurende en stimulerende wisselwerking tussen de wetenschappelijke inspiratie en de technische realisatie. Inmiddels is deze aanpak overigens niet meer denkbaar zonder de nauwe samenwerking met (technische) universiteiten, andere onderzoeksinstituten en de industrie, in binnen- en buitenland. Het SRON-instituut ontleent zijn inspiratie hoofdzakelijk aan de wetenschappelijke hoofdlijnen die in het ESA Space Science Horizons programma zijn geformuleerd. Daarbij vormt vooral de goede reputatie die Nederland heeft opgebouwd op het gebied van de spectroscopie, in het gebied van submillimeter straling tot en met Röntgenstraling, een stevige basis voor deelname in toekomstige missies, zoals in Herschel (zie ook Ruimtevaart van april 2001), NGST (Next Generation Space Telescope), of XEUS (X-ray Evolving Universe Spectroscopy mission). Nieuwe ontwikkelingen hebben betrekking op interferometrie en formatievliegen in de ruimte. Nederland richt zijn aandacht onder meer op DARWIN, een astrofysische missie die in het infrarood op zoek zal gaan naar planeten als de aarde en mogelijk leven daar zal trachten te detecteren. Daarnaast is er LISA (Laser Interferometer Space Antenna) die het venster zal openen op zwaartekrachtstraling in het heelal, afkomstig van bijvoorbeeld dubbelstersystemen in onze Melkweg of zwarte gaten in het centrum van andere stelsels. De onderzoeksactiviteiten voor LISA hebben overigens een sterke relatie met die voor de aardobservatiemissie GOCE (Gravity and Ocean Circulation Experiment) en toekomstige missies die het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart gaan brengen. Ook op het gebied van detectorontwikkeling is er sprake van een sterke relatie tussen het astrofysisch programma en het aardgericht onderzoek binnen het SRON-instituut, met name op het 3

2 Artistieke verbeelding van Herschel (voormalige FIRST) en NGST op het L2 Lagrange punt, 1,5 miljoen km van de aarde. [ESA] gebied van de ontwikkeling van heterodyne ontvangers voor submillimeter straling. Alvorens de aandacht te richten op de meer verre toekomst staan we eerst nog even stil bij het grootste project dat het SRON-instituut op dit moment onder handen heeft en waarvoor de fase van het bouwen van de vluchthardware net is gestart. Dit is HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) voor de ESA missie FIRST (Far InfraRed and Submillimetre Space Telescope), inmiddels omgedoopt tot het Herschel Space Observatory. Herschel wordt in 2007 met een Ariane draagraket gelanceerd en naar een plaats op 1,5 miljoen km van de aarde gebracht. Vanuit deze koele plek, het zogenaamde Lagrange punt L2, heeft het observatorium een onbelemmerd uitzicht op het heelal. Herschel - HIFI en NGST Met SRON levert Nederland de Principal Investigator voor de bouw van HIFI. Met nog twee andere instrumenten vormt HIFI het wetenschappelijk hart van het Herschel Space Observatory. Deze cornerstone missie zet het werk voort van IRAS en ISO, waarin Nederland ook een leidende rol had in de ontwikkeling, de bouw en het gebruik van het wetenschappelijk instrumentarium. HIFI is voor SRON het sluitstuk van een meer dan 15 jaren durend traject voor de ontwikkeling van mixers als onderdeel van de heterodyne ontvangers voor submillimeter straling. In het consortium waarvan SRON de leiding heeft, zijn meer dan tien landen vertegenwoordigd en meer dan twintig instituten. Met HIFI is grensverleggende spectroscopie met zeer hoge resolutie mogelijk om moleculaire en atomaire lijnen te bestuderen, gericht op onderzoek van de levenscyclus van interstellair stof en sterren en het ontstaan van vroege melkwegstelsels. Naast het werk voor HIFI, dat op dit moment in de cruciale hardware fase is aangeland, heeft Nederland op initiatief van de onderzoekschool NOVA (Nederlandse Onderzoekschool voor de Astronomie) een rol verworven bij de ontwikkeling en bouw van de Mid-Infrared Camera/Spectrometer op de NGST, een gezamenlijke missie van NASA en ESA, die omstreeks 2010 de Hubble Space Telescope moet gaan opvolgen. NGST zal, in tegenstelling tot Hubble, vooral in het infrarood gaan waarnemen. Ook voor deze inspanning geldt dat de opgebouwde technische en wetenschappelijke deskundigheid Nederland toegang heeft gegeven tot het project. NOVA heeft de leiding over de Nederlandse bijdragen aan het wetenschappelijk instrumentarium. SRON zal zich, op grond van de vele verplichtingen in het lopende programma, vooralsnog beperken tot de rol van adviseur. XEUS De XEUS missie is een Europees/Japans initiatief voor een vervolg op de ESA cornerstone missie XMM-Newton. XEUS zal een nieuw venster openen op het hete heelal, terugkijkend naar een periode waarin melkwegstelsels nog niet waren gevormd, waarin moleculen en stof nog nauwelijks bestonden en waarin alleen de grootste massaconcentraties ineen konden storten. Maar dan niet tot sterren, maar tot zwarte gaten. Wellicht behoorden massieve zwarte gaten daarom ook tot de eerste objecten in het vroege heelal. De Röntgenachtergrond in het heelal zou wellicht voor een deel kunnen worden verklaard door straling afkomstig uit de omgeving van deze zware objecten. XMM-Newton is niet in staat om de indivi- 4

3 Bij de constructie van XEUS 2 op het internationale ruimtestation ISS wordt gebruik gemaakt van de Europese robotarm om de nieuwe spiegels te bevestigen. [ESA] duele bronnen van Röntgenstraling uit het vroege heelal te identificeren. De technologie in XEUS moet dit wel mogelijk maken, onder meer door de telescoop aanzienlijk te vergroten; uiteindelijk tot een diameter van zo n tien meter en met meer dan 500 geneste spiegels. Daarbij zal bovendien de beeldscherpte verder worden opgevoerd tot een duizendste van een graad. XEUS komt in een lage baan om gebruik te kunnen maken van het internationale ruimtestation ISS voor de geleidelijke opbouw van de satelliet, die zal bestaan uit een spiegelmodule en een detectormodule, die op een onderlinge afstand van 50 meter in formatie vliegen. In de huidige opzet zal XEUS na vier of vijf jaren na zijn lancering worden vergroot door het toevoegen van nieuwe spiegelmodules, waarbij gebruik wordt gemaakt van de robotarm op ISS. Volgens dit scenario kan XEUS zo n 25 jaren als Röntgenobservatorium operationeel blijven. SRON heeft de leiding genomen in een consortium dat een voorstel heeft ingediend voor de ontwikkeling van een cryogene spectrometer array (32 x 32 pixels), werk dat reeds in 1990 is gestart. Een dergelijke spectrometer moet ruimtelijke resolutie combineren met hoge spectrale resolutie en efficiency, alsmede hoge telsnelheid. Het detectieprincipe berust op microcalorimeters (zie pagina 7) bestaande uit een stralingabsorber, zwak gekoppeld aan een zogenaamd koud bad en sterk gekoppeld aan een thermometer voor de bepaling van temperatuurverhoging als gevolg van de absorptie van een foton. Als thermometer wordt een supergeleider gebruikt bij zijn overgangstemperatuur (typisch 100 mk). Temperatuurverhoging leidt dan tot weerstandstoename, afname van stroom (bij constante spanning) en gedissipeerd vermogen, waaruit de energie van het foton is af te leiden. Voor uitlezing wordt een SQUID gebruikt. Absorber en thermometer worden vervaardigd met behulp van lithografische methoden. Formatievliegen Astronomen gebruiken steeds grotere telescopen, voornamelijk om meer licht op te vangen van zwakke bronnen, maar wie steeds kleinere details wil zien in een gezichtsveld van gegeven omvang moet óók steeds grotere spiegels gebruiken. Maar een spiegel hoeft niet uit één geheel te bestaan. Het licht van enkele kleinere spiegels kan bijvoorbeeld via glasvezels naar een detector worden gestuurd. De lengte van zo n vezel moet dan wel zeer nauwkeurig constant worden gehouden, tot op een fractie van de golflengte van het licht 5

4 De DARWIN missie ( te lanceren rond 2020) heeft als voornaamste taak om planeten van het aardse type te vinden rond naburige zonachtige sterren en vast te stellen of zij mogelijk leven zouden kunnen herbergen. Er zijn al planeten rond sterren aangetoond, maar die zijn over het algemeen niet aardachtig. Het probleem dat moet worden overwonnen is het enorme contrast: de ster is tien miljoen maal helderder dan de planeet en ze staan vlak bij elkaar. Op een afstand van 30 lichtjaren is de hoek tussen de zon en de aarde ongeveer 1/ zondiameter. De interferometer werkt in infrarood licht en is in staat om plaatjes (en spectra) van planetenstelsels van naburige sterren te produceren, waarin het licht door middel van destructieve interferentie van de centrale ster is afgetrokken alsof iemand zijn hand ervoor heeft gehouden, terwijl het licht van een begeleider juist wordt verstekt. Door NEVEC (NOVA-ESO VLTI expertisecentrum aan de Leidse Sterrenwacht), TNO/TPD, de TU Delft en SRON worden in dit verband studies verricht naar deze methode van nulling interferometry. Het vroege heelal en de relaties tussen astrofysische missies. [ESA] (ongeveer 1/2000 millimeter). Dat gebeurt door middel van optisch schuiven. Op die manier wordt een veel groter oplossend vermogen gerealiseerd. Dit optisch principe heet interferometrie en wordt onder andere al toegepast in de VLT (Very Large Telescope), die door ESO wordt ontwikkeld op de berg Paranal in Chili. Uiteindelijk zal interferometrie ook in de ruimte worden toegepast, in de missies LISA en DARWIN. Dutch Space (voorheen Fokker Space) heeft samen met TNO-TPD de delay lines voor de VLT interferometer voor ESO ontwikkeld. Ten behoeve van LISA wordt momenteel hard gewerkt aan de ontwikkeling van detectoren voor gravitatiegolven. Dat zijn kleine variaties in de structuur van onze ruimte, die worden opgewekt wanneer grote massa s snelle bewegingen uitvoeren. Bijvoorbeeld twee neutronensterren die in een nauwe baan om elkaar heen tollen. Het gaat hier om een geheel nieuw soort golven die al bijna 100 jaren geleden zijn voorspeld, maar nog slechts indirect zijn waargenomen. Detectoren gebaseerd op het principe van de Michelson interferometer zijn op dit moment vrijwel operationeel en we staan daarom aan de vooravond van grote ontdekkingen. De LISA missie is technisch zeer geavanceerd en zou al in 2011 operationeel moeten zijn. Enkele essentiële componenten worden eerst uitgeprobeerd in de SMART-2 missie van ESA (2006). Bijdragen vanuit Nederland (SRON) hebben onder meer betrekking op simulatiestudies om de bewegingen van satelliet met de daarin aanwezige testmassa s te kunnen bestuderen. Die betreffende kennis en expertise is reeds ontwikkeld in het kader van de deelname aan GOCE, een missie waarbij met behulp van gradiometrie het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart zal worden gebracht. 6

5 Er zijn dus eigenlijk twee ontwikkelingen die ervoor zorgen dat vliegen in formatie in toekomstige ruimteprojecten zal worden toegepast. Op de eerste plaats worden instrumenten fysiek steeds groter. Daarnaast worden de mogelijkheden van besturingstechnieken steeds verfijnder. Om het gewicht en de stabiliteit in de hand te houden kan er een moment komen dat het voordelig wordt de zaak in twee delen te splitsen en die in de ruimte actief ten opzichte van elkaar te positioneren. Ook voor XEUS is deze werkwijze voorgesteld, zoals hiervoor al is beschreven. Samengevat kan worden gesteld dat er voldoende perspectief en uitdagingen zijn voor Nederland om op basis van een bewezen track record een toonaangevende rol te kunnen blijven spelen in het mondiale ruimteonderzoek. Bovendien nemen de kansen en uitdagingen toe om dit te doen in een hechte samenwerking tussen wetenschap en industrie. Detectieprincipe van een microcalorimeter Figuur a: een Röntgenfoton met energie E wordt geabsorbeerd in een absorber met warmtecapaciteit C. De absorber is thermisch gekoppeld aan een koud bad met warmtegeleiding G. Figuur b: absorptie leidt tot temperatuurverhoging ΔT en een terugkeer naar de uitgangsituatie in een afvaltijd τ, evenredig met C/G. Figuur c: door de temperatuurverhoging neemt de weerstand van de Transition Edge Sensor (TES) sterk toe. Figuur d: bij gelijkblijvende spanning neemt de stroom af en levert de integraal V ΔIdt de gedissipeerde energie E. In de extreme Electro Thermal Feedback (ETF) mode wordt de geabsorbeerde energie in de sensor volledig gecompenseerd door de afname van de verhittingsstroom. Uitlezing gebeurt met behulp van een Super conducting Quantum Interference Device (SQUID). 7

6 SOHO onthult de geheimen van de zon Dr. Pål Brekke en Dr. Bernhard Fleck ESA Research & Scientific Support Department at NASA De Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) is een internationaal samenwerkingsproject tussen ESA en NASA met als doel de bestudering van de zon, van diepe kern tot buitenste corona en zonnewind. Het heeft een samenstel van 12 hoogwaardige instrumenten aan boord die ontwikkeld en ontworpen zijn door 12 internationale consortia die 39 instituten uit 15 landen omvatten. SOHO kan de structuur van de zon onder het oppervlak bestuderen. [NASA] De SOHO satelliet De SOHO missie is een belangrijk onderdeel van het International Solar Terrestrial Programme (ISTP) en vormt samen met de Cluster missie, ESA s Solar Terrestrial Science Programme (STSP). STSP is de eerste cornerstone in het lange termijn wetenschapprogramma Horizons ESA was verantwoordelijk voor de realisatie, integratie en testen van het ruimtevaarttuig. Het is gebouwd in Europa door een industriële groep geleid door Matra Marconi Space (nu Astrium). De SOHO satelliet meet met uitgeklapte zonnepanelen ongeveer 9,5 m in het vierkant en is 4,3 m hoog. NASA verschafte de lancering, service en grondstation systemen en is verantwoordelijk voor de operaties tijdens de vlucht. De missie operaties worden uitgevoerd door het NASA Goddard Space Flight Center (GSFC). SOHO is gelanceerd door een Atlas II-AS vanaf Cape Canaveral op 2 december 1995 en is in zijn halobaan geplaatst rond het eerste Lagrange punt (L1) op 14 februari 1996, zes weken voor op schema. Het in bedrijf stellen van het ruimtevaartuig en de wetenschappelijke instrumenten werd in maart 1996 afgerond. De lancering was zo nauwkeurig en de baanmanoeuvres zo efficiënt dat er genoeg brandstof aan boord over bleef om de halobaan nog tientallen jaren vol te houden. Dat is vele malen langer dan oorspronkelijk gepland. Een verlenging van de SOHO missie voor een periode van vijf jaren, tot maart 2003, na de nominale missieduur van twee jaren, werd door ESA s Science Programme Committee (SPC) toegekend. Een tweede verlenging van weer vier jaren tot maart 2007 werd door het SPC toegekend in Dit zorgt ervoor dat SOHO een volledige elfjarige zonnecyclus zal kunnen waarnemen. Sinds de lancering van SOHO is er een ongeëvenaarde hoeveelheid informatie over de zon vergaard. Het onderzoek dat is gebaseerd op SOHO waarnemingen heeft het begrip van de zon revolutionair veranderd. Tegelijkertijd heeft SOHO de aandacht van zowel de wetenschappelijke gemeenschap als van het publiek gegrepen, doordat de spectaculaire gegevens en basisresultaten makkelijk toegankelijk zijn. SOHO biedt een unieke manier van waarnemen. Het levert live beelden van de meetgegevens toe aan de werksta- 8

7 tions van onderzoekers bij het SOHO Experimenters Operations Facility (EOF) van het GSFC. Daar kunnen de onderzoekers, vanaf de PC, direct opdrachten aan de instrumenten doorgeven. Lost in space Op 25 juni 1998 begon een nachtmerrie het contact met SOHO was verloren gegaan. Door een opeenvolging van ongelukkige gebeurtenissen had de satelliet zijn oriëntatie in de richting van de zon verloren, hetgeen uiteindelijk leidde tot verlies van vermogen, telemetrie en thermische controle. In een van de meest dramatische reddingoperaties in de geschiedenis van de ruimtevaart lukte het om SOHO weer terug op de zon te richten. Het recovery team bestond uit meer dan 160 mensen van ESA, Matra Marconi Space, NASA en Allied Signal. Op 16 september 1998, na het ontdooien van de bevroren hydrazine in de brandstoftank, pijpen en thrusters, werden alle subsystemen van de satelliet weer aangeschakeld en werd SOHO na negen dagen weer in de normale stand gezet. Op 5 november werkte alles aan boord weer normaal. Het feit dat de satelliet en de 12 instrumenten vrijwel onbeschadigd uit deze beproeving tevoorschijn zijn gekomen, is nogal opmerkelijk. Het is te danken aan een staaltje van vakmanschap en professionele toewijding van de wetenschappers en ingenieurs die SOHO ontworpen en gebouwd hebben. Twee van de drie gyroscopen van SOHO werden echter door het ongeval beschadigd. Toen de derde het op 21 december 1998 eveneens begaf, werd SOHO in een emergency sun reacquisition (ESR) stand gezet. In een race tegen de klok het vuren van de ESR thrusters consumeerde gemiddeld 7 kg hydrazine per week ontwikkelden de ingenieurs van ESTEC en Matra Marconi Space de software om zonder gyroscopen te opereren. De ESR standregeling kon nu worden uitgeschakeld. Op 1 februari 1999 werd een eerste gyroloze reaction wheel management and station-keeping manoeuvre uitgevoerd. SOHO opereerde hierdoor als eerste drieassig gestabiliseerde satelliet zonder gyro. Het binnenste van de zon In de seismologie verkrijgt men informatie over de geologische opbouw van de aarde uit gemeten golfpatronen veroorzaakt door aardbevingen. Op dezelfde wijze kan de zonnefysicus met helioseismologie technieken het binnenste van de zon bestuderen. De trillingen die men op het zonoppervlak kan zien, worden veroorzaakt door geluidsgolven die in het binnenste van de zon heen en weer kaatsen. Deze golven dragen dus informatie mee van de structuur en dynamiek van de regionen waar ze doorheen hebben bewogen. De instrumenten van SOHO hebben al veel onbekende eigenschappen van het binnenste van de zon onthuld. Onder andere zijn er lagen gevonden waar de gassnelheid plotseling verandert en verborgen straalstromen die rond de polen van de zon cirkelen. SOHO heeft ook de eerste seismische golven waargenomen van een zonnevlam op het oppervlak laat zo n vlam golven na die lijken op de waterkringen in een vijver nadat er een steen ingegooid is. Gegevens die zijn verkregen met de Michelson Doppler Imager (MDI) laten zien dat er zonale banden zijn in de noordelijke en zuidelijke halfronden waar stromen met verschillende snelheden (~ 5 m/s) ten opzichte van elkaar bewegen. De zonale banden verschuiven in de tijd, richting de zonevenaar en reiken tot een diepte van minstens kilometer. Schematische tekening die illustreert hoe SWAN actieve gebieden aan de achterzijde van de zon indirect kan detecteren. [NASA] 9

8 Een spectaculaire Coronal Mass Ejection verlaat de zon op 4 januari [NASA] Stromen van gas diep in de zon lijken te kloppen als bloed in aderen, waarbij ze iedere 16 maanden versnellen en vertragen. Deze ontdekking is gebaseerd op gecombineerde waarnemingen van SOHO (met de MDI) en de Global Oscillations Network Group (GONG), een wereldomvattend netwerk van grondstations. De waargenomen variaties in de gasstromen vinden plaats op een diepte van kilometer onder het zonoppervlak. Dat is bijna een derde van de straal van de zon. Dit is de plaats waar het zogenaamde dynamogebied zou liggen: de overgang van de borrelende convectieve buitenste schil en het meer ordelijke binnendeel waar de energie in de vorm van straling naar buiten lekt. De nieuwe resultaten tonen aan dat het verschil in gassnelheden boven en onder het dynamogebied binnen een half jaar met 20% kan veranderen. Wanneer de dieper gelegen gaslagen versnellen, vertragen de hoger gelegen lagen en vice versa. De waarnemingen suggereren een hartslag van de zon met één puls per maanden nabij de evenaar (misschien wat sneller richting de polen). Dit is een verrassing, want hetzelfde dynamogebied zou ook verantwoordelijk zijn voor de veel langere elfjarige zonnevlekkencyclus. De beschikbaarheid van MDI metingen met een hoge ruimtelijke resolutie heeft een nieuw venster geopend waarmee men binnenin de zon, ja zelfs door de zon heen, kan kijken. Deze nieuwe techniek, zonnetomografie, maakt het onder andere mogelijk om zonnevlekken en actieve gebieden aan de van de aarde afgekeerde zijde van de zon, waar te nemen. Sinds voorjaar 2001 heeft het SOHO/MDI team beelden gemaakt van de achterzijde. Deze werden direct ter beschikking gesteld aan het publiek, inclusief aan voorspellers van ruimteweer. Een oude onbeantwoorde vraag in het zonneonderzoek betreft de stabiliteit van zonnevlekken. Hoe kan het dat deze vlekken een aantal weken kunnen bestaan zonder dat ze uit elkaar getrokken worden? Er waren theoriën opgesteld die naar binnen stromende materie voorspelden waarmee de vlekken gestabiliseerd kunnen worden. Echter, de materie bleek vaak uit de zonnevlekken naar buiten te stromen. Toch is nu met helioseismologie inderdaad aangetoond dat net onder het oppervlak wel degelijk materie naar binnen stroomt die de zonnevlek bijeen kan houden. Een ander SOHO instrument, de Solar Wind Anisotropies (SWAN), is ook in staat om actieve gebieden waar te nemen op de achterkant van de zon. SWAN beelden die gemaakt zijn van de gehele hemel in ultraviolet laten een reusachtige interstellaire wolk waterstof zien die het zonnestelsel omhult. De zonnewind is in wisselwerking met deze wolk. Het SWAN team heeft gevonden dat de waterstofwolk achter de zon sterker oplicht in de nabijheid van actieve gebieden op de zon. Door de rotatie van de zon beweegt de oplichtende plek als een vuurtorenbundel langs de hemel. Waarneming van kometen Andere instrumenten aan boord van SOHO hebben bewezen te werken als de meest succesvolle kometen spotters in de geschiedenis 10

9 van de astronomie. Meer dan 500 kometen zijn ontdekt door SOHO, voornamelijk met het Large Angle Spectrometric Coronagraph (LASCO) instrument. Dit is een set van coronagrafen die het centrale zonlicht blokkeren om licht uit de ruimte rondom de zonneschijf beter te zien. Rondom de felle zon is dan het zwakke schijnsel van de kometen waarneembaar. Tot een paar jaren geleden werden de meeste kometen ontdekt door SOHO wetenschappers, maar doordat de LASCO beelden vrijwel direct op Internet worden geplaatst, worden momenteel de meeste SOHO kometen gevonden door amateur astronomen. LASCO kometen zijn typisch zogenaamde Kreutz zonnescheerders die hun ontmoeting met de zon niet overleven. Ze zijn tamelijk klein, maar zo n tien meter in diameter, en komen allemaal uit dezelfde richting in de ruimte. Het zijn dan ook fragmenten van één enkele reusachtige komeet die ooit waarschijnlijk 100 km groot was en zelfs tijdens daglicht gemakkelijk vanaf de aarde te zien moet zijn geweest. Grote stukken van deze komeet zijn nog waargenomen door de oude Grieken, meer dan 2000 jaren geleden. Dankzij de bijna real time waarnemingmogelijkheden van SOHO, heeft het Ultraviolet Coronagraph Spectrometer (UVCS) instrument de allereerste beelden vanuit de ruimte gemaakt van een kometenstaart in UV licht. SOHO komeet 104 is ontdekt met LASCO op 9 februari 2000 en meteen de volgende dag waargenomen door UVCS op vier verschillende hoogtes boven de zonnerand. Deze metingen gaven een goede indicatie van de dichtheid van de corona nabij de komeet. SOHO/SWAN nam de komeet Hale-Bopp waar toen deze in 1997 nabij de zon kwam, waarbij hij een gas- en stofstaart ontwikkelde met een lengte van meer dan 100 miljoen kilometer. Op de UV beelden zagen wetenschappers toen een uniek verschijnsel, namelijk een lange uitgerekte schaduw van de staart van meer dan 150 miljoen kilometer. Een dergelijke schaduw ontstaat doordat er steeds meer waterijs van de komeet verdampt als deze in de buurt komt van de zon. Deze waterdamp absorbeert (en verstrooit) het UV licht van de zon. Toen de komeet dichtbij de zon kwam werd in een 10 miljoen kilometer groot gebied rond de kern van Hale-Bopp bijna al het UV licht van de zon geabsorbeerd. Daardoor werd een donkere schaduw geworpen op het zachtjes in het UV licht van de zon gloeiende waterstof op de achtergrond in het zonnestelsel. Het doel van de ESA Rosetta missie (lancering in 2003) is de komeet Wirtanen. Toen deze periodieke komeet zijn meest recente passage langs de zon maakte, pompte hij ton waterdamp per dag het heelal in. Dat is uit metingen met SWAN afgeleid. De komeet Hale-Bopp bereikte een niveau van 200 miljoen ton waterdamp per dag. SWAN zag toen een waterstofwolk aangroeien tot een afmeting van 100 miljoen kilometer feitelijk het grootste object dat ooit in het zonnestelsel is waargenomen. Met SWAN is ook het uiteenvallen van de komeet LINEAR waargenomen. De totale hoeveelheid waterdamp die door SWAN van 25 mei tot 12 augustus 2000 is gemeten, werd geschat op 3,3 miljoen ton. Slechts 1% hiervan was op 6 augustus nog over toen met behulp van de Hubble ruimtetelescoop het volume afgeleid kon worden van de overgebleven verdampende komeetfragmenten. Deze gegevens samen wezen op een onvoorstelbaar lage dichtheid van de komeet, slechts 15 kg/m 3. Gewoon ijs heeft een dichtheid van 917 kg/m 3. Voegt men daar dan een ruim genomen evenredige hoeveelheid stof aan toe dan komt men uit op een kometendichtheid van slechts 30 kg/m 3. Dat is aanmerkelijk poreuzer dan de voorheen aangenomen dichtheid van kometen van typisch 500 kg/ m 3. Dit soort waarnemingen illustreert hoe SOHO niet alleen meer kennis oplevert over de zon, maar ook over het binnendeel van het zonnestelsel en de fysica van kometen. Het ruimteweer De veranderingen van de fysische eigenschappen (straling, magneetveld, enz.) buiten de dampkring als gevolg van de steeds veranderende zon noemen we het ruimteweer. Meestal heeft dat ruimteweer geen enkele invloed op ons dagelijks leven. Maar soms kunnen nuttige technische installaties nadelig beïnvloed worden wanneer de ruimte rond 11

10 de aarde verstoord wordt door de variërende straling van de zon. Een voorbeeld is het storen of mogelijk uitvallen van satellietfuncties. Onze maatschappij is blijkbaar gevoeliger geworden voor het ruimteweer dan tijdens het vorige zonnemaximum in We zijn afhankelijker van satellieten voor de weervoorspelling, communicatie, navigatie, exploratie, opsporing en redding en defensiesystemen. Daardoor zijn de gevolgen van het wegvallen van satellietsystemen veel verstrekkender dan voorheen. Deze trend zet zich hoogstwaarschijnlijk nog versneld voort. Verder is een veilig gebruik van het internationale ruimtestation (ISS) alleen mogelijk wanneer er op tijd gewaarschuwd wordt voor uitbarstingen op de zon. Twee instrumenten aan boord van SOHO hebben bewezen bijzonder waardevol te zijn bij het voortdurend in de gaten houden van zonnestormen die het ruimteweer beïnvloeden. Eén daarvan is de Extreme Ultraviolet Imaging Telescope. Deze telescoop maakt beelden van de atmosfeer van de zon in vier golflengten, waardoor vlammen en andere stormverschijnselen zichtbaar worden. Het andere instrument, LASCO, is gebouwd om zogenaamde coronale massa uitstotingen (CME s) te detecteren. CME s die richting de aarde bewegen veroorzaken zeer heftige ruimteweer effecten. Getoonde figuur laat een van de meest dramatische uitbarstingen die door SOHO zijn waargenomen, zien. Deze uitbarsting schoot vanaf de aarde gezien, uit de zijkant van de zon de ruimte in en had daardoor gelukkig geen effect op het ruimteweer direct rond de aarde. SOHO heeft bewezen te functioneren als belangrijk instrument voor het tijdig signaleren van uitbarstingen op de zon die effect kunnen hebben op de aarde. Voordat SOHO in bedrijf werd gesteld, was de nauwkeurigheid in de voorspellingen van geomagnetische storingen tamelijk laag. De meeste activiteit op de voorzijde van de zon, die grote geomagnetische stormen veroorzaakt, wordt Magnetische lussen vlak na een zonnevlam. Dit is een TRACE waarneming gemaakt op 9 november De temperatuur van het plasma in de lussen loopt op tot 1 miljoen graden. [NASA] 12

11 momenteel juist ingeschat. Het nauwkeurig voorspellen en waarschuwen door NOAA s Space Environment Center gedurende opeenvolgende uitbarstingen op de zon, zorgt ervoor dat gebruikers als elektriciteitcentrales en satellietoperators op storingen voorbereid zijn. Dit heeft de laatste jaren waarschijnlijk heel wat schade als gevolg van zonuitbarstingen voorkomen. TRACE De Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) is een NASA missie die gebouwd is om de evolutie en voortplanting van kleinschalige magneetvelden en plasmastructuren door de zonatmosfeer te bestuderen. TRACE is in 1998 gelanceerd aan boord van een Pegasus XL raket. De werking en planning van het wetenschapprogramma is nauw gekoppeld aan dat van SOHO. Het instrument aan boord van TRACE bestaat uit een telescoop met een 30 cm hoofdspiegel en filters om in wit licht, UV en drie extreem UV banden waar te nemen. Met een hoge ruimte- en tijdresolutie biedt TRACE de mogelijkheid prachtige beelden en filmpjes van de zon te maken. Gecombineerde waarnemingen met de instrumenten van SOHO hebben geleid tot een grote vooruitgang in het begrip van de complexe natuurkunde van de corona en de processen die plaatsvinden tijdens uitbarstingen op de zon. TRACE heeft ontdekt dat alle structuren in de corona voortdurend veranderen. Temperaturen variëren als reactie op veranderingen in verhitting, waarmee gassen ofwel de corona ingepompt worden ofwel terugvallen naar het oppervlak. De toekomst De recente ruimtemissies gericht op de zon (Yohkoh, SOHO en TRACE) hebben een nog nooit eerder vertoonde, degelijke kijk op onze daglicht ster opgeleverd. Ze hebben een revolutie teweeggebracht in de zonnefysica. De nieuwe generatie ruimtemissies met onder andere Solar-B, STEREO, SDO en de Solar Orbiter beloven deze revolutie voort te zetten doordat ze de mogelijkheid gaan bieden de fysische processen op hun fundamentele schaal waar te nemen. Er gaan nieuwe waarnemingshoeken bijkomen, hoge breedtes, de achterkant, wegkijkend van de lijn zon-aarde en close encounters. Solar-B is een ISAS (Japan) missie met deelname van de VS en het VK, waarvan de lancering gepland staat voor augustus Het is de opvolger van de zeer succesvolle Yohkoh missie en zal drie instrumenten aan boord hebben. In het hart van de satelliet huist een 50 cm telescoop voor het maken van hoge resolutiebeelden van de fotosfeer (waar het zichtbare licht van de zon vandaan komt) en de chromosfeer (dunne laag daaromheen). Voor de bestudering van de meest naar buiten gelegen corona zijn een Röntgentelescoop en een extreem UV spectrometer gepland. Het hoofddoel van Solar-B is gericht op het bestuderen van de opwekking en het transport van magneetvelden en hun rol in de verhitting en structuurvorming in de chromosfeer en de corona. Ook de invloed van de magneetvelden op uitbarstingen en zonnevlammen is een belangrijk onderwerp van studie. Het hoofddoel van NASA s STEREO missie is het begrijpen van de oorsprong en gevolgen van CME s. De missie bestaat uit twee identiek uitgeruste satellieten, waarbij er één voor de aarde uit vliegt en de andere achter de aarde aan. De gezamenlijke driedimensionale stereobeelden van CME s zullen bijdragen aan nieuw inzicht in de structuur van de corona en de complexe structuren rondom CME s. Lancering is thans gepland voor november Het Solar Dynamics Observatory (SDO) is de eerste corner stone missie van NASA s Living With a Star (LWS) programma. Dit programma is een initiatief om het wetenschappelijk begrip te ontwikkelen dat nodig is om op effectieve wijze in te spelen op precies die aspecten van het gekoppelde zon-aarde systeem, waarbij sprake is van een directe invloed op het leven en de maatschappij. Sinds begin 2002 is LWS onderdeel van een groter internationaal LWS (ILWS) programma. De belangrijkste vragen die door SDO verder beantwoord dienen te worden zijn onder meer: Welke mechanismen leiden tot de elfjarige cyclus in de zonneactiviteit, hoe ontstaan en bewegen de magneetvelden in actieve gebieden, waar komen de waar- 13

12 Grote uitbarstingen op de zon waargenomen met TRACE op 19 juli [NASA] genomen variaties in de zonnestraling vandaan en is het mogelijk om nauwkeurige en betrouwbare voorspellingen van ruimteweer en klimaat te maken? De lancering van SDO staat gepland voor augustus 2007 voor een missieduur van vijf jaren. SDO zal vliegen in een geostationaire baan die voldoet aan de eis van een hoge wetenschappelijke gegevensstroom (meer dan 100 Mbps) en bijna continue waarnemingen waarbij gebruik wordt gemaakt van één speciaal grondstation. De Solar Orbiter werd in oktober 2000 door ESA s SPC geselecteerd als een Flexi missie. In mei 2002 is het project opnieuw bevestigd als onderdeel van het nieuwe, lange termijn ESA programma Cosmic Vision. Het belangrijkste doel van deze missie is het bestuderen van de zon van zeer dichtbij, dat wil zeggen in een baan om de zon op 30 miljoen kilometer (0,2 AU). Het oppervlak, en de ruimte daarboven, kan uiteindelijk vanuit co-rotatie met hoge resolutie in beeld gebracht worden. Ook beelden richting de polen tot op 38º zonbreedte kunnen worden gemaakt. De unieke baanpositie van de Solar Orbiter zal bereikt kunnen worden door gebruik te maken van low thrust solar electric propulsion en tussentijdse manoeuvres in het zwaartekrachtveld van de aarde en Venus. De lancering is gepland voor Andere missies naar de zon worden gepland, of men discussieert er over: Picard, een Franse microsatelliet voor nauwkeurige meting van de zondiameter en vorm; Space Solar Telescope, een Chinees project; Advanced Spectroscopic and Coronagraphic Explorer (ASCE) welke momenteel een gedetailleerde conceptstudie ondergaat in NASA s MIDEX programma; Solar Probe, een missie waarbij getracht wordt door de zonnecorona te vliegen op een afstand van slechts vier zonstralen van het oppervlak; Reconnection and Microscale probe (RAM) voor zeer hoge resolutie opnamen en spectroscopie. Het geheel aan projecten dat momenteel operationeel, in ontwikkeling of gepland is, vormt een indrukwekkende en veelbelovende vloot aan ruimtemissies naar de zon. De toepassing van meerdere technieken vanuit meerdere gezichtspunten zal nieuwe onderzoeksgebieden openen. We bewegen steeds meer weg van het ons bekende gezichtspunt, nabij de aarde in het eclipticavlak, hetgeen cruciale nieuwe informatie zal opleveren om lang openstaande vragen te beantwoorden over de aard van onze daglicht ster en haar invloed op de aarde. NASA/GSFC, Greenbelt, MD 20771, USA bfleck@esa.nascom.nasa.gov pbrekke@esa.nascom.nasa.gov Met toestemming vertaald uit het Engels door Dr. J.J. Blom Voor meer informatie over de SOHO missie, recente hoogtepunten en actuele beelden kan men terecht op de SOHO homepage: Fleck, B., et al.: Four Years of SOHO Discoveries Some Highlights, ESA Bull. 102, p (2000) ( nascom.nasa.gov/~bfleck/preprints/ ESA_Bull102.pdf) Lang, K.R.: The Sun from Space, A&A Library, Springer (2000) Vandenbussche, F.C.: SOHO s recovery an unprecedented success story, ESA Bull. 97 (1999) ( operations/recovery/vandenbu.pdf) 14

13 Missies naar de maan: een overzicht J. Volp In dit artikel zullen ruimtevaart missies die betrekking hebben gehad op de maan voor u op een rijtje worden gezet. Aandacht zal worden besteed aan de wetenschappelijke kant van die missies. De belangrijkste conclusie die getrokken moet worden, is dat we nog steeds erg weinig over onze buurplaneet te weten zijn gekomen. Russische missies Het Russische programma had veel succes, maar het leidde alleen niet tot een overwinning op de Amerikanen om de eerste mens op de maan te landen. De successen op een rijtje: de eerste langsscheervlucht langs de maan, het eerste inslaan op de maan, de eerste foto van de achterkant van de maan, de eerste zachte landing op de maan, de eerste satelliet rond de maan, de eerste analyse van de maanbodem, de eerste, onbemande, missie die stenen van de maan naar de aarde terugbracht, en de eerste, onbemande, maanrovers. De Russen bouwden ervaring op met het fotograferen van het maanoppervlak. Later konden ze op een afstand van zo n kilometer twee robots op het oppervlak van de maan bedienen. Ze slaagden er zelfs in om met drie missies (Luna 16, 20 en 24) maanstenen terug te brengen naar de aarde voor verder onderzoek. Amerikaanse missies Ranger ( ) In een poging om close-up foto s van de maan te maken, hebben de Amerikanen een serie van satellieten op de maan afgeschoten die tot vlak voordat ze zouden inslaan foto s naar de aarde stuurden. Sommige foto s hebben een resolutie van een halve meter. Ranger 7, 8 en 9 hebben foto s gemaakt van verschillende terreinen: vlak vulkaanterrein (Mare) vermengd met uitgeworpen stralen materiaal van een nabije kraterinslag, Mare met een complex systeem van bergkammen, en een grote krater in een berggebied. Surveyor ( ) De serie van Surveyor landers moesten ook close-up foto s van het oppervlak maken, maar vooral bepalen of het veilig was om met een bemande capsule op de maan te landen. Ze hadden allen een televisie camera aan boord. Surveyor 3 en 7 hadden tevens een robotarm die de grond analyseerde. Surveyor 5, 6 en 7 hadden magneten aan het landingsgestel om een chemische analyse van de bodem uit te voeren. Lunar Orbiter ( ) In 1966 en 1967 zijn er vijf Lunar Orbiter missies gelanceerd die het maanoppervlak systematisch in kaart hebben gebracht. Deze observaties dienden ter voorbereiding van Apollo. Alle vijf missies waren een succes en in totaal werd 99% van de maan gefotografeerd met een resolutie van 60 meter of minder. De eerste drie missies concentreerden zich op twintig mogelijke landingsplekken welke geselecteerd waren vanaf de aarde. Deze missies vlogen niet hoog boven de maanevenaar. De vierde en vijfde missie waren meer wetenschappelijk van aard. Deze vlogen in polaire banen en hadden daardoor veel meer coverage. Lunar Orbiter 4 fotografeerde de hele maan. Lunar Orbiter 5 nam medium (20 meter) en hoge resolutie (2 meter) foto s van 36 gebieden. Meerkleurencamera AMIE (150 gr) is een miniatuur camera voor Smart missies. [ESA] 15

14 De zes missies die op de maan zijn geland, hebben toch veel wetenschappelijke informatie opgeleverd. Ze brachten in totaal bijna 400 kg aan maanstenen mee terug. Er zijn op het oppervlak een aantal experimenten verricht in het belang van bodemonderzoek, afstandbepaling (hoogte informatie), seismische golven (die informatie geven over de structuur van de binnenkant van de maan), warmtegeleiding (belangrijk om te begrijpen hoe de maan is ontstaan), meteorieten, het magnetisch veld van de maan en de zonnewind die sinds vier en een half miljard jaren op de maan inbeukt. De maan gefotografeerd door de Galileo satelliet op een van haar langsscheervluchten. [NASA] Apollo Het Apollo programma had als doel om, vóór de Russen daarin zouden slagen, Amerikanen naar de maan en ook weer veilig terug te brengen. Zes van de missies (Apollo 11, 12, 14, 15, 16, en 17) zijn hierin geslaagd en er zijn dus in totaal twaalf Amerikanen geweest die op de maan hebben rondgelopen. In het Apollo programma was wetenschap van ondergeschikt belang. Apollo 7 en 9 waren missies die rond de aarde de commando- en maanmodules hebben getest en hebben geen gegevens over de maan verzameld. Apollo 8 en 10 testten diverse componenten en zijn wel naar de maan gevlogen. Ze brachten foto s van het maanoppervlak mee terug. Apollo 13, vooral bekend door de gelijknamige film, kon door een explosie niet landen op de maan. Toch zijn er door de bemanning, zelfs in deze benarde situatie, foto s van de maan genomen. Harrison Schmitt en Apollo 17 NASA had slechts één wetenschapper (geologie) geselecteerd om onderzoek te doen op de maan. Zijn naam is Harrison Schmitt, ook wel Jack genoemd. Hij was oorspronkelijk gepland voor een van de Apollo missies die later door het congres geschrapt werden. Hij is gelukkig toch nog met de allerlaatste missie meegegaan, Apollo 17 dus. De stenen die Jack Schmitt heeft meegenomen, zijn wetenschappelijk gezien de meest interessante gebleken. Zijn vakmanschap is achteraf dus van cruciaal belang geweest voor het wetenschappelijke rendement van het totale Apollo programma. Harrison Schmitt is in juni 2002 op uitnodiging van het maangenootschap LUNEX (Lunar Explorers Society) naar Nederland gekomen. In de Aula van de TU Delft konden de toehoorders zijn unieke ervaring meebeleven aan de hand van prachtige dia s en interessante verhalen uit de mond van de hoofdrol speler ten tijde zelf. Jack had twee boodschappen voor het publiek: er is Helium-3 op de maan en het Apollo project is alleen mogelijk geworden doordat heel veel, voornamelijk jonge mensen, met passie aan het project meewerkten. Galileo (1990, 1992) Galileo was een satelliet die Jupiter en zijn manen moest bestuderen. Omdat Jupiter 600 miljoen kilometer ver is en Galileo daarvoor nooit genoeg brandstof mee kon nemen, moest een truc uitgehaald worden. Men kan de zwaartekracht van een planeet gebruiken ten gunste van een satelliet om zodoende extra snelheid te ontwikkelen. Galileo scheerde dan ook tweemaal langs de 16

15 aarde en de maan op 8 december 1990 en op 7 december 1992 en nam daarbij foto s. Clementine (1994) De totstandkoming van de Clementine missie is een bijzonder verhaal. In 1989 stelde iemand in een bar in Washington voor om recente technologieën die door het Amerikaanse leger waren ontwikkeld, te gebruiken in een goedkope ruimtemissie. Door de lichte materialen en geavanceerde sensoren langdurig aan een ruimtevaart omgeving bloot te stellen, kunnen deze in de praktijk getest worden. Het verhaal gaat dat de hele missie die avond op een servet ontworpen is. Vervolgens is er een klein team van experts (een soort denktank) aan het ontwerp van de missie gezet, hetgeen een niet alledaagse manier van projectmanagement was voor die tijd. Dit bleek een groot succes, aangezien de missie in een record tijd voor veel minder geld dan normaal tot stand kwam. Clementine werd ook wetenschappelijk een daverend succes doordat het een slimme combinatie van instrumenten bevatte. De gegevens die Clementine alweer bijna tien jaren geleden terugstuurde meer dan 1,8 miljoen digitale foto s zijn erg belangrijk gebleken voor geologisch onderzoek. Met name de multispectrale camera s die op verschillende golflengten hoge resolutie opnames maakten, hebben een grote waarde voor de wetenschappelijke wereld. In december 1996 kwam een persbericht vrij dat Clementine (voor het eerst) bewijs zag voor waterijs op de zuidpool van de maan. Het vinden van waterijs is bijzonder belangrijk om twee totaal verschillende redenen. Ten eerste zouden er in het ijs ook organische materialen of misschien zelfs microben aanwezig kunnen zijn. Het vinden van aanwijzingen dat leven zich ook buiten onze aarde zou kunnen ontwikkelen is misschien wel één van de belangrijkste ontdekkingen die we als mens ooit kunnen doen. Ten tweede is ijs belangrijk voor voortstuwing. Waterijs kan namelijk (bijna) direct gebruikt worden als raketbrandstof. Dan wordt een reis naar de maan, en vooral de terugreis naar de aarde, wel een heel stuk makkelijker en komt (bemande) ruimtevaart naar de maan een grote stap dichterbij. Lunar Prospector (1997) Een aantal jaren later wilden de Amerikanen de ontdekking van waterijs graag bevestigen met andere experimenten. Om over een Onderzoek van de maan. [NASA] 17

16 Harrison Schmitt. [NASA] lanceren, namelijk meeliften met een grote commerciële communicatiesatelliet. Dit maakt de missie wel weer ingewikkelder, omdat de exacte lanceerdatum niet door Smart-1 bepaald kan worden. De positie van de maan en de zon kan dus ongunstig zijn op het moment van lancering. afstand te bewijzen of er ergens water is moet je de deeltjes waaruit water bestaat (waterstof- en zuurstofmoleculen) direct meten. Lunar Prospector had zes instrumenten aan boord: een Gamma spectrometer (voor het detecteren van metalen), een neutronen spectrometer (voor detectie van waterstof), een magnetometer (correlatie met metalen), een elektron reflectiemeter, een alpha deeltjes spectrometer, en een Doppler experiment om het zwaartekrachtveld in kaart te brengen. Al deze instrumenten zijn omnidirectioneel, wat inhoudt dat ze niet ergens op gericht hoeven te worden wat bijvoorbeeld bij een camera vaak wel nodig is. Dit is dus een totaal ander scala aan detectiemethoden vergeleken met Clementine. Ook Lunar Prospector vond een bewijs voor waterijs op de polen van de maan. Andere missies Smart-1 (2003) Smart-1 is de eerste in een reeks van Small Missions for Advanced Research and Technology. De satelliet is oneerbiedig samengevat een doos met zijden van ongeveer een meter met twee grote zonnepanelen (gebouwd door DutchSpace). Ze is heel licht, slechts 370 kilo, en zou dus zo door vier sterke mannen opgetild kunnen worden. Een Smart missie dient vooral goedkoop te zijn, een vijfde van een normale missie. Omdat de lanceerkosten altijd heel hoog zijn, is gekozen voor een bijzondere manier van Smart-1 maakt gebruik van een bijzondere raketmotor welke op zonne-energie werkt in plaats van op stuwstof. Het belangrijkste van de missie is dan ook het testen of deze nieuwe raketmotor goed werkt. ESA wil dit type raketmotor namelijk later ook gaan gebruiken op de Bepi-Colombo missie naar Venus. De meetinstrumenten zijn zeer modern, elk instrument is een voorbeeld van miniaturisatie en geavanceerdheid. De meerkleuren camera, genaamd AMIE, weegt bijvoorbeeld slechts 150 gram en is niet veel groter dan een fotorolletje. Smart-1 gaat naar de maan. Het is voor Europa voor het eerst dat ze een satelliet richting de maan stuurt en dat maakt de missie heel bijzonder. Vroeger waren het vooral de Amerikanen en de Russen die missies naar de maan lanceerden, nu dragen dus ook Europeanen hun (maan-)steentje bij aan het maanonderzoek. LUNAR-A (2003) Het Japanse Instituut voor Ruimtevaart Wetenschappen (ISAS) ontwikkelt LUNAR- A. De missie wordt aan het begin van 2003 gelanceerd door een M-V raket. LUNAR-A zal eerst in een lage baan ( km) om de maan gebracht worden alvorens het twee projectielen afschiet die zullen inslaan op het maanoppervlak; één aan de voorkant en één aan de achterkant. Daar zullen ze seismische golven registreren en metingen doen aan de warmtegeleiding. SELENE (2005) SELENE (2000 kg) is eveneens een Japanse maanmissie en zal in 2005 door een H-II A raket gelanceerd worden. Vijf dagen later zal het de maan bereiken en in een polaire cirkelbaan op slechts 100 km hoogte worden gebracht. Er zal een kleine satelliet die de communicatie met de aarde zal onderhouden, worden losgemaakt van het moederschip. Deze kleine satelliet meet door middel van 18

17 het Dopplereffect van de transmissie signalen van het moederschip het zwaartekrachtveld van de maan. Het moederschip zal gedurende een jaar de maan in kaart brengen door in totaal 13 instrumenten waaronder hoge resolutie camera s, radar, laser hoogtemeter, Röntgen spectrometer en gammastralen spectrometer. Daarna splitst ze in tweeën en zal er een gedeelte op de maan landen. Dit landingsvaartuig zal radiosignalen uitzenden waardoor de afstand tot de maan en de precessie van de maan beter gemeten kunnen worden. Helium-3, het gebruik van de maan als energiebron Helium (He) is na waterstof het meest voorkomende element in het heelal. In de aardse atmosfeer bedraagt de concentratie slechts 0,0005%. Helium komt voor in twee isotopen, 4 He (99,999%) en 3 He (0,001%). Op aarde is in totaal slechts een paar honderd kilo beschikbaar. Sinds Apollo is bekend dat alleen al de bovenste laag van de maan op zijn minst een miljoen ton 3 He bevat. Helium-3 kun je gebruiken als brandstof voor derde generatie kernfusiereactoren. Ondanks de publieke weerstand en angst voor alles wat met kernenergie te maken heeft, zal de fusie van Helium-3 kernen toch een belangrijke oplossing kunnen worden om in de groeiende behoefte aan energie te voorzien. Fossiele brandstoffen raken snel uitgeput en het rendement van wind- en zonne-energie is laag. De maan kan uitkomst bieden doordat er een belangrijke delfstof Helium-3 te winnen is. Het is tevens een ideale brandstof omdat bij het fusieproces geen radioactieve straling vrijkomt. Het gevaar voor een ongeluk als in Chernobyl is dan niet aan de orde. Met één ton Helium-3 kan megawatt-jaar aan elektrische energie worden opgewekt. Met 100 ton Helium-3 kan een jaar lang energie worden opgewekt voor de hele wereldbevolking. Deze hoeveelheid zou in vijf vluchten van de maan kunnen worden gehaald met een ruimteschip ter grootte van de space shuttle. Dezelfde hoeveelheid energie krijg je als je 13 miljard vaten olie verstookt met een straatwaarde van zo n slordige 300 miljard dollar. Met deze gegevens is te begrijpen dat er serieus gekeken moet worden hoe en wanneer we weer teruggaan naar de maan. [Daarbij moet wel worden aangetekend dat de ontwikkeling van een geschikte kernfusiecentrale nog enige tientallen jaren zal vergen. (Red.)] Het Maangenootschap LUNEX LUNEX probeert mensen uit te leggen waarom weer teruggaan naar de maan belangrijk is. Naast de bovenstaande argumenten een energiebron voor de toekomst en het waterijs op leven onderzoeken en te leren gebruiken is er nog heel veel te leren over en vooral óp de maan. Het aantal robot landingsvaartuigen is beperkt geweest; de wetenschappelijk waarde van deze missies is miniem te noemen (met als uitzondering de drie Russische missies die maanmateriaal hebben teruggebracht). De Apollo experimenten hebben ons wel wat geleerd, maar nu (ruim 30 jaren later) begrijpen we waar we op de maan moeten zijn om meer te weten te komen. Een heel belangrijk aspect dat vaak wordt vergeten is dat een spannend (internationaal) project jonge mensen kan en zal inspireren. In een tijd waarin technische studies elk jaar weer moeten knokken voor hun bestaan en waar tegelijkertijd de maatschappelijke relevantie van technisch geschoolde mensen nog nooit zo hoog is geweest, is een grote investering in de intellectuele ontwikkeling van de jeugd op zijn plaats. Teruggaan naar de maan is zo n spannend project. Clementine: Helium-3: Lunar and Planetary Institute: Lunar Explorers Society (LUNEX): NSSDC: Smart-1 ESA: Smart-1 SSC: 19

18 Kometen, onheilbrengers of bouwstenen van ons zonnestelsel? Ir. J.F.M. van Casteren Wat zijn kometen, waar komen ze vandaan, hoe zijn ze ontstaan en wat is hun betekenis voor ons? Kometen mogen worden beschouwd als boodschappers, echter niet, zoals men vroeger dacht, van slechte tijdingen zoals de dood van koningen, maar ze kunnen ons de sleutels aandragen voor het begrip over het ontstaan van ons zonnestelsel. Komeet inslag op de aarde. [Actualities Astrologiques] Intrigerend Eeuwenlang heeft de mensheid al naar de nachtelijke hemel gekeken en gezien dat sommige objecten wel heel plotseling, uit het niets, te voorschijn kunnen komen om zich dan te ontwikkelen tot een heldere bal met een staart. De oude Grieken hadden een beeldende benaming voor deze verschijnselen: aster komete hetgeen zoveel betekent als harige ster. Maar ook in de Chinese cultuur zijn kometen bekend blijkens aantekeningen over een komeet, nu bekend als die van Halley, in het jaar 240 voor Christus. De relatief snelle beweging en het plotsklaps opduiken werd lange tijd niet begrepen en was vaak reden tot uitgesproken reacties, ja zelfs paniek en massahysterie. Kometen kregen de schuld van alles wat toevallig mis was gegaan, zoals de dood van koningen, de ondergang van een keizerrijk of het ontstaan van plagen. Zo zou het verschijnen van de komeet Halley in 1066 de Engelsen het verlies van de slag bij Hastings hebben voorspeld. Het beroemde tapijt van Bayeux dat die slag gedenkt, beeldt de verschijning van Halley af. Nog geen eeuw geleden, in 1910 toen Halley weer voorbij scheerde, ontdekte men met de vroege spectroscopie giftige cyaan gassen rondom Halley s kern. Perfide charlatans verspreidden het bericht dat de aarde wel eens door de giftige staart zou kunnen vliegen. Zij speelden op angstgevoelens in door verzekeringpolissen en homeopathische medicijnen te verkopen tegen de komeetkoorts. Ook Kuifje is in de ban geweest van een neerstortende komeet in zijn avontuur De geheimzinnige ster dat Hergé vlak na de oorlog schreef. Zelfs in onze moderne wereld met zijn vele kennis zijn er nog elementen van angst met betrekking tot kometen. De media berichten regelmatig over de mogelijkheid van een inslag op aarde en verschillende rampenfilms met komeetinslagen als hoofdthema werden kaskrakers. Toch zijn de rampscenario s nauwelijks reden voor het moderne komeetonderzoek. Integendeel, de wetenschap is zeer geïnteresseerd in het ontstaan van het zonnestelsel en het leven op aarde. Waarom juist komeetonderzoek? Geboorte en familierelaties Het ontstaan van het zonnestelsel vindt zijn oorsprong in een reusachtige gaswolk waaruit de zon zich ontwikkelde met daaromheen stof en ijs dat zich verzamelde in een platte schijf. Stof en ijs klonterde samen tot een enorm aantal kleinere objecten ter grootte van een kilometer. Onder invloed van de aantrekkingskracht tussen deze massa s konden hieruit de planeten ontstaan, maar veel van deze kleine objecten bestaan nog steeds en bevinden zich in drie gordels: de asteroïde gordel tussen Mars en Jupiter, de Kuiper gordel en de Oort wolk. De Kuiper gordel bevindt zich buiten de baan van Neptunus op 30 tot 100 AE [1 astronomische eenheid (AE) is 150 miljoen km, de afstand aarde zon]. De Oort wolk staat zelfs op een afstand van AE (1 lichtjaar). De samenstelling van objecten uit deze drie gordels is verschillend. Vermoedt wordt dat asteroïden een planeet hadden kunnen vormen maar om de een of andere reden zijn ze nooit samengekomen. Ze zijn over het algemeen groter en zwaarder dan 20

19 kometen. Inwendige druk heeft dan processen op gang kunnen brengen waarvoor de vluchtige stoffen verbruikt zijn. Blijft over kale rots, zonder stofwolk of coma die door de zon oplicht. Wetenschappers geloven dat de objecten in de Kuiper gordel en de Oort wolk kleine ijzige rotsblokken zijn waarin nog veel vluchtige stoffen in bevroren vorm zijn opgeslagen. De lage zwaartekracht heeft weinig effect en de zon is voor deze nietige hemellichamen slechts een ster en levert op die afstand nauwelijks energie. Overigens is nog geen enkel object uit de Oort wolk direct waargenomen. Jan Oort stelde in 1950 vast dat nog nooit een komeet was waargenomen die uit de interstellaire ruimte zou kunnen komen, dat de meeste kometen met een lange periode aphelia hebben van AE en dat kometen geen voorkeursrichting hebben. Hieruit leidde hij af dat kometen hun oorsprong hebben in een gebied aan de buitenrand van ons zonnestelsel, nu bekend als de Oort wolk. Statistische benaderingen geven aan dat er in orde van grootte van 1000 miljard objecten op die enorme afstand rond zwerven. Het onderscheid tussen kometen en asteroiden is enigszins arbitrair, maar het belangrijkste verschil lijkt te zijn dat kometen in hun ijzige basis meer vluchtige stoffen bevatten en dat ze veel excentrischer banen hebben. Het grootste gedeelte van hun leven staan ze buiten de invloed van de zon, waardoor hun samenstelling nauwelijks is veranderd. Dat maakt kometen, meer dan asteroïden, geschikt voor onderzoek naar de oorsprong van het zonnestelsel. Immers, ze bestaan uit het oermateriaal van de nevels waaruit het gehele zonnestelsel is geëvolueerd. Banen In de 4,6 miljard jaren van het bestaan van ons zonnestelsel zou één of meer langs scherende sterren met hun stoorkracht miljoenen brokstukken uit de Oort wolk hebben kunnen losrukken waardoor ze in een sterk excentrische baan rond de zon zijn gaan bewegen. De familie van kometen met lange en zeer lange omloopbaan, met een periode tot 200 jaren en zelfs duizenden jaren zou zo kunnen zijn ontstaan. Analoog zouden de korte periode kometen zijn voortgebracht uit de Kuiper gordel met perioden korter dan 10 jaren met een aphelium ter hoogte van Jupiter en een perihelium ter hoogte van de aarde. Kometen zijn slechts zichtbaar als ze in de buurt van de zon komen, met goede telescopen tot aan de baan van Jupiter. Soms komt het voor dat de aarde door een oude baan van een komeet beweegt waarin stof en gruis door de smeltende kern zijn achtergelaten. Er kan dan een regen van meteoren naar beneden komen. Zo is er ieder jaar in augustus de kruising met de baan van komeet Swift-Tuttle, resulterend in de Perseïden meteoren. Komeet Hyakutake was meer dan een miljard jaren verborgen in de Oort Wolk voordat hij in 1996 zichtbaar werd. [H. Mikuz] 21

20 Leven op aarde Door hun grote afstand tot de zon zijn kometen, en in mindere mate asteroïden, de meest primitieve lichamen in ons zonnestelsel. Algemeen wordt aangenomen dat ze als het ware een vrieskist zijn waarin alle natuurkundige en chemische processen die voorkwamen ten tijde van de vorming van het zonnestelsel liggen opgeslagen. Komeetmateriaal is de bouwsteen van planeten en sleutel tot meer kennis. Geen enkel ander materiaal brengt ons dichter bij het oorspronkelijke condensaat in de zonnenevel. Gedurende de eerste miljarden jaren van haar bestaan is de aarde aan een waar bombardement van kometen blootgesteld geweest. Sommige wetenschappers zijn ervan overtuigd dat zo de kometen onze waterbron zijn geweest en de oceanen hebben gevormd. Ook is het niet onmogelijk dat complexe organische moleculen als formaldehyde door kometen op de aarde terecht zijn gekomen en de start van een biologische ontwikkeling hebben mogelijk gemaakt. Dat er leven op kometen zelf is, wordt uitgesloten geacht door de lage temperaturen ( 50ºC tot 250ºC). Komeetinslagen met snelheden tot 70 km/s kunnen echter ook groot gevaar opleveren. Bewijzen daarvoor zijn er genoeg. Er zijn op aarde ongeveer 120 kraters bekend. De grootst gevonden krater is verborgen in de oerwouden van Yucatan, Mexico en heeft een diameter van 180 km. Ernstige gevolgen voor het leven op aarde door inslagen zijn niet uitgesloten. Klimaatveranderingen met verstoring van de ecologische balans worden serieus genomen, getuige de ontwikkeling van de nog te bevestigen theorie van het uitsterven der dinosaurussen. Structuur Kometen bestaan uit een kern, de coma en de staart. Komeetkernen zijn klein, bros en onregelmatig gevormd. Gevangen door de zon in hun elliptische banen, komen de kometen periodiek dichter bij de zon en op minder dan een paar AE worden ze meer en meer opgewarmd. De komeet wordt dan actief en helderder naarmate hij de zon nadert. De bevroren gassen dicht aan het oppervlak sublimeren, waardoor ook stofdeeltjes losraken en worden meegenomen op de vlucht weg van de komeet. Het zo gevormde diffuse materiaal rond de kern wordt coma genoemd. Verder raken gasmoleculen in de zonnestraling geïoniseerd. De zonnewind blaast het stof en gas in een richting, uiteraard van de zon weg. Zo ontstaat de bekende komeetstaart die in werkelijkheid dus uit twee componenten bestaat. De staart van stof is het best zichtbaar voor het blote oog door de reflectie van het zonlicht op de stofdeeltjes en strekt zich uit tot een lengte van 10 miljoen km. De plasmastaart van geïoniseerd gas heeft een interactie met de zonnewind over een paar honderd miljoen km. Het succes van Giotto Dankzij de ESA sonde Giotto is er nu veel over de komeet Halley bekend. Stralen van gas en stof met relatief grote dichtheid ontsnappen met snelheden van wel 900 m/s. Halley heeft een langwerpige kern van 16 km bij 8 km, maar de meeste kometen zijn veel kleiner, ongeveer een kilometer doorsnede of minder. Giotto s metingen tonen aan dat het gas ontsnapt met een hoeveelheid van kg/s, waarvan 80% waterdamp. Dit bevestigt de theorie van Fred Whipple, Amerikaans astrofysicus, die 50 jaren geleden het vuile sneeuwbal model voor komeetkernen voorstelde. Halley blijkt een poreus object te zijn met lage dichtheid, opgebouwd uit deeltjes ijs, bevroren gassen en stof. Vele verschillende moleculen worden in de kern gevonden zoals koolmonoxide, kooldioxide, methaan, ammonia en koolwaterstoffen. Meer complexe organische stoffen, mogelijk een polymeer van formaldehyde die voor biologisch leven van belang zijn, worden ook gevonden. De gedetailleerde samenstelling blijft echter nog met raadsels omgeven. Dat Halley zo extreem donker is, kwam als een volslagen verrassing omdat het niet strookt met het algemeen bekende voorkomen van helder bevroren ijs. De kern is echter zo zwart als roet, waarschijnlijk door ingevroren koolstof en reflecteert maar 2 tot 4% zonlicht. Dit is verklaarbaar door de combinatie van de zwarte kleur en een poreus oppervlak, waar in de holtes verreweg de meeste fotonen worden 22