SRON Spectrum Themanummer SPICA/SAFARI Nr. 15 mei 2011 SPICA/SAFARI: de gedroomde kosmologiemachine Chemie tussen de sterren Protoplanetaire schijven: kraamkamers van planetenstelsels Netherlands Institute for Space Research
INHOUD KORT NIEUWS De Herschel-telescoop niet lang voor de lancering (F. Kamphues) Kort nieuws 2 SPICA/SAFARI: de gedroomde 6 kosmologiemachine - Rens Waters Het moleculaire heelal - Alexander Tielens 8 Protoplanetaire schijven: 10 kraamkamers van planetenstelsels - Inga Kamp Op zoek naar de raadselachtige balans 14 tussen ster en zwart gat - Paul van der Werf/Frans Stravers Moleculen vertellen een nieuw verhaal 17 over het gas tussen de sterren - Frank Helmich/Floris van der Tak Chemie tussen de sterren - Harold Linnartz 20 Na HIFI weer een giant step 22 - Peter Roelfsema/Frans Stravers Nieuwe ruimtesimulator bootst heelal na SRON gaat met financiële steun van onderzoeksfinancier NWO een ruimtesimulator ontwikkelen. In de simulator - die de duisternis en de extreem lage temperaturen in het heelal nabootst - wil het ruimteonderzoeksinstituut zijn ruimteinstrumenten aan intensieve tests gaan onderwerpen. De eerste kandidaat is de infraroodspectrometer SAFARI. De Japanse ruimtetelescoop SPICA - die volgens plan in 2018 SAFARI mee de ruimte in neemt - krijgt een actief gekoelde spiegel. Daardoor hebben sterrenkundigen straks geen last van de warmtestraling van de ruimtetelescoop zelf. China wil SPEX voor Marsmissie De China Academy of Space Technology (CAST) heeft serieuze belangstelling voor het SPEX-instrument, de spectropolarimeter die bij SRON in ontwikkeling is, samen met het Sterrekundig Instituut van de Universiteit Utrecht en andere Nederlandse partijen. SPEX zou onderdeel moeten uitmaken van de eerste Marsmissie die onder volledig Chinese leiding wordt ontwikkeld. SPEX (Spectropolarimeter for Planetary EXploration) is door CAST geselecteerd vanwege de bijzondere technologie, die grensverleggende wetenschap met een zeer klein instrument mogelijk maakt. SPEX kan met grote precisie de eigenschappen van aerosol, stof en wolken van de atmosfeer van een planeet maar ook van onze eigen aarde in kaart brengen. Op Mars gaat het dan bijvoorbeeld over de kristallen die de ijswolken vormen en de stofdeeltjes die in stormen over het oppervlak razen. De mate van polarisatie van dit licht geeft gedetailleerde informatie over de microfysische eigenschappen (chemische samenstelling, grootte en vorm) van de deeltjes. Daardoor krijgen planeetonderzoekers bijvoorbeeld meer inzicht in hoe Mars beruchte stofstormen ontstaan en soms zo groeien Om optimaal te profiteren van de lage infraroodemissies van de telescoop zelf, wordt SAFARI uitgerust met ultragevoelige infrarooddetectoren. Deze Transition Edge Sensors worden door SRON ontwikkeld. De nieuwe technologie stelt echter veel hogere eisen aan het ijken van de instrumenten (kalibratie) en aan de testfaciliteiten op de grond, die zeer lichtdicht moeten zijn. De ruimtesimulator die SRON nu met financiële steun van NWO (circa 900.000 euro) gaat ontwikkelen, voldoet aan al die eisen. De totale kosten bedragen circa 1.2 miljoen euro; de simulator moet eind 2012 operationeel zijn. www.sron.nl/safari p.dieleman@sron.nl dat ze de hele planeet omhullen, en hoe wolken en stof het Marsklimaat beïnvloeden. In maart vonden bijeenkomsten op het hoofdkantoor van CAST en bij toonaangevende CAS (Chinese Academy of Sciences) instituten in Beijing plaats om de details van een samenwerking verder te verkennen. Deze missie, volledig begeleid door het Netherlands Office for Science and Technology van de Nederlandse ambassade in Beijing, is een succes gebleken. Hoewel de geplande Marsmissie van 2013 voor SPEX te vroeg komt, spraken CAST en SRON de intentie uit om te komen tot langdurige samenwerking op gebied van planeetonderzoek en luchtkwaliteit met spectropolarimetrie. SPEX levert informatie over hoe wolken en stof het Marsklimaat beïnvloeden (NASA) www.sron.nl/nieuws HIFI hervat waarnemingen na inslag kosmisch deeltje De elektronica van HIFI, een van de drie instrumenten aan boord van ESA s ruimtetelescoop Herschel, is op maandag 28 februari jl. waarschijnlijk getroffen door een kosmisch deeltje. Het kosmisch deeltje sloeg in op de elektronica van het instrument, waardoor HIFI buiten werking trad. Door HIFI vanaf de aarde uit en vervolgens weer aan te zetten, kwam het instrument echter weer online. Nader onderzoek moet meer zekerheid geven over de oorzaak van de storing, maar het is waarschijnlijk dat het geheugen van een hulpcomputer in een van de regelmodules is getroffen. Dit was eind 2009 ook het geval, waardoor HIFI moest overschakelen op zijn back-up elektronica. De enig mogelijke oplossing was nu het uit- en vervolgens weer aanzetten van HIFI vanuit het Control Centre op Aarde. Dit is gebeurd onder zo gunstig mogelijke condities (b.v. door de temperatuur van de elektronica iets te verhogen). Zoals verwacht reageerde HIFI goed op de herstart. HIFI kwam weer on line, wat aantoont dat uiterst zorgvuldig opereren in het ruimteonderzoek een must is. De HIFI-specialisten van ESA en SRON verwachten HIFI nog minstens één keer uit en aan te moeten zetten tijdens de duur van de Herschel-missie. Maar het incident geeft veel vertrouwen dat dit kan worden gedaan zonder schade aan het instrument. HIFI heeft zijn waarnemingen inmiddels hervat. a.m.selig@sron.nl 3
De verzonken tralie van SRON KORT NIEUWS Baanbrekende tralies voor Europese milieusatelliet Het mkb gaat de ruimte in Het ontwikkelen van langetermijnrelaties, het gebruik van elkaars specialisme en het vergroten van betrokkenheid van het mkb. Dat zijn een paar speerpunten die ter sprake zijn gekomen bij het netwerkevenement dat NWO, SRON en Samenwerkingsverband Noord-Nederland (SNN) in maart organiseerden voor het hoogtechnologisch mkb in Noord-Nederland. De bijeenkomst stond in het teken van het Europese ruimte-instrument SAFARI. In een aantal sessies in de laboratoria van SRON Groningen, presenteerde SRON de grensverleggende technologie die voor SAFARI wordt ontwikkeld. De demonstraties over SAFARI s cryogene testfaciliteiten, het mechanisch ontwerp van de detectorbehuizing, elektronica en software en koeltechnologie gaven een kijkje in de keuken van SRON en leidden tot goede discussies over mogelijke aanknopingspunten voor het mkb. www.sron.nl/nieuws h.h.van.der.linden@sron.nl De netwerkbijeenkomst werd bijgewoond door 36 vertegenwoordigers van hightech-mkb. Daarnaast waren verschillende ervaringsdeskundigen op het gebied van publiek-private samenwerking bij technologische onderzoeksfaciliteiten aanwezig. Er zijn goede discussies gevoerd en waardevolle nieuwe contacten gelegd tussen SRON en verschillende mkb, die SRON de komende tijd zal opvolgen. De netwerkdag werd door het aanwezige mkb zeer gewaardeerd en zal waarschijnlijk worden gevolgd door een landelijke SAFARI-industriedag. SAFARI wordt voor een aanzienlijk deel in Nederland ontwikkeld, onder leiding van SRON en in samenwerking met TNO en de industrie. De Nederlandse investeringen in de technologie voor SAFARI bedragen naar verwachting circa 50 M. Bovendien liggen er kansen voor het Nederlandse bedrijfsleven op het gebied van de productie en levering van andere onderdelen voor de internationale SPICA-missie, volgens het principe van justeretour. SRON gaat essentiële hardware leveren voor de infraroodmodule van TROPOMI, het instrument dat aan boord van de Europese milieusatelliet Sentinel 5-precursor onder meer de luchtvervuiling in de troposfeer en de klimaatontwikkeling van de aarde gaat monitoren. Daartoe heeft SRON op 9 december 2010 een overeenkomst gesloten met het Engelse ruimtevaartbedrijf Surrey Satellite Technology Limited (SSTL). TROPOMI is een zogenoemde imaging absorption spectrometer. Het instrument dankt zijn grote gevoeligheid aan twee technologische vernieuwingen in de SWIR-module. SRON en TNO zijn ruim vijf jaar geleden begonnen, dankzij financiële ondersteuning van het Netherlands Space Office (NSO), met de ontwikkeling van een speciale verzonken tralie. Het gaat hier om silicium tralies die van binnenuit worden belicht: een speciaal ontwikkelde combinatie van prisma en optische tralie die de opgevangen straling op golflengte scheidt. Deze verzonken tralies, ook wel immersed gratings of immersietralie Verzonken tralies ook in beeld voor Extremely Large Telescope genoemd, zorgen voor een drastische omvangvermindering van de spectrometer: een factor 40 ten opzichte van conventionele tralies. Daarnaast beschikt de SWIR-module over een geavanceerde detector voor kortgolvige infraroodstraling (SWIR), die aan de allerhoogste eisen voldoet. SRON ontwikkelt speciale elektronica voor aansturing en uitlezing van deze detector. De combinatie van detector en elektronica wordt bij SRON volledig gekarakteriseerd om later tijdens vlucht de wetenschappelijke data van het instrument goed te kunnen interpreteren. De lancering van de Sentinel 5-precursormissie met TROPOMI staat gepland voor december 2014. TROPOMI is een samenwerking tussen KNMI, SRON, TNO en Dutch Space, in opdracht van het NSO, en wordt gefinancierd door de ministeries EL&I, OCW en IenM. www.sron.nl/nieuws E.A.A.Aben@sron.nl http://bit.ly/i8ddrw The Infrared Connection: van HIFI naar SAFARI Metingen in de eerste helft van 2010 door SRON s moleculenjager HIFI een van de drie instrumenten aan boord van ESA s ruimtetelescoop Herschel - hebben geleid tot meer dan vijftig wetenschappelijke publicaties. Om dat te vieren overhandigde SRON op 8 maart een speciale editie van het Europese tijdschrift Astronomy & Astrophysics aan NWO-voorzitter prof. dr. Jos Engelen. Het themanummer van A&A is gewijd aan de eerste wetenschappelijke resultaten van de Herschel-missie, onder andere aan de nieuwe vormen van water die HIFI in de ruimte heeft aangetroffen. De overhandiging vond plaats tijdens de SAFARI Consortium Meeting in Utrecht, wat SRON de gelegenheid gaf om het ruimte-instrument SAFARI, de beoogde opvolger van HIFI, alvast kort te introduceren. www.sron.nl/safari p.r.roelfsema@sron.nl Science Director Rens Waters overhandigt aan NWO-voorzitter Jos Engelen het Herschel First Results Issue van het tijdschrift A&A De verzonken tralies van SRON zijn in beeld voor toepassing op de Europese Extremely Large Telescope. Een Nederlands consortium, met daarin ook TNO, NOVA/ASTRON en Philips, gaat bestuderen of de technologie ook kan worden toegepast voor METIS, een van de acht geplande meetinstrumenten achter de enorme spiegel van de telescoop. METIS is een van de acht voorgestelde instrumenten voor de E-ELT. Het is het enige instrument dat (infrarood)straling op golflengtes groter dan 3 micrometer kan meten, wat het ook makkelijker maakt om correcties voor beeldverstoring uit te voeren. Sinds kort bestaat de mogelijkheid om met behulp van een speciaal ontwikkelde combinatie van prisma en optische tralie de opgevangen straling op golflengte te scheiden. Deze verzonken tralies zorgen voor een drastische omvangvermindering van het meetinstrument terwijl de prestaties gelijk blijven. De tralie voor METIS moet nog wel veel groter en vlakker worden dan de huidige ultramoderne tralies, wat een enorme technologische uitdaging betekent. Als het lukt om met een prototype de toepasbaarheid van de tralie ook voor METIS aan te tonen, kan dit een enorme winst betekenen. Met een verzonken tralie is METIS zeer compact te ontwerpen en het wordt daardoor minder moeilijk om de optische onderdelen voor METIS te maken. Rens Waters Science Director SRON Een Nederlands consortium onderzoekt of de verzonken tralies van SRON kunnen worden toegepast voor METIS, een van de geplande instrumenten op de Europese Extremely Large Telescope. (ESO) 4 5
SPICA/SAFARI: de gedroomde kosmologiemachine Dit nummer van SRON Spectrum staat helemaal in het teken van SPICA/SAFARI, de Japans-Europese missie die volgens plan in 2018 wordt gelanceerd. Dat is voor u als lezer misschien nog ver weg, maar insiders weten dat we in het ruimteonderzoek nu eenmaal werken met verre horizonten. En de belangen voor het Nederlandse ruimteonderzoek zijn groot, de vooruitzichten bijzonder inspirerend en de voorbereidingen binnen SRON als wetenschappelijk projectleider (PI) voor SAFARI zijn in volle gang. Waarom aan zo n enorm complex project beginnen als voorganger HIFI nog geen anderhalf jaar in de ruimte is en de analyse van door HIFI verzamelde gegevens nog jaren gaat duren? Het antwoord is heel eenvoudig. SPICA/SAFARI is de droom van elke astrofysicus en instrumentbouwer, de grootste klap die je in het infrarood/submillimetergebied na de Herschel-ruimtetelescoop met een enkelvoudige telescoop nog kunt maken. Het Nederlandse ruimteonderzoek mag in deze grensverleggende infraroodmissie niet ontbreken als we onze vooraanstaande internationale positie willen behouden. SPICA is door zijn grote gekoelde spiegel extreem gevoelig, geschikt voor een golflengtegebied van 30-210 micron. Dat maakt het mogelijk om de fysische en chemische samenstelling Dit beeld van onze Melkweg, gemaakt door Herschel, laat een grote kraamkamer zien waar continu nieuwe sterren worden geboren. (ESA, PACS & SPIRE) van objecten in de ruimte in groot detail te bepalen. We hebben straks geen last meer van het overlappen van infraroodbronnen, iets waar astronomen met Herschel hoe fantastisch de ruimtetelescoop ook werkt nog wel mee kampen te hebben. Daarmee is SPICA/SAFARI in feite de gedroomde kosmologiemachine. SAFARI, het Europese zenuwcentrum van de SPICA-ruimtetelescoop, is een infraroodspectrometer die bovendien afbeeldingen van het heelal kan maken. Dat heeft enorme voordelen. Door de roodverschuiving te meten, kunnen we de overlap tussen de bronnen opheffen en die onderscheidend van elkaar observeren. Met behulp van de spectrale informatie kunnen we dus extra scherpte aanbrengen in onze plaatjes van het heelal, wat leidt tot een beter begrip van de stervormingsgeschiedenis in het heelal. Samen met de James Webb Space Telescope en de ALMAtelescoop in Chili kunnen we straks fantastische dingen doen, want de missies zijn in het infrarood complementair. ALMA (vanaf eind 2012) richt zich op de complexe chemie tussen de sterren, van onder andere organische moleculen. De James Webb Space Telescope (vanaf 2016) richt zich op de emissies van extreem roodverschoven sterren: het licht van de eerste sterren van ons heelal. SPICA/SAFARI richt zich op de straling van het warmere gas en stof in deze sterrenstelsels en speurt naar waterijs. We hebben al deze gegevens nodig voor een volledig beeld van de geboorte en evolutie van sterrenstelsels, zwarte gaten, sterren en planeten. Het is moeilijk te zeggen wat nu in dat heel brede onderzoeksgebied onze heilige graal is. Misschien komen we voor volstrekte verrassingen te staan die ons beeld van de kosmos op zijn kop zetten. Hopelijk werpen onze waarnemingen nieuw licht op bijvoorbeeld de relatie tussen het proces van planeetvorming het schoonvegen van de protoplanetaire schijven en het aaneengroeien van stofkorrels en de aanwezigheid van gas en stof in de schijf. Uiteindelijk wil je weten hoever een schijf is met het vormen van planeten. En we krijgen hoogstwaarschijnlijk antwoord op de vraag waar het water zit in de stofwolken waaruit sterren ontstaan. We zien nu met Herschel/HIFI maar een deel van het water in de kraamkamers van sterren en planeten, in de vorm van waterdamp. De hypothese is dat de rest van het water in bevroren vorm, als waterijs, is opgeslagen. Dat is interessant, want maar een deel van een jong zonnestelsel is koud genoeg om water te laten bevriezen. Op deze indirecte manier kunnen we dus vaststellen in welk deel van de gaswolk het water zich moet bevinden. Maar deze hypothese kunnen we pas met SPICA/SAFARI bevestigd krijgen, simpelweg omdat we waterijs met Herschel/HIFI niet kunnen waarnemen. Zit het water inderdaad waar we het verwachten? Wat zegt dat over de chemie in planetaire stelsels? Leert het waterijs ons iets over het ontstaan van ons eigen zonnestelsel? De James Webb Space Telescope (vanaf 2016) richt zich op de emissies van extreem roodverschoven sterren: het licht van de eerste sterren van ons heelal. Op de foto zijn de eerste zes flight ready onderdelen van de hoofdspiegel te zien op weg naar de laatste cryogene testen. (C. Gunn) SPICA wordt een factor 100 gevoeliger dan Herschel en maakt daardoor een geweldig krachtige diagnostiek mogelijk. Zo krachtig dat de objecten die we nu met Herschel in detail observeren voor SAFARI veel te helder zijn. We moeten op zoek naar een reeks nieuwe objecten de allerzwakste infraroodbronnen in het heelal die we kunnen bestuderen. SAFARI opent dus een heel nieuw, fascinerend waarnemingsgebied. In die zin is het instrument een waardige opvolger van ISO, Spitzer en Herschel. Ik ben natuurlijk heel trots dat SRON zo kort na HIFI weer de leiding heeft over de ontwikkeling van een baanbrekend ruimte-instrument. Het is voor mij de bevestiging dat SRON met zijn krachtige samenspel van wetenschappelijk onderzoek en instrumentontwikkeling nog altijd in de Champions League van het ruimteonderzoek speelt. Ik ben trots op onze technici en instrumentontwikkelaars, die precies weten waar het naartoe kan met de ruimtetechnologie. En ik geniet van de begeisterung van onze astronomen, dankzij wie we in staat zijn om op de eerste rang kennis te nemen van de wetenschappelijke oogst van de ruimte-instrumenten. Gedreven door nieuwsgierigheid kunnen we samen onze leefomgeving het heelal verkennen en proberen een antwoord te vinden op de vraag waar wij uiteindelijk vandaan komen. Wat is de oorsprong van het heelal, van ons zonnestelsel en van het leven op aarde? Rens Waters Science Director SRON De in 2018 te lanceren satelliet SPICA is door zijn grote gekoelde spiegel extreem gevoelig. Dat maakt het mogelijk om de fysische en chemische samenstelling van objecten in de ruimte in groot detail te bepalen. Daarmee is SPICA/SAFARI in feite de gedroomde kosmologiemachine. (ESA) 6 7
Het moleculaire heelal De laatste twintig jaar is het steeds duidelijker geworden dat wij in een moleculair heelal wonen. Een heelal met een rijke chemie waarin organische verbindingen wijdverspreid zijn en waarin moleculen een belangrijke evolutionaire rol spelen. SAFARI biedt nieuwe mogelijkheden om deze moleculen en hun invloed op de evolutie van het heelal te bestuderen. Een artistieke impressie van grote PAK-moleculen in de ruimte. Koolstofatomen hier in groen weergegeven zijn gerangschikt in hexagonale structuren. Waterstofatomen geel decoreren de randen van deze schijfachtige moleculen. Een samengestelde kleurenfoto van het draaikolkstelsel M51 vertoont vele complexe structuren die de interactie van jonge massieve sterren met de omringende PAK-moleculen (rood) aangeven. Dat moleculen in het heelal aanwezig zijn, is al zo n 100 jaar bekend doordat we elektronische overgangen van radicalen zien in absorptiespectra van het licht van ver weg gelegen sterren. Sinds de jaren zestig hebben rotationele overgangen van moleculen in het microgolvengebied geleid tot de identificatie van zo n 150 verschillende moleculen. Het gaat hier vooral om simpele moleculen als water, ammonia, formaldehyde en koolstofmonoxide. Deze moleculen zien we voornamelijk geconcentreerd in zogeheten moleculaire wolken waarin al het gas in moleculaire vorm bestaat. Deze wolken nemen een centrale plaats in de evolutie van sterrenstelsels in, omdat nieuwe sterren alleen in het koude inwendige van dergelijke wolken gevormd kunnen worden. In de kern van de M82-melkweg vindt een uitbarsting van stervorming plaats. De winden en supernovaexplosies van de vele nieuwe jonge sterren verhitten het omringende gas tot hoge temperaturen en sturen het tot grote hoogte de ruimte in. De NASAruimtetelescopen Spitzer, Chandra en Hubble hebben samen deze samengestelde kleurenfoto van de M82-melkweg gemaakt. De emissie van PAK-moleculen is rood, de emissie van röntgenstraling van heet gas is hier met blauw aangegeven. De sterschijf van deze melkweg is in geel-groen en het geïoniseerd waterstof gas is oranje. Vingerafdrukken Met het openen van het infrarode golflengtegebied door middel van satellieten hebben we ook de vibrationele overgangen van moleculen ontdekt. En dat heeft tot grote verrassingen geleid. De midinfrarode emissie van vrijwel alle objecten wordt gedomineerd door sterke banden van polycyclische aromatische koolwaterstoffen. In de ruimte zijn deze zogenoemde PAKs, PAKs leveren een gevoelige maat voor de aanwezigheid van UV-fotonen en tellen daarmee kortlevende massieve sterren. bestaande uit gefuseerde benzeenringen, zeer wijdverspreid: circa 10% van de koolstof in het heelal neemt de vorm aan van dit soort moleculen. Deze grote, heel stabiele moleculen zijn goed bestand tegen de extreme condities van de ruimte. Voor astronomen zijn deze grote moleculen heel belangrijk. Ze beïnvloeden bijvoorbeeld het energiebudget en de ionisatiebalans van het gas in de ruimte en door hun invloed op de thermische eigenschappen van het gas en de koppeling van gas- en magneetvelden spelen ze ook een belangrijke rol in het stervormingsproces. En daarmee in de evolutie van sterren en sterrenstelsels. Daarnaast zijn ze een belangrijk reservoir van organische moleculen, vooral in gebieden van ster- en planeetvorming. Onder invloed van energetische fotonen en kosmische stralingsdeeltjes vertonen PAKs een rijke chemie, die leidt tot een gevarieerde organische soep waaruit met de juiste voedingsbodem wellicht alom leven zou kunnen ontstaan. Onder invloed van energetische fotonen en kosmische stralingsdeeltjes vertonen PAKs een rijke chemie die leidt tot een gevarieerde organische soep waaruit wellicht leven zou kunnen ontstaan. PAKs absorberen ten slotte ultraviolette fotonen van jonge massieve sterren en zetten die heel efficiënt om in infraroodfotonen. PAKs zijn daarmee hele goede kleurstoffen aan de hand waarvan we de interactie van massieve sterren met hun omgeving in detail kunnen bestuderen. Maat voor UV-fotonen Het SAFARI-instrument op de SPICA-satelliet biedt nieuwe mogelijkheden om deze moleculen en hun invloed op de evolutie van het heelal te bestuderen. SAFARI kan straks het verinfrarood spectrum van vele bronnen in ons melkwegstelsel in detail meten. In eerdere studies aan PAKs in de ruimte heeft de nadruk steeds gelegen op het midinfrarood spectrum. De banden in dit spectrale gedeelte zijn goed om aan te geven dat PAKs als een klasse heel wijdverspreid zijn. Echter, deze banden zijn niet echt molecuulspecifiek en identificatie van precies welke moleculen aanwezig zijn, is niet mogelijk gebleken. Echter, de banden in het verinfrarood zijn wel molecuulspecifiek en deze karakteristieken kunnen heel goed als vingerafdrukken dienen. SAFARI kan de PAKs meten over roodverschuivingen tot wel vijf, dus in de verst van ons af gelegen sterrenstelsels in het uitdijende heelal. We kunnen de PAKs ook heel goed gebruiken om de stervormingsactiviteit van een gebied te meten. PAKs leveren een gevoelige maat voor de aanwezigheid van UV-fotonen en tellen daarmee kortlevende massieve sterren. SAFARI kan de PAKs meten over roodverschuivingen tot wel vijf, dus in de verst van ons af gelegen sterrenstelsels in het uitdijende heelal. Daarmee werpt het instrument nieuw licht op de stervormingsactiviteit in een belangrijke periode in de evolutie van het heelal, waarin de meeste sterren werden gevormd en melkwegen bij elkaar kwamen. Alexander Tielens Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden 8 9
Protoplanetaire schijven: kraamkamers van planetenstelsels We weten nu in grote lijnen hoe planeten zich vormen uit protoplanetaire schijven, maar de details onttrekken zich nog steeds aan onze waarnemingen. We begrijpen nog niet precies hoe het stof samenklontert en hoe zich uit heel kleine stofdeeltjes 1000 km grote planeten kunnen vormen. Infraroodwaarnemingen suggereren dat de kleine stofkorreltjes pas na enkele miljoenen jaren samenklonteren, maar het kan zijn dat het groeiproces dichtbij de ster veel sneller gaat. Met de hogere spectrale resolutie van SAFARI kunnen we hier meer zicht op krijgen. Doordat SAFARI minder veel voorkomende moleculen kan detecteren, kunnen we voor het eerst ook de chemie in de kraamkamers van aarde-achtige planeten bestuderen. De ruimte tussen de sterren is niet leeg, maar bevat heel ijl gas en minuscule stofdeeltjes van een tiende micrometer. Als dit materiaal wordt verstoord, bijvoorbeeld door een oude ster die als supernova ontploft, loopt er een schokgolf doorheen die de dichtheid zodanig vergroot dat het materiaal onder zijn eigen zwaartekracht ineenstort. In het centrum van zo n ineenstortende wolk ontstaat een jonge ster. Draai-impulsbehoud zorgt ervoor dat zich tegelijkertijd een platte roterende schijf rond de jonge ster vormt, een protoplanetaire schijf. We denken dat in deze schijven de planeten ontstaan. Ook ons eigen zonnestelsel zou 4,5 miljard jaar geleden uit zo een zonnenevel ontstaan zijn. Dit idee is al door Kant en Laplace in de 18de eeuw geopperd. We denken dat het groeiproces van stofkorrels in protoplanetaire schijven de eerste stap is op weg naar de geboorte van planeten. Geheugen In ons eigen zonnestelsel bevatten de oudste objecten, zoals kometen en meteorieten, een geheugen van het vormingsproces van ons zonnestelsel. Maar om tijdens dit proces al iets te leren over planeetvorming, kunnen we ook naar de samenstelling en structuur van protoplanetaire schijven kijken. We zitten op dit moment in een geweldige periode voor dit onderzoek, omdat we met de ruimtetelescopen Spitzer en Herschel twee infraroodmissies hebben die ontzettend veel nieuwe data over zulke systemen opleveren. Het SAFARIinstrument op de geplande Japanse ruimtetelescoop SPICA wordt nog een factor 100 gevoeliger, omdat de spiegel van SPICA actief gekoeld wordt en SAFARI een nieuwe generatie extreem gevoelige detectoren bevat. SAFARI heeft ook een hogere spectrale resolutie dan de eerdere missies en kan dus vooral de aanwezigheid en hoeveelheden van eenvoudige moleculen als water en OH in protoplanetaire schijven veel beter in kaart brengen. Deze moleculen zijn nauwelijks van de grond te bestuderen omdat de dampkring van de aarde zelf grote hoeveelheden hiervan bevat. Onze kennis over protoplanetaire schijven is op dit moment vooral afgeleid uit waarnemingen van de thermische straling van kleine stofkorrels die door het sterlicht worden verwarmd. Scherpe waarnemingen op millimetergolflengte toonden al in de jaren negentig aan dat zulke schijven 1-10% van de stermassa bevatten en een omvang hebben van 100 1000 AE (een astronomische eenheid is de afstand aarde-zon). Meer recente waarnemingen in het midinfrarood met zowel ISO als Spitzer lieten zien dat de stofkorrels in deze schijven al behoorlijk gegroeid waren vergeleken met de stofkorrels waaruit de ster en schijf oorspronkelijk ontstaan zijn. De typische grootte van deze Vanaf 2012 kunnen protoplanetaire schijven met ALMA (Atacama Large Millimeter Array, te Chili) worden bestudeerd. (ESO) stofkorrels loopt uiteen van enkele micrometers tot centimeters. We denken dat het groeiproces dat we hier zien de eerste stap is op weg naar de geboorte van planeten. Maar voordat we er zijn, moeten de korrels nog rond acht ordes van grootte groeien (28 ordes van grootte in massa). Protoplanetaire schijven Gebaseerd op een groot aantal van bovengenoemde infraroodmetingen ontstond het volgende beeld van een protoplanetaire schijf: de binnenkant van de schijf wordt bepaald door dynamische effecten als het punt waar de schijf en de ster precies dezelfde omlooptijd hebben, of door de kleinste afstand van de ster waar de stofkorrels nog net niet verdampen. De lichtkracht van de ster verwarmt de schijven en zorgt onder invloed van de gravitatie van de ster voor verschillende structuren. Bij sommige schijven neemt de dikte toe naarmate de afstand tot de ster groter wordt en hun oppervlak neemt een groot deel van de totale uitgezonden energie van de ster op. Andere zijn helemaal vlak en daardoor ook veel kouder. (ESO) 10 De Amerikaanse infraroodruimtetelescoop Spitzer heeft ons al veel data opgeleverd over protoplanetaire schijven. (NASA) 11
Eind jaren negentig slaagden sterrenkundigen erin om het COmolecuul in enkele prominente schijven waar te nemen. Ze deden dat met radiotelescopen als de IRAM-telescoop in Frankrijk (30m) en later de James Clerk Maxwell Telescoop op Hawaii (JCMT, 15m). Deze waarnemingen van moleculair gas waren cruciaal om te bevestigen dat het materiaal (gas en stof) inderdaad in een dunne roterende schijf rond de jonge ster zit. Als waarnemer zien we de CO-emissie roodverschoven in de helft van de schijf die van ons af beweegt en blauwverschoven in de tegenoverliggende helft. Omdat we pas met ALMA (Atacama Large Millimeter Array in Chili) een grotere gevoeligheid bereiken, zijn er tot nu toe maar een dozijn protoplanetaire schijven op deze manier bestudeerd. Het is een bevestiging van ons idee dat inderdaad sterstraling het gas in de schijven opwarmt en dat het proces van verhitting van gas vooral door de ultraviolette en röntgenstraling beïnvloed wordt. Samenklonteren We hebben in de afgelopen twintig jaar dus alleen maar een globale indruk gekregen van de structuur en de samenstelling van het materiaal in deze schijven. De grote lijnen van hoe planeten zich vormen zijn nu door waarnemingen bevestigd. Maar de details onttrekken zich nog steeds aan onze waarneming omdat de details van de protoplanetaire schijven nauwelijks onderscheidend in beeld gebracht kunnen worden. We willen begrijpen hoe precies de stof samenklontert en hoe zich vanuit stofdeeltjes van een paar micrometer 1000 km grote planeten vormen. Infraroodwaarnemingen duiden aan dat de kleine stofkorreltjes binnen enkele miljoen jaren samenklonteren, maar het kan wel zijn dat het groeiproces dicht bij de ster veel sneller gaat dan op grotere afstanden. Verandert de hoeveelheid gas ook in deze tijd? Hoe verandert zijn chemische samenstelling met de tijd? Het antwoord op deze vragen heeft belangrijke consequenties, niet alleen voor de planeetvorming, maar ook voor ons beeld van de vorming van kometen en planeetatmosferen. programme GASPS (Gas Evolution in Protoplanetary Systems, PI: B. Dent) metingen in het verinfrarood om het gas in een sample van 240 schijven met een leeftijd van 0,3 tot 30 miljoen jaar in de dichtstbijzijnde stervormingsgebieden te bestuderen. De sterkte van de emissie van het gas laat belangrijke conclusies toe over de verwarming van de schijven. De data tonen aan dat schijven rond sterren met een lage massa (0,5-1 zonsmassa) sterker worden verwarmd door een extra component van ultraviolette of röntgenstraling, terwijl schijven rond sterren met een grote massa (25 zonsmassa) alleen door de fotosfeer van de ster worden verwarmd. De gastemperatuur bepaalt de schaalhoogte van de schijf, dus hoe ver het materiaal verticaal uitgerekt is. Maar het is ook een bevestiging van ons idee dat inderdaad sterstraling het gas in de schijven opwarmt en dat het proces van verhitting van gas vooral door de ultraviolette en röntgenstraling beïnvloed wordt. Geboortestadia Uit gedetailleerde computersimulaties van bronnen met een leeftijd van 1-3 miljoen jaar blijkt dat in deze stadia van schijfvorming veel minder gas dan stof aanwezig is dan in de geboortestadia van de schijven. Maar naarmate de schijven ouder worden, wordt de gasemissie zwakker, wat betekent dat de oudste bronnen nauwelijks te detecteren zijn. De resolutie van het PACS-instrument is vaak niet voldoende om de emissie van moleculen te zien, behalve in de sterkere bronnen rond sterren met een grote massa of in de vroegste stadia van hun ontwikkeling. Dit blijkt ook uit resultaten van andere key programmes als DIGIT (Dust, Ice and Gas in Time, PI: N. Evans) en WISH (Water in Star Forming Regions with Herschel, PI: E. van Dishoeck). CO radio Het SAFARI-instrument zal naar verwachting een grote doorbraak teweegbrengen dankzij zijn extreme gevoeligheid, die wel een factor 100 hoger ligt dan die van de huidige generatie ruimteinstrumenten. Met SAFARI kunnen we het onderzoek niet alleen naar hogere leeftijden en dus tot de laatste stadia van planeetvorming uitbreiden, maar we kunnen ook veel meer stervormingsgebieden in kaart brengen en zien of er verschillen zijn in de efficiency van planeetvorming. De hogere spectrale resolutie van het instrument zal ook de detectie van minder wijd verspreide moleculen mogelijk maken. Dat betekent dat we voor het eerst de chemie kunnen bestuderen in gebieden waar aardachtige planeten zich vormen. Door de hogere spectrale resolutie van SAFARI kunnen we voor het eerst de chemie bestuderen in gebieden waar aardachtige planeten zich vormen. Bovendien kunnen we details in het profiel van stof en ijsbanden zien (die belangrijke conclusies opleveren over de relatieve hoeveelheid ijzer van bepaalde mineralen), de relatieve samenstelling van het ijs (water, CO, CO 2 ) en ook de intrinsieke structuur, bijvoorbeeld kristallijn versus amorf. En omdat we ervan uitgaan dat ijs en kleine stofkorrels afkomstig zijn van kilometers grote botsende planetesimalen, leren we ook iets over de samenstelling van de rotsblokken die de planeten zelf en hun atmosferen gaan vormen. Inga Kamp Kapteyn Instituut, Rijksuniversiteit Groningen SAFARI heeft een hogere spectrale resolutie dan Spitzer en kan dus vooral de aanwezigheid en hoeveelheden van eenvoudige moleculen als water in protoplanetaire schijven veel beter in kaart brengen. (ESO) De Herschel-satelliet heeft in het afgelopen jaar belangrijke nieuwe bijdragen opgeleverd aan het oplossen van deze vraagstukken. Het PACS-instrument doet binnen het key [OI] Herschel far IR lines 300 AU 100 AU 10 AU Rcond 12 13
Op zoek naar de raadselachtige balans tussen sterren en een zwart gat Hoe ontstaan en evolueren sterrenstelsels? We weten het nog altijd niet zeker. Er zijn aanwijzingen dat in jonge sterrenstelsels een precaire balans bestaat tussen de vorming van nieuwe sterren en het ontstaan van een zwart gat in de kern. Reguleert daarbij het zwarte gat de geboorte van sterren of is het juist andersom? Op die vraag de heilige graal van het verinfrarood onderzoek hoopt Paul van der Werf met SPICA/SAFARI een antwoord te krijgen. Het is inmiddels wel bekend: een van de manieren waarop jonge sterrenstelsels evolueren is door sterren uit het koude inwendige van gaswolken te vormen. Juist deze jonge sterrenstelsels stralen sterk in het extragalactische infrarood, wat ons in staat stelt om te ontdekken welke activiteiten er in de gas- en stofwolken van het stelsel plaatsvinden. Meestal leidt die activiteit tot de vorming van sterren, maar soms ook tot het ontstaan van een zwart gat, vooral in de kernen van actieve sterrenstelsels. Paul van der Werf, sterrenkundige aan de Universiteit Leiden, houdt zich al lang bezig met het bestuderen van dit soort verschijnselen, vanaf de grond met de James Clerk Maxwell Telescope op Hawaii en nu al weer anderhalf jaar met de drie instrumenten van de Herschelruimtetelescoop. Zonder SPICA/SAFARI zijn we straks gedeeltelijk blind voor het verwarmings- en koelingsproces dat nieuw licht kan werpen op het verband tussen het ontstaan van zwarte gaten en jonge sterren. Met het Herschel-ATLAS-project boekte Van der Werf al een belangrijke doorbraak: samen met een aantal collega s ontdekte hij zogeheten zwaartekrachtlenzen, die het mogelijk maken om extreem ver verwijderde sterrenstelsels in detail te bestuderen. Van der Werf: Met Herschel konden we een aantal onverwacht heldere infraroodbronnen in detail bestuderen. Het bleek dat er op de plaats van die bronnen wel zichtbare sterrenstelsels staan, maar die blijken zich op relatief kleine afstand van de aarde te bevinden. De infraroodstraling die we met Herschel waarnemen, komt van veel grotere afstanden. Het blijkt dat de zichtbare stelsels fungeren als zwaartekrachtlenzen. Ze staan tussen de aarde en de verre infraroodstelsels in en het licht van deze verre stelsels wordt afgebogen en versterkt door hun zwaartekracht. Dankzij dit effect zijn de verre stelsels in het infrarood veel helderder dan zónder die zwaartekrachtlenswerking. Raadselachtig verband Maar nader onderzoek naar de evolutie van sterrenstelsels is nodig, vertelt Van der Werf. Vooral om de effecten van de vorming van jonge sterren en het ontstaan van een zwart gat, die waarschijnlijk vaak samen gaan, kwantitatief uit elkaar te halen. Dus: precies bepalen hoeveel energie er uit een zwart gat komt en hoeveel energie uit stervorming. Van der Werf: Ik denk dat we met Herschel in staat zijn om op dit gebied een doorbraak te forceren, die we dan met SPICA/SAFARI kunnen doorzetten. Omdat het zo n gevoelig instrument is, kunnen we met SAFARI kijken hoe zich dit proces in het vroege heelal afspeelt. Dit onderzoek is ten eerste relevant omdat de sommetjes moeten kloppen, zegt Van der Werf. Als je wilt weten waar de sterpopulaties die we zien vandaan komen, dan moet je uit het infrarood licht opmaken hoeveel sterren zich vormen, en dan moet je niet de vorming van een zwart gat voor stervorming aanzien. Dan gaat het in je berekeningen gewoon mis. Maar inspirerender vind ik de vraag welk verband er precies bestaat tussen het ontstaan van een zwart gat en de vorming van sterren in een sterrenstelsel. Dat is eigenlijk heel raadselachtig. We weten bijvoorbeeld dat in de kern van ieder sterrenstelsel een zwart gat zit dat ongeveer éénduizendste van de massa van het hele sterrenstelsel heeft. Die verhouding is ontzettend constant. Op de een of andere manier weet dat enorme sterrenstelsel dus van het kleine zwarte gat in de kern. Er móet dus op de een of andere manier een verband zijn. Op de een of andere manier weet dat enorme sterrenstelsel dus van het kleine zwarte gat in de kern. Dat verband kan alleen maar worden verklaard als je ervan uitgaat dat de ontstaansgeschiedenissen van die twee iets met elkaar te maken hebben. Maar daar begrijpen we helemaal niets van op dit moment. Om een begin van een antwoord te formuleren moeten we weten hoeveel sterren zich vormen, wat de massa-aangroei van een zwart gat is enzovoort, om uiteindelijk uit te komen op een antwoord op de vraag of het zwarte gat nu de geboorte van sterren reguleert of juist andersom. Wat is het causale verband? Het antwoord op die vraag is al twintig jaar onderwerp van discussie. De James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) is met zijn vijftien meter de grootste enkelvoudige (sub)millimetertelescoop ter wereld. De JCMT staat op de ruim vier kilometer hoge top van Mauna Kea, het hoogste vulkaangebergte van Hawaï. (N. Szymanek) De Amerikaans-Nederlands-Britse Infrarood Astronomische Satelliet (IRAS) was een zeer succesvolle satelliet voor het waarnemen van infraroodstraling. 14 (Fokker Space/Dutch Space) 15
Lokaal laboratorium Van der Werf bestudeert dit raadselachtige verband in stelsels die zich de eerste 2-4 miljard jaar van het heelal hebben gevormd. Maar je kunt dat ook doen in sterrenstelsel in het nabije heelal die daar veel op lijken, zegt hij. Ze zijn wel wat minder spectaculair, stralen minder helder in het infrarood en zijn minder groot, maar het leuke is dat je ze kunt gebruiken als een plaatselijk laboratorium. Een goed voorbeeld is het stelsel Arp 220, een stelsel dat heel krachtig in het infrarood straalt, zo n 25 jaar geleden ontdekt met de IRAS-satelliet. Maar nog altijd weten we niet of het grootste deel van die straling komt van stervorming of van het lokale zwarte gat. En als we het al niet kunnen vaststellen bij onze kosmische buren, kun je je voorstellen dat we die vraag voor het vroege heelal nog helemaal niet kunnen beantwoorden. Isotopen kunnen informatie geven over hoe een chemisch element in de loop der tijd is opgebouwd en zo dienen als kosmische klokken van het heelal. Met Herschel, ALMA en straks ook SPICA/SAFARI hoopt Van der Werf op nieuwe informatie uit spectraallijnen van ver weg gelegen sterrenstelsels in het vroege heelal, in het bijzonder over de fysische omstandigheden in de stof- en gaswolken in het vroege heelal. Omdat SAFARI zoveel gevoeliger is dan zijn voorgangers kunnen deze spectraallijnen ons bijvoorbeeld meer vertellen over de energiebron in een sterrenstelsel. We weten dat het gas in een stelsel afkoelt door straling uit te zenden. Het gas zou dan steeds kouder moeten worden, maar dat is in werkelijkheid niet zo. Het gas wordt namelijk weer opgewarmd door óf de vorming van een zwart gat óf de geboorte van een nieuwe ster, zodat het stelsel in balans blijft. De koeling en verwarming blijven gelijk. Door naar de koeling te kijken kunnen we dus ook iets over de verwarming leren. Het is ontzettend interessant om te kijken of dat in het vroege heelal op dezelfde manier gebeurt als in het huidige heelal. Kosmische klokken Eigenlijk vindt Van der Werf de chemie in het vroege heelal niet zo heel interessant, omdat je van de sterrenstelsel in het vroege heelal alleen de sterkste spectraallijnen ziet, koolmonoxide en water bijvoorbeeld. Maar gaandeweg sluipt er onmiskenbaar enthousiasme in zijn betoog. Nu ik erover nadenk, zijn isotopen eigenlijk wel heel interessant. Isotopen kunnen informatie geven over hoe een chemisch element in de loop der tijd is opgebouwd en zo dienen als kosmische klokken van het heelal. Aan de C14- methode die we op aarde gebruiken om de leeftijd van objecten te bepalen, heb je in de ruimte niks. C14 vervalt veel te snel. Maar je kunt wel kijken naar bijvoorbeeld C13, dat een veel langere opbouwtijd heeft dan C12, omdat het wordt gevormd in sterren die veel trager evolueren. Je zou daarom verwachten dat de verhouding tussen die twee op kosmische tijdschalen verandert. Met SPICA/SAFARI liggen op al deze terreinen nieuwe doorbraken in het verschiet, besluit Van der Werf. SPICA/SAFARI is de volgende stap na Herschel, net zoals de James Webb Telescoop de volgende stap is na de Hubble. En SPICA/SAFARI past precies in het golflengtegebied tussen ALMA en de James Webb Telescoop. James Webb kijkt voornamelijk naar de sterren, ALMA kijkt voornamelijk naar het koele gas, het materiaal waaruit die sterren zich hebben gevormd, en SPICA/SAFARI kijkt straks naar warm gas dat actief deelneemt aan stervorming, dat er vlak omheen hangt als het ware. Zonder SPICA/SAFARI zijn we straks dus gedeeltelijk blind voor het verwarmings- en koelingsproces dat nieuw licht kan werpen op het verband tussen het ontstaan van zwarte gaten en jonge sterren. Paul van der Werf/Frans Stravers Moleculen vertellen een nieuw verhaal over het gas tussen de sterren Onze kennis van de kosmos is vrijwel volledig verkregen door waarnemingen van allerlei soorten licht. Het licht dat we met onze eigen ogen zien, is daarbij een heel belangrijke informatiebron. Maar ook het licht op andere golflengtes hebben we de laatste honderd jaar steeds meer gebruikt om vast te stellen wat er gebeurt in de ruimte om ons heen. Omdat we in de sterrenkunde onze onderzoeksobjecten zelden kunnen aanraken, toetsen we onze modellen met onwaarschijnlijk gevoelige waarnemingen. Zo speurt het ruimte-instrument HIFI, de voorganger van SAFARI, sinds mei 2009 op niet eerder verkende golflengtes naar moleculen in het diepe heelal, wat een nieuw verhaal vertelt over het gas tussen de sterren. Het ontwerp van het Heterodyne Instrument for the Far-Infrared (HIFI) is volledig gericht op het nauwkeurig waarnemen van waterdamp en van zoveel mogelijk andere moleculen. HIFI, ontwikkeld onder leiding van SRON, doet dat door (infrarode) straling uiteen te rafelen in spectraallijnen. Aan de hand van deze spectraallijnen kunnen astronomen drie soorten dingen afleiden. Ten eerste heeft ieder molecuul zijn eigen spectraallijnen bij zijn eigen golflengtes, waardoor de aan- of afwezigheid van de lijnen directe informatie over de chemische samenstelling van gaswolken geeft. Ten tweede hangt de relatieve sterkte van spectraallijnen van hetzelfde molecuul af van de druk en de temperatuur van de gaswolk. Ten derde kan HIFI ook de vorm van spectraallijnen meten, die ons dankzij het dopplereffect vertellen over hoe het gas in de wolk beweegt. Al met al geeft HIFI ons dus informatie over allerlei aspecten van interstellaire gaswolken, zodat we meer te weten komen over de levensfase waarin de wolken verkeren en de invloed die de omgeving op de wolken uitoefent. SAFARI gaat aan dit fascinerende verhaal vanaf 2018 nieuwe hoofdstukken toevoegen. Panta rhei Panta rhei ( alles stroomt of alles is in beweging ), het beroemde aforisme van de Griekse filosoof Heraclitus, is bij uitstek van toepassing op de waterdamp rond jonge sterren (er is geen vloeibaar water tussen de sterren). Tijdens de vorming van sterren ontstaan sterke straalstromen van moleculair gas, die de jonge ster vanaf de poolgebieden de ruimte in blaast. Deze straalstromen lichten helder op in spectraallijnen van water. Omdat HIFI zo goed is in het uiteenrafelen van infraroodlicht in zijn frequentiecomponenten kunnen we nu ook bestuderen hoe de snelheden in het gas samenhangen met temperatuur en dichtheid in datzelfde gas. Immers, frequentie en snelheid zijn gerelateerd via het dopplereffect. Gas dat van ons af beweegt is roodverschoven, gas dat naar ons toe beweegt blauwverschoven. HIFI is er nu al in geslaagd ons beeld van de interactie tussen jonge sterren en hun moleculaire straalstromen te verbeteren. Arp220 is een stelsel met een extreem hoge energieproductie, maar bijna al die energie wordt in het infrarood uitgestraald. Deze opname van de Hubble Space Telescope laat het complexe en stoffige centrale gebied van dit stelsel zien. (ESA, NASA, Hubble) Het vluchtmodel van HIFI wordt in de cleanroom van SRON met blacklight gecontroleerd. Eventuele vuil- of stofdeeltjes op het instrument die hiermee te zien zijn, worden verwijderd met een speciale stofzuiger en een marterharen penseel. Close-up van witte dwergen in ons 16 17 Melkwegstelsel. (NASA, H. Richer)
Dat betekent dat HIFI er nu al in geslaagd ons beeld van de interactie tussen jonge sterren en hun moleculaire straalstromen te verbeteren. Met HIFI hebben we het afgelopen jaar vele stervormingsgebieden bekeken en een van de grootste verrassingen was dat de straalstromen van lichte en zware sterren opmerkelijk veel overeenkomsten vertonen, wat een aanwijzing kan zijn dat de geboorte van kleine en grote sterren ook echt op dezelfde manier verloopt. HIFI geeft ons nieuwe verklikkers in de vorm van kleine moleculen met waterstofatomen de hydriden van koolstof, stikstof, zuurstof, fluor en zwavel. Tegelijkertijd leveren andere moleculen ons via absorptielijnen gegevens over de ultraviolette- en röntgenstraling die de jonge ster ook uitzendt, maar die is versluierd door de grote hoeveelheid stof in de omringende wolken. Een onverwacht resultaat van de speurtocht van HIFI was bijvoorbeeld de vondst van elektrisch geladen water (OH + en H2O + ), dat een nuttige indicator is voor de in dichte, donkere wolken onzichtbare UV-straling. Het bestaan van elektrisch geladen water is een directe aanwijzing voor UV-straling: op aarde komt elektrisch geladen water niet in natuurlijke vorm voor maar in het laboratorium is het te maken met een sterke stralingsbron. De bron van de UV-straling in gaswolken binnen onze Melkweg zijn jonge zware sterren die hun omgeving kapot stralen en die zo dus ongeschikt maken voor verdere stervorming. Onzichtbaar gas Plaatjes gemaakt door de infraroodcamera s van de instrumenten PACS en SPIRE aan boord van Herschel laten zien dat het interstellair gas een bonte verzameling is van bellen, verdichtingen en schokken. We hebben zo een globaal beeld van een zeer dynamisch systeem waarin gas kan worden samengeperst tot verdichtingen waaruit sterren ontstaan en waar supernovae bellen blazen. Maar met alleen een camera wordt niet duidelijk hoe dat alles werkt: dat kan alleen maar als we weten welke temperaturen, dichtheden en snelheden verschillende componenten in het gas hebben. Immers, het gas blijft deels onzichtbaar. HIFI geeft ons hier nieuwe verklikkers in de vorm van kleine moleculen met waterstofatomen de hydriden van koolstof, stikstof, zuurstof, fluor en zwavel. Kijkend in het infrarood naar sterke achtergrondbronnen, zien we dat deze hydriden in het gas wat licht wegnemen, waardoor zogenoemde absorptielijnen ontstaan. De mate van absorptie van zo n ensemble van lijnen is een maat voor de omstandigheden die we vinden tussen ons en de sterke achtergrondbron. We kwamen erachter dat er veel variabiliteit zit in de atmosferen van de oude sterren en dat deze sterren bellen blazen met een veel hogere snelheid dan verwacht. Als we geen sterke achtergrondbron hebben, moeten we onze toevlucht nemen tot andere methoden. Ook hier helpt het dat HIFI heel flexibel is. HIFI is bijvoorbeeld uitstekend geschikt om geïoniseerde koolstof waar te nemen, dat een zeer nauwkeurig meetinstrument is voor heel ijle wolken en goed kan dienen als thermometer van een stervormingsgebied. Geïoniseerd koolstof heeft een heel sterke emissielijn aan de bovengrens van zijn ontvangers, zodat deze spectraallijn met HIFI vrijwel altijd en in vrijwel elke richting van onze Melkweg te zien is. Door nu met HIFI een fors aantal richtingen in de Melkweg te bekijken op geïoniseerd koolstof hebben sterrenkundigen honderden interstellaire wolken waargenomen. Dat zijn deels bekende wolken die al eerder zijn waargenomen met telescopen op de grond, maar er zitten ook heel veel wolken bij die we nooit eerder hadden gezien. De rijkdom aan wolken met geïoniseerd koolstof in plaats van koolmonoxide, de normale variant, verklaart waarom sterrenkundigen eerder al zo veel wolken zonder koolstofmonoxide vonden. Recycling van stof en gas We kijken met HIFI niet alleen naar het gas tussen de sterren of gas betrokken bij de vorming van sterren, maar ook naar het gas dat wordt uitgestoten door sterren aan het einde van hun leven. Sterren vergelijkbaar met onze zon stoten aan het einde van hun leven grote hoeveelheden gas en stof uit. Ze zorgen er zo voor dat het interstellair medium verrijkt wordt met zwaardere Ster- en planeetvorming blijft normaal gesproken verborgen voor ons, maar dankzij Herschel kunnen we zien welke processen in de stofwolken plaatsvinden. In deze foto van de Rosettanevel, gemaakt door Herschel, zijn jonge sterren protosterren te zien. (ESA, PACS & SPIRE) elementen uit de ster en dat er nieuw gas is dat weer gebruikt kan worden voor nieuwe sterren. Veel was hierover al bekend door telescopen op aarde en bijvoorbeeld de Hubble-ruimtetelescoop, maar HIFI kan veel dieper kijken in de gasbellen. Tot aan de ster zelf. Zodoende kwamen we erachter dat er veel variabiliteit zit in de atmosferen van de oude sterren en dat deze sterren de bellen blazen met een veel hogere snelheid dan verwacht. Frank Helmich/Floris van der Tak De Europese Herschel-satelliet is in mei 2009 vanuit Frans-Guyana gelanceerd. Aan boord bevinden zich drie instrumenten: HIFI (gebouwd onder leiding van SRON), PACS en SPIRE. (ESA) www.sron.nl/hifi http://oshi.esa.int/ 18 hifi-pi@sron.nl 19
Drie cm interstellaire wolk. Een plasma-expansie waarmee molecuulvorming in de ruimte wordt nagebootst. De chemische reacties in de ijle ruimte tussen en rondom de sterren zijn ronduit exotisch. Het is aan astrofysici, instrumentalisten en waarnemers om de onderliggende processen in beeld te brengen; het ontraadselen van de chemie van de hemel is vooral een forensische activiteit. Spectrale vingerafdrukken gemeten in het laboratorium maken het mogelijk om moleculen te detecteren in de ruimte, van microgolf tot in het ultraviolet. SPICA/SAFARI opent daarbij nieuwe mogelijkheden in het (ver en nabije) infrarood. Tot dusver zijn meer dan 150 verschillende moleculen in de interen circumstellaire ruimte ontdekt. Deze bestaan uit eenvoudige diatomen (waterstof, koolstofmonoxide en keukenzout), positief en negatief geladen ionen (HCO + en C 6 H - ), exotische radicalen (HC 11 N) en complexere, organische moleculen, zoals dimethylether en ethyleenglycol. We weten dat deze stoffen in de ruimte voorkomen, omdat nauwkeurige astronomische waarnemingen overeenstemmen met spectrale vingerafdrukken gemeten in laboratoria op aarde. In speciale plasma-expansies (zie foto hierboven) worden interstellaire wolken op kleine schaal nagebootst. Acetyleen verdund in helium wordt in de expansie ontladen en door botsingen ontstaan dan de instabiele moleculen zoals deze in de ruimte voorkomen. Gevoelige detectiemethodes leggen vervolgens de spectra vast. Een laboratoriumastrofysicus heeft net als een forensisch inspecteur een scala aan meetmethodes ter beschikking om die moleculaire vingerafdrukken boven tafel te krijgen. Bijvoorbeeld met een zogenoemde dubbelmodulatietechniek. De foto bovenaan laat links en rechts spiegels zien waarop de reflecties van een laserstraal zichtbaar zijn. Het laserlicht doorkruist meerdere malen het plasma voordat het op een detector valt. Wat op de foto niet zichtbaar is, is dat de frequentie van het laserlicht en de hoogspanning waarmee het plasma ontsteekt, Chemie tussen de sterren gemoduleerd worden. Door vervolgens het absorptiesignaal fasegevoelig te detecteren, wordt de ruis in het experiment sterk onderdrukt, waardoor ook de spectra van moeilijk te produceren moleculen meetbaar zijn. Is het spectrum eenmaal in het laboratorium gemeten, dan kan een molecuul overal in de ruimte worden opgespoord. En niet alleen dat. De intensiteit van een astronomisch spectrum weerspiegelt de lokale dichtheid en de temperatuur ter plekke bepaalt de bezettingsgraad van de individuele energietoestanden in een molecuul. Chemische netwerken Het jagen op moleculen in de ruimte heeft als doel chemische netwerken zichtbaar te maken. Wanneer verschillende moleculen op dezelfde plek in de ruimte te zien zijn, dan zijn deze mogelijk chemisch verbonden. En daar beginnen de problemen. Het interstellaire medium is leeg, het is koud en harde ultraviolette straling zorgt voor een continue stroom van hoog energetische fotonen. Deeltjes botsen hooguit een enkele keer in de paar weken, en echte chemische reacties (waarbij drie deeltjes gelijktijdig botsen) vinden niet plaats. Hoe verklaar je dan het veelvoud aan moleculen die in de ruimte is waargenomen? Tegenwoordig wordt aangenomen dat in de gasfase vooral reacties van ionen en moleculen domineren. Dergelijke reacties hebben geen derde deeltje nodig en de lading maakt de actieradius van een ion groter. De vorming van grotere organische moleculen is hiermee echter niet te verklaren en in de afgelopen jaren is het duidelijk geworden dat oppervlaktereacties in ijs op inter- en circumstellaire stofdeeltjes een belangrijke bijdrage leveren aan de chemische verrijking van het interstellaire medium. Die stofdeeltjes vliegen als een soort open diepvries door de ruimte en daarbij vriezen gasdeeltjes vast aan het oppervlak. Er ontstaat een molecuulreservoir dat bovendien ook nog eens een katalytische werking heeft, omdat het ijs als een derde deeltje stabiliserend werkt. Reacties in het ijs zijn het gevolg van chemische triggers, zoals ultravioletlicht, de inslag van (H - )- atomen, vrije elektronen of energetische ionen. Interstellair ijs Inderdaad zien we in het laboratorium dat interstellair ijs een prima voedingsbodem is voor de vorming van grotere en complexere moleculen. Beschiet koolmonoxide-ijs met waterstofatomen en je vormt formaldehyde en methanol. 1 Bestraal vervolgens methanol-ijs met ultravioletlicht zoals dat in het interstellaire medium voorkomt en veel van de complexere en veelal organische moleculen die in de ruimte zijn geïdentificeerd, blijken te ontstaan. 2 Omdat deze reacties in het laboratorium onderzocht worden als functie van ijssamenstelling, temperatuur, H-atoom flux, enzovoort, is het mogelijk vastestofreacties fysischchemisch te karakteriseren, en net als bij een spectroscopische studie te karakteriseren met unieke parameters, zoals diffusiesnelheden of reactiebarrières (zie het beeld onderaan). Deze informatie is nodig als input voor astrochemische modellen waarmee chemische processen op astronomische tijdsschalen kunnen worden nagebootst. Precies hier komt SPICA/SAFARI om de hoek kijken. Het infrarood is een spectraal bereik waarin interstellair ijs goed zichtbaar is. In de afgelopen jaren is met het Infrared Space Observatory (ISO) en de Spitzer-ruimtetelescoop ijs tussen en rondom de sterren nadrukkelijk waargenomen. SPICA heeft de unieke eigenschap dat hij straks waterijs in allerlei verschillende omgevingen kan waarnemen. De ruimtetelescoop levert dus snapshots van de rol van waterijs in bijvoorbeeld protoplanetaire schijven en tijdens planeetvorming. Het is op dit moment niet geheel duidelijk hoe water in de ruimte ontstaat. Veelbelovend Veelbelovend zijn recente experimenten waarin water wordt gevormd in oppervlaktereacties van vrije waterstofatomen met O, O 2 en O 3. Waterijs blijkt verder een belangrijke rol te spelen als een medium dat de reactiviteit van andere stoffen in het ijs vergroot. Dat geldt niet alleen voor eenvoudige ijsbestanddelen, maar ook voor bijvoorbeeld polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAKs) die vastvriezen in ijs. 3 In het infrarood hebben deze PAKs kenmerkende emissielijnen, en het is interessant om na te gaan of ze als vastestofbestanddelen straling kunnen absorberen. Met SPICA/SAFARI komt een nieuw instrument beschikbaar dat de mogelijkheid biedt om verdere stukjes van een kosmische puzzel te verzamelen. De hoop is dat deze puzzel uiteindelijk een beeld laat zien van hoe zich in de ruimte grote, complexe en prebiotische moleculen vormen, als voorlopers van de bouwstenen van het leven. 1 G. Fuchs et al., A&A 505 (2009) 629. 2 K.I. Öberg et al., A&A 504 (2009) 891. 3 J. Bouwan et al., ApJ 700 (2009) 56. Harold Linnartz Laboratorium voor Astrofysica, Sterrewacht Leiden In 1995 werd het Europese infraroodobservatorium ISO gelanceerd. Aan boord onder Vastestofchemie at work. CO-ijs wordt beschoten met H-atomen en na verloop van enige minuten kan spectraal de vorming van H 2 CO en andere een spectrometer voor korte golflengten (SWS), ontwikkeld door een consortium onder leiding van SRON. (ESA) 20 CH 3 OH zichtbaar gemaakt worden. De intensiteit van de signalen kan worden vertaald in een reactie-efficiëntie. 21
Na HIFI weer een giant step Als Principal Investigator zwaait Peter Roelfsema de scepter over de ontwikkeling en bouw van SAFARI. Hoewel SPICA/SAFARI nog niet definitief is geselecteerd door de ruimtevaartorganisaties JAXA en ESA zijn de voorbereidingen voor het instrument in volle gang. Dat levert hoofdbrekens op. Want hoe bouw je onder zwaartekracht een instrument dat straks in de extreme omstandigheden van de ruimte al zijn voorgangers moeiteloos moet kunnen overtreffen? Wat is de giant step die we nodig hebben? Peter Roelfsema weet wat het is om een complex ruimteinstrument te ontwikkelen en te bouwen. Hij begon met het ontwikkelen van software ter ondersteuning van de analyse van data van de IRAS-satelliet. Later raakte hij betrokken bij de conceptuele en ontwerpfase van het Herschel Grond Segment, en vlak na de oplevering van het HIFI-instrument aan de ESA werd hij benoemd tot SRON-projectmanager van HIFI. Dat bleek bepaald geen eenvoudige klus. Niet alleen omdat het bouwen van HIFI een technologisch hoogstandje was, waarbij de allernieuwste technieken zijn toegepast om een maximale gevoeligheid en flexibiliteit te garanderen. Maar ook omdat HIFI in het najaar van 2009 te kampen kreeg met een storing in de elektronica als gevolg van de inslag van een kosmisch deeltje, en enige maanden buiten bedrijf was. Onder zijn leiding wist het HIFI-team, samen met experts van ESA, de oorzaak van de storing op te sporen en te verhelpen. Sindsdien heeft HIFI een continue stroom van excellente wetenschappelijke gegevens geproduceerd. Het in vroeg stadium grote aandacht geven aan de zogenoemde datareductiepijplijn, die op de grond uit de datapakketjes van de Herschel-satelliet de waargenomen spectra reconstrueert, heeft zich uitbetaald. De data van HIFI zijn direct te gebruiken voor wetenschap. Verblind door de spiegel Hoe begin je dan met de bouw van een instrument dat zijn succesvolle voorganger op alle vlakken moet overtreffen? Het begint met een aantal vragen, zegt Roelfsema. Wat wil ik kunnen zien? Wat zou ik willen doen met de resultaten? Wat is de volgende stap? Welke sprong vooruit kunnen we aan? Welke technologische stap doorbraak hebben we daarvoor nodig? In dit geval begin je met de beperkingen van Herschel, hoe fantastisch de ruimtetelescoop ook is. Met de Herschel-technologie kunnen we de volgende stap in gevoeligheid niet zetten, omdat de telescoop met ongeveer 100 graden boven het absolute nulpunt feitelijk te warm is. De nieuwe generatie gevoeliger detectoren 22 zouden worden verblind door de warmtestraling van de spiegel zelf. Bij een echt koude telescoop bepaalt de gevoeligheid van de detector de grens van de waarnemingen, en dat is precies wat je wilt. De spiegel van SPICA wordt gekoeld tot bijna het absolute nulpunt, zodat de instrumenten nog veel zwakkere infraroodbronnen kunnen detecteren dan Herschel. Dat betekent dat we straks achtergrondbronnetjes kunnen zien tot op het niveau van de zodiakale achtergrondstraling, in een golflengtebereik van 30-210 micrometer. Het SAFARI-instrument aan boord van de SPICA-satelliet zoekt naar bevroren water in het heelal. Om dit te kunnen, gebruikt SAFARI 6000 detectoren op een temperatuur van 50 mk. De detectoren zijn zo gevoelig dat ze door de warmtestraling van een 20 K object al verblind kunnen worden. Bij een echt koude telescoop bepaalt de gevoeligheid Op aarde, en dus onder zwaartekracht, een instrument bouwen dat straks in de extreme omstandigheden van de ruimte foutloos zijn werk moet doen, bestand tegen de trillingen van de lancering, de extreme koude en kosmische straling in de ruimte, vraagt het uiterste van het ontwikkelteam. Roelfsema: Hoe bouw je onder zwaartekracht bijvoorbeeld een mechanisme voor het verstellen van de spiegels dat ook zonder zwaartekracht functioneert? We hebben er lang op gepuzzeld, maar de oplossing is waarschijnlijk een magnetisch zweeftreinmechanisme dat in de ruimte precies in balans blijft. Een andere uitdaging is het beperken van het signaalverlies. Nadat we de heel zwakke signaaltjes uit de ruimte hebben opgevangen moeten we ze door zo n 12 m kabel naar de eindversterkers leiden. En dan hebben we nog de stoorsignaaltjes: signaaltjes van apparatuur die we op de verkeerde plaatsen opvangen. Vergelijk het met het scheerapparaat van de buurman die je radio stoort. Bij zo n gevoelig instrument als SAFARI is dat dodelijk. van de detector de grens van de waarnemingen, en dat De interne drive is nu ontzettend groot, en dat is is precies wat je wilt. onbetaalbaar. Roelfsema en zijn internationale team hebben dus extreem gevoelige detectoren nodig, zo gevoelig dat ze maximaal voordeel behalen van de koude spiegel van SPICA. Een groot verschil met HIFI, het ruimte-instrument dat ook onder leiding van SRON is ontwikkeld, is dat SRON de detectoren voor SAFARI voor een veel groter deel zelf ontwikkelt: het SAFARI-consortium heeft na een intensieve selectieronde gekozen voor de Transition Edge Sensors (TES) van SRON. Dat maakt het nog een stuk spannender, want er hangt voor SRON veel van af. Ruimtesimulator De nieuwe detectortechnologie stelt ook de hoogste eisen aan het ijken van de instrumenten kalibratie en daarmee aan de testfaciliteiten op de grond, die zeer lichtdicht moeten zijn. Dat is een behoorlijke uitdaging, vertelt Roelfsema. Maar we kunnen de omstandigheden in de ruimte hier op aarde gelukkig goed nabootsen met de nieuwe ruimtesimulator die we nu aan het ontwikkelen zijn. Het gaat om een geavanceerde cryostaat die verschillende temperatuurniveaus kan leveren om de diverse onderdelen van SAFARI te testen, tot een halve graad boven het absolute nulpunt. In de cryostaat is ook plaats voor lampjes die het licht van bewegende en verafgelegen sterren, planeten en gaswolken nabootsen. Qua sterkte is zo n lichtbron vergelijkbaar met een gloeilampje op de maan. We moeten dus hele zwakke lampjes maken en het licht daarvan via beweegbare spiegels naar SAFARI leiden, wat bij een temperatuur vlak boven het nulpunt nog niet zo eenvoudig is. Het HIFI-instrument wordt in de schone kamers getest door een SRON-engineer. Geen technologische barrière Roelfsema is inmiddels druk bezig teams te vormen van specialisten van de beste onderzoeksinstituten ter wereld. Onderzoekers uit Frankrijk bouwen de koelapparatuur, onderzoekers uit Italië de centrale computer, onderzoekers uit Spanje het casco van het meetinstrument enzovoort. Maar nog niet alle plekken zijn tot zijn tevredenheid bezet, zegt hij. En de tijd begint te dringen. Daarbij komen in het ruimteonderzoek altijd de financiële zorgen. In het ideale geval is de financiering zo goed dat je volledig gebruik kunt maken van de mogelijkheden van de telescoop. Maar geldgebrek kan ertoe leiden dat we compromissen moeten sluiten. Ik hoop dus dat de financiering van SAFARI snel rondkomt, iedere vertraging nu leidt tot tijden geldgebrek later. Daar staat tegenover dat er geen echt onoverkomelijke technologische barrière is. Het is nu een kwestie van voldoende tijd en geld, vooral de beste mensen erbij te houden en de ontwikkelgroep op volle sterkte te krijgen. Peter Roelfsema, Principal Investigator (PI) voor het SAFARI-instrument. Peter Roelfsema/Frans Stravers 23
Colofon SRON Spectrum is de nieuwsbrief van SRON Netherlands Institute for Space Research en verschijnt drie keer per jaar. SRON Netherlands Institute for Space Research is het Nederlands expertise-instituut voor ruimteonderzoek. Het instituut ontwikkelt en gebruikt innovatieve technologie voor grensverleggend onderzoek vanuit de ruimte en legt zich daarbij toe op astrofysisch onderzoek, aardgericht onderzoek en planeetonderzoek. Daarnaast heeft SRON een onderzoekslijn naar nieuwe en gevoeligere sensoren voor röntgen- en infraroodstraling, die nu tot de gevoeligste ter wereld behoren. SRON maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Wilt u zich aan- of afmelden voor SRON Spectrum, stuur dan een e-mail naar info@sron.nl. Uitgave SRON Netherlands Institute for Space Research Sorbonnelaan 2 3584 CA Utrecht T 088 777 5600 F 088 777 5601 Landleven 12 Postbus 800 9700 AV Groningen T 050 363 4074 F 050 363 4033 info@sron.nl www.sron.nl Redactie Frans Stravers, Tessa Knaake, Rens Waters, Peter Roelfsema, Floris van der Tak, Harold Linnartz, Inga Kamp, Paul van der Werf Vormgeving GOfor Design, Den Haag Druk PrintPartners Ipskamp B.V. Figuur cover: De in 2018 te lanceren satelliet SPICA is door zijn grote gekoelde spiegel extreem gevoelig. Dat maakt het mogelijk om de fysische en chemische samenstelling van objecten in de ruimte in groot detail te bepalen. SRON is verantwoordelijk voor de ontwikkeling en bouw van het instrument SAFARI. (ESA)