Integral: op zoek naar extreme straling uit het heelal

Integral is een afkorting voor International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory. De in een langerekte baan om de aarde opererende telescoop gaat gammastraling uit de ruimte opsporen. Gammastraling komt vrij bij zeer heftige processen als sterexplosies en vorming van zwarte gaten. Deze processen staan zeer in de belangstelling van astronomen. Integral wordt de meest gevoelige gammastralingstelescoop die ooit is gelanceerd. Verwacht wordt dat het instrument ook zeer zwakke bronnen opspoort, die zich aan het uiteinde van ons heelal bevinden.

Supernovae en zwarte gaten

Kleine sterren als de zon zwellen aan het einde van hun leven op. Vervolgens krimpen ze in tot een witte dwergster en koelen daarna langzaam af tot een zwarte sintel. Zeer massieve sterren beëindigen hun leven echter met grote explosies die supernovae worden genoemd. Bij deze supernova-uitbarstingen komt meer energie vrij dan het schijnsel van tientallen tot honderden miljoenen sterren. De vrijkomende energie bestaat voor een groot deel uit gammastraling. Bij supernova-explosies worden ook nieuwe chemische elementen gevormd. In feite ontstaan alle atomen die zwaarder zijn dan ijzer tijdens zulke explosies. Daarom worden supernovae ook wel de chemische fabrieken van het heelal genoemd. Alleen weten we niet helemaal hoe nieuwe atomen gevormd worden wanneer een ster ontploft. Integral zal dit als één van zijn eerste wetenschappelijke doelstellingen bekijken.

Bij iedere supernova blijft na de explsoie een uitgebluste sterkern over. De materie in deze kern is ontzagelijk dicht op elkaar gepakt in de vorm van een neutronenster of zelfs een zwart gat. Beide hebben een ongelooflijk sterk zwaartekrachtsveld, waardoor passerend stof, gas - en in het geval van zwarte gaten zelfs grotere hemellichamen - wordt ingevangen. Materie die door een zwaartekrachtsveld valt wordt opgewarmd. Daarbij komt energie vrij. Bij neutronensterren en zwarte gaten is deze energie bijzonder intens en neemt de vorm aan van röntgenstraling en gammastraling.

Het heelal bevat niet alleen zwarte gaten die bij supernovae ontstaan, de zogenaamde stellaire zwarte gaten. In de kernen van sommige melkwegstelsels bevinden zich nog veel massievere, galactische zwarte gaten. Zij stralen zoveel gammastraling uit dat ze tot halverwege het bekende heelal zijn waar te nemen.

Gammaflitsen

Integral zal ook de mysterieuze gammaflitsen onderzoeken die ongeveer een keer per dag zeer plotseling aan de hemel opvlammen. Ze duren slechts enkele seconden en kunnen vanuit elke richting in de ruimte komen. Met name door Nederlandse sterrenkundigen wordt veel onderzoek verricht naar de aard en herkomst van gammaflitsen.

Lange tijd werd gespeculeerd over de oorsprong van de gammaflitsen. Tegenwoordig wordt aangenomen dat ze verband houden met de doodsstrijd van de allereerste sterren. Ze zouden ook kunnen ontstaan bij botsende neutronensterren of hun oorzaak vinden bij de explosie van supermassieve sterren aan het einde van hun leven, de zogenaamde hypernovae. De instrumenten aan boord van Integral zullen de gammaflitsen uiterst nauwkeurig vastleggen en wellicht nadere gegevens over hun oorsprong ontdekken.

Instrumenten

Integral heeft vier instrumenten aan boord die elkaar aanvullen. Ze nemen de hemel waar in verschillende golflengten en zullen daardoor een volledig en nauwkeurig beeld geven van elk bestudeerd hemellichaam.

Imager on Board the Integral Satellite (IBIS) is een camera die gammastraling met een nooit eerder gezien resolutie zal vastleggen. Spectrometer on Integral (SPI) zal de energie van gammastraling met uitzonderlijke nauwkeurigheid meten. Voor zwakke straling is het instrument veel gevoeliger dan eerdere spectrometers voor gammastraling. De andere twee instrumenten moeten aanvullende wetenschappelijke gegevens opleveren. De Joint European X-Ray Monitor (JEM-X) zal gezamenlijke waarnemingen uitvoeren met de andere instrumenten en beelden maken in röntgenstraling. De Optical Monitoring Camera (OMC) zal hetzelfde doen in zichtbaar licht. De vier instrumenten wegen in totaal ongeveer twee ton, ongeveer de helft van het gewicht van Integral bij zijn lancering. Baangegevens

Na zijn lancering komt Integral in een ellipsvormige baan met een hoek van 51,6° t.o.v. de evenaar. Elke 72 uur legt hij één baan af tussen 9000 en 153.000 kilometer hoogte boven de aarde. Deze uitgerekte baan is nodig omdat de aarde door stralingsgordels wordt omgeven. Die vormen zelf een bron van straling en kunnen de waarnemingen van Integral verstoren. Het is dus belangrijk dat Integral zich buiten deze stralingsgordels bevindt. Door zijn ellipsvormige baan blijft de satelliet gedurende 90% van zijn baan erbuiten.

Eenmaal in een baan om de aarde moet Integral met de aarde kunnen communiceren om de wetenschappelijke gegevens door te sturen en opdrachten te ontvangen. De communicatie met Integral en het volgen van de satelliet is een taak die over verschillende plaatsen verspreid is. Eerst komen de waarnemingsvoorstellen van astronomen binnen in het Integral Science Operations Centre (ISOC) in Noordwijk (Nederland). Daar worden de voorstellen geëvalueerd en een lijst samengesteld van waarnemingsobjecten en waarnemingsschema's. Die gaan naar het Mission Operations Centre (MOC) in het European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt (Duitsland). Daar worden ze omgezet in commando's voor Integral. De signalen naar en van Integral passeren via twee grondstations, één in Redu (België) en één in Goldstone (Californië, Verenigde Staten). Het MOC staat ook in voor de goede werking van de satelliet.

Wanneer Integral zijn waarnemingsresultaten heeft verzameld, gaan de ruwe wetenschappelijke gegevens naar het Integral Science Data Centre (ISDC) in Versoix bij Genève (Zwitserland). Daar worden ze omgezet in bruikbare gegevensbestanden, gearchiveerd en verspreid onder de astronomische gemeenschap. De gegevens zullen snel vedeeld worden naar een wereldwijd netwerk van wetenschappelijke instituten en observatoria. Dit is zeer belangrijk, in het bijzonder wanneer zich plotse en korte verschijnselen zoals gammaflitsen voordoen. In dat geval moeten alle observatoria de informatie binnen de minuut kunnen ontvangen zodat ze hun telescopen onmiddellijk kunnen richten naar dat deel van de hemel waar het verschijnsel werd waargenomen.

De bouw van Integral

ESA koos Integral in juni 1993 als programma. De hoofdaannemer voor de satelliet werd Alenia Spazio in Turijn (Italië). Alenia betrok er 26 onderaannemers bij uit 12 Europese landen om de dienstmodule van Integral te bouwen. Die staat in voor onder meer de energievoorziening (via zonnepanelen), de controle van de satelliet en de communicatie met de grond. Alenia was ook verantwoordelijk voor de integratie van de vier wetenschappelijke instrumenten aan boord van de satelliet, gezamenlijk aangeduid als payload module (module van de nuttige lading). De instrumenten werden gebouwd door vier consortia van academische en industriële partners, verspreid over heel Europa.

Voor Integral moesten veel technologische uitdagingen worden overwonnen. De belangrijkste was het vinden van een manier om gammastralen tot een beeld te bundelen, aangezien ze zo sterk zijn dat ze door gewone spiegels heen gaan. Daarom maken de instrumenten voor gamma- en röntgenstraling aan boord van Integral gebruik van een techniek die coded-mask imaging heet. Hierbij wordt de gammastraling niet gefocust, maar wordt sommige straling afgeschermd, waardoor een herkenbare schaduw op de detector eronder ontstaat. De computersystemen op de grond verwerken de gegevens van de detector en zoeken naar deze schaduw. Wanneer het patroon van de schaduw wordt gevonden, worden de gammastralen gegroepeerd en een beeld gevormd. Gammastraling van verschillende sterrenkundige objecten komen onder een verschillende hoek in de instrumenten binnen en zorgen voor verschillende schaduwen. Zo kan gammastraling van verschillende bronnen uit elkaar worden gehaald.

De kostprijs voor de ontwikkeling en bouw van Integral bedroeg 330 miljoen euro. Daarin is de prijs van de lancering niet inbegrepen. Rusland dragat zorg voor een gratis lancering, in ruil voor waarnemingstijd op Integral. In de kostprijs is ook de prijs van de wetenschappelijke instrumenten niet begrepen. Die zijn geleverd door academische en industriële consortia. Om de kosten te beperken is voor de dienstmodule het ontwerp hergebruikt van de ESA-satelliet XMM-Newton.

Geschiedenis van de gammasterrenkunde

Sinds het begin van de jaren zestig van de vorige eeuw plaatsten onderzoekers al kleine detectoren voor gammastraling aan boord van satellieten. De meest bijzondere ontdekking gebeurde op het eind van de jaren zestig met een reeks van militaire satellieten. Die waren ontworpen om het verbod op het testen van kernbommen op de aarde in de gaten te houden. Deze satellieten ontdekten de gammaflitsen, die zonder waarschuwing ongeveer een keer per dag exploderen en dat in willekeurige richtingen van de hemel.

In 1972 bevestigde de NASA-sonde SAS 2 dat het heelal baadt in een eeuwige regen van gammastraling. In 1975 lanceerde ESA de satelliet COS-B, die in 1982 werd uitgeschakeld en tot die tijd operationeel was. COS-B leverde de eerste kaart op van de hemel in gammastraling en identificeerde een aantal heldere bronnen. COS-B werd opgevolgd door de Russisch-Franse satelliet Granat (1989-1998) en het Compton Gamma-ray Observatory (CGRO) van de NASA (1991-2000). CGRO vergrootte onze kennis van sterrenkunde in gammastraling aanzienlijk. Algemeen verwacht wordt dat Integral de wereld zal verbazen met een volgende belangrijke sprong vooruit.