Integral speurt naar extreme straling in het heelal

Integral zal hemellichamen waarnemen waarbij de meest energierijke straling in het heelal vrijkomt. Integral is in het bijzonder ontworpen om tegelijk gammastraling, röntgenstraling en zichtbaar licht van deze objecten op te vangen, waardoor astronomen op de aarde ze volledig kunnen analyseren.

Gammastraling komt vrij bij de meest gewelddadige fenomenen in het heelal. In tegenstelling tot de serene schoonheid van de sterren die we met onze eigen ogen kunnen zien, is het heelal in gammastraling een plaats met hevige explosies, kosmische botsingen en materie die in zwarte gaten wordt gezogen of gevangen zit in supersterke magnetische velden. Tot nu toe hebben sterrenkundigen maar een glimp van al dit geweld kunnen opvangen. Integral zal er een scherpe blik op richten.

Verkenning van een gewelddadig universum

Gammastraling leidt grote hoeveelheden energie weg van de gewelddadige gebeurtenissen waar ze ontstaan, zoals supernova-explosies, zwarte gaten en de geheimzinnige gamma-ray bursts. Integral zal heel wat nieuwe informatie opleveren over deze krachtige bronnen van gammastraling.

Zeer massieve sterren beëindigen hun leven in grote explosies die supernovae worden genoemd. Bij deze uitbarstingen komt meer energie vrij dan bij het schijnsel van miljoenen en miljoenen sterren, voor een groot deel onder de vorm van gammastraling. Bij zulke explosies worden nieuwe chemische elementen gevormd. In feite ontstaan alle atomen, zwaarder dan ijzer, als gevolg van zulke explosies. Daarom worden supernovae ook wel de scheikundige fabrieken van het heelal genoemd. Maar we weten niet helemaal hoe nieuwe atomen gevormd worden wanneer een ster ontploft. Integral zal dit als één van zijn eerste wetenschappelijke doelstellingen bekijken.

Na de explosie blijft bij iedere supernova een dood 'hart' over. De materie in dit hart is ontzaglijk dicht opeengepakt en het kan ofwel een neutronenster ofwel een zwart gat zijn. Beide kunnen gammastraling doen ontstaan omdat ze een ongelooflijk sterk zwaartekrachtveld hebben waaraan passerend stof, gas en mogelijk ook grotere hemellichamen niet kunnen ontsnappen. Wanneer materie door een zwaartekrachtveld valt wordt hij opgewarmd en komt er energie vrij. Bij neutronensterren en zwarte gaten is deze energie bijzonder intens en neemt hij de vorm aan van röntgenstraling en gammastraling.

Massieve zwarte gaten

Het heelal bevat niet alleen zwarte gaten die bij supernovae ontstaan, de zogenaamde stellaire zwarte gaten. In het universum zijn er ook nog veel massievere zwarte gaten, die we terugvinden in de kern van sommige sterrenstelsels. Dit zijn de galactische zwarte gaten. Zij stralen eveneens gammastraling uit en dat met zo'n kracht dat ze bijna tot halfweg het bekende heelal kunnen waargenomen worden.

Integral zal deze objecten niet alleen waarnemen met een nooit eerder gezien nauwkeurigheid, hij zal ook de geheimzinnige gamma-ray bursts onderzoeken, die ongeveer een keer per dag over het hele heelal exploderen. Ze duren slechts tot enkele seconden en kunnen vanuit elke richting in de ruimte komen. Gedurende jaren bleef de oorsprong van de gamma-ray bursts onbekend, sinds ze voor het eerst op het eind van de jaren '60 werden waargenomen.

Vandaag denken veel onderzoekers dat gamma-ray bursts verband kunnen houden met de doodsstrijd van de allereerste sterren. Ze zouden ook kunnen ontstaan bij botsende neutronensterren of hun oorzaak kunnen vinden bij de explosie van supermassieve sterren op het eind van hun leven, de zogenaamde hypernovae. De instrumenten aan boord van Integral zullen de gamma-ray bursts uiterst nauwkeurig waarnemen en misschien iets over hun oorsprong ontdekken.

De instrumenten van Integral

Integral heeft vier instrumenten aan boord waarmee het ruimtetuig zijn taak zo volledig mogelijk kan uitvoeren. Ze moeten elkaar aanvullen en hun gezamenlijke waarnemingen moeten onderzoekers toelaten een zeer volledig en nauwkeurig beeld te krijgen van elk bestudeerd hemellichaam in verschillende golflengten.

Imager on Board the Integral Satellite (IBIS) is een camera die gammastraling met een nooit eerder gezien resolutie zal waarnemen. Spectrometer on Integral (SPI) zal de energie van gammastraling met uitzonderlijke nauwkeurigheid meten. Het instrument is in het bijzonder gevoeliger aan zwakkere straling dan elke vroegere spectrometer 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.

Baan en opdracht

Na zijn lancering komt Integral in een ellipsvormige baan met een hoek van 51,6° t.o.v. de evenaar van de aarde. 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 en die kunnen de mogelijkheid van Integral om gammastraling waar te nemen in de weg staan. Het is dus belangrijk dat Integral zich buiten deze stralingsgordels bevindt en door zijn ellipsvormige baan blijft hij 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 gamma-ray bursts voordoen. In dit 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 het ruimtetuig, 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 te focussen, 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 staat in voor de lancering, gratis, 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.

Achtergrond

Gamma-sterrenkunde in historisch perspectief

Sinds het begin van de jaren '60 plaatsten onderzoekers al kleine detectoren voor gammastraling aan boord van satellieten. De meest bijzondere ontdekking gebeurde op het eind van de jaren '60 echter met een reeks van militaire satellieten, die ontworpen waren om het verbod op het testen van kernbommen op de aarde in de gaten te houden. Deze satellieten ontdekten de gamma-ray bursts, 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 van gammastraling. 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. Integral zal weldra naar verwachting de wereld verbazen met een volgende belangrijke technologische sprong vooruit.

Meer informatie:

ESA Media Relations Office
Tel: +33 (0) 1 5369 7155
Fax: +33 (0) 1 5369 7960

Kai Clausen, ESA - Integral Project Manager
Tel: +31 (0)71 565 3467
E-mail: Kai.Calusen@esa.int

Christophe Winkler, ESA - Integral Project Scientist
Tel: +31 (0)71 565 3591
E-mail: Christophe.Winkler@esa.int

Arvind Parmar, ESA - Integral Acting Project Scientist
Tel: +31 (0)71 565 4532
E-mail: Arvind.Parmar@esa.int

(naar ESA-INFO 8-2002)