Om ons begrip van de sterren en het heelal te vergroten zijn steeds betere telescopen nodig. Zo maakte het Europese ruimtevaart-agentschap ESA dit voorjaar bekend dat het SPICA heeft geselecteerd als mogelijk toekomstig project. Spica … is dat niet de naam van de helderste ster in het sterrenbeeld Maagd? En het betekent toch “korenaar” in het Latijn? Dat klopt, maar in dit geval staat SPICA voor SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics. Een ruimtetelescoop voor infrarood licht dus, die vanuit de ruimte gaat waarnemen. De lancering staat voorlopig gepland voor 2032. Maar waarvoor hebben we eigenlijk infrarode telescopen nodig? En waarom moeten ze de ruimte in? En kan dat bouwen niet wat sneller? Astronoom Floris van der Tak legt het uit.
Artist impression van SPICA
Waarom een ruimtetelescoop?
De meeste telescopen staan gewoon op de grond, en dat is ook wel zo praktisch: je kunt ze makkelijk bedienen, ze repareren als er iets kapot of versleten is, en ze eens in de zoveel jaar moderniseren. Om storingen door huizen en straat-lantaarns te vermijden worden ze op afgelegen plekken gebouwd, het liefst op bergtoppen waar de lucht rustig en droog is zodat de sterren zo min mogelijk twinkelen. Dat getwinkel is wel mooi romantisch, maar maakt opnames van zwakke sterren onscherp. Geliefde berggebieden voor telescopen zijn Noord-Chili, waar bijvoorbeeld de Europese Very Large Telescope staat, en het eiland Hawaii, waar de berg Mauna Kea intussen behoorlijk vol staat met telescopen.
Om helemaal van het getwinkel af te zijn moeten we de ruimte in, en dat is de reden dat de foto’s van de Hubble-telescoop zo mooi scherp zijn. Ook het speuren naar exoplaneten gaat het best vanuit de ruimte, omdat die signalen op twinkelen lijken. De meeste planeten worden gevonden doordat ze voor hun ster langs bewegen en daarbij het sterlicht ietsje verzwakken. Als het sterlicht intussen door de atmosfeer wordt verstoord wordt de planeet onzichtbaar (lees meer hierover in de blog van Michiel Min).
Maar de voornaamste reden om telescopen de ruimte in te sturen is dat onze dampkring ondoorzichtig is voor veel soorten licht. En voor ons mensen (en andere wezens die niet onder de grond of in zee leven) is dat maar goed ook. Ultraviolet is het bekendste voorbeeld: de ozon-laag houdt dat tegen en voorkomt dat we allemaal zonnebrand krijgen. Ook Röntgenstraling komt niet door onze dampkring heen, zoals hieronder te zien is.
Golflengtes en atmosferische transmissie (bron: NASA via Wikimedia Commons).
Ook infrarood licht (ofwel warmtestraling) wordt voor een groot deel tegengehouden door onze dampkring, vooral door de gassen kooldioxide (CO2), methaan (CH4) en waterdamp. Dat geldt voor infrarood licht vanuit de ruimte net zo goed als voor infrarood licht vanaf de Aarde, en daarom helpt onze dampkring om warmte vast te houden en worden die gassen broeikasgassen genoemd (lees meer hierover in de blog van Rob Detmers).
Toch hebben astronomen de straling die niet door onze dampkring heen komt, wel nodig voor hun onderzoek. Voor een goed begrip hoe zwarte gaten zich gedragen, zijn waarnemingen van Röntgenstraling bijvoorbeeld onmisbaar, en daarvoor zijn wij geheel aangewezen op ruimtetelescopen (lees meer hierover in de blog van Jelle de Plaa).
SPICA is niet de eerste infrarode ruimtetelescoop, maar wel verreweg de beste die er tot nu toe geweest is. Dat komt omdat hij een grote koude spiegel krijgt. Met een koude spiegel zendt telescoop zelf minder storende achtergrondstraling uit. Vroegere infrarode ruimtetelescopen hadden of een kleine koude spiegel (zoals bij Spitzer) of een grote warme spiegel (zoals bij Herschel, en binnenkort bij James Webb). Met een grote spiegel kan een telescoop meer licht opvangen. De combinatie van een grote, en een koude spiegel maakt SPICA super-gevoelig. Daardoor kan hij veel verder het heelal in kijken dan zijn voorgangers.
Waarom infrarood licht?
Er zijn drie redenen waarom astronomen graag infrarood licht gebruiken om het heelal en de sterren beter te begrijpen. Ten eerste heeft sterlicht uit het vroege heelal (kort na de Oerknal) last van een effect dat roodverschuiving heet. Dat lijkt op het geluid van een langsrijdende ambulance: als die op je af komt klinkt de sirene hoger dan als hij bij je vandaan rijdt. Zo werkt het met licht ook: bij sterren (en sterrenstelsels) die van ons af bewegen worden de lichtgolven uitgerekt en wordt het licht roder van kleur. Doordat het heelal uitdijt, bewegen verre sterrenstelsels sneller bij ons vandaan, en wordt hun licht tot ver in het infrarood uitgerekt. Met een infrarode telescoop kunnen we dus heel ver terug in de tijd kijken, tot de begintijden van sterrenstelsels, zo’n 12 miljard jaar geleden!
Bovendien zijn veel sterren omringd door stofwolken die het sterlicht roder maken. Bekijk maar eens een lamp door een glas water: die wordt rood als je een beetje melk erbij doet (wie even geen melk bij de hand heeft kan ook hier kijken). Met een infrarode telescoop kunnen we dus ook de sterren zien die voor normale telescopen door stofwolken worden verduisterd. Op de foto’s hieronder is dat goed te zien: wat een donkere wolk lijkt in ‘gewoon’ zichtbaar licht, wordt doorzichtig in het infrarood.
B68 in optisch / NIR (bron: ESO)
Maar de belangrijkste reden om infrarode telescopen te bouwen is dat sterrenstelsels (zoals onze Melkweg) niet alleen sterren bevatten, maar ook gaswolken waar nieuwe sterren in ontstaan. Zulke wolken zijn heel koud, ongeveer zo koud als vloeibaar stikstof, en daardoor zenden ze geen ‘gewoon’ licht uit zoals gloeilampen of sterren , maar alleen ver-infrarood licht. Met een infrarode telescoop zoals SPICA, kunnen we dus ook te weten komen hoe sterren en planeten ontstaan!
De selectie van SPICA door de Europese ruimtevaartorganisatie ESA was groot nieuws in de Nederlandse sterrenkundige wereld, want Nederland speelt een leidende rol bij de bouw van deze infrarode ruimtetelescoop. Vooral mijn collega’s bij het Nederlandse ruimtevaart-instituut SRON waren erg blij, want met deze mega-opdracht hebben ze werk tot de lancering van SPICA, die gepland staat voor 2032.
Waarom duurt het zo lang?
Het groene licht voor SPICA is nog voorlopig: ESA houdt nog een slag om de arm in het besluit om de telescoop daadwerkelijk te gaan bouwen. Nu het concept op papier is goedgekeurd gaan we een prototype maken om te laten zien dat de nieuwe telescoop ook echt technisch haalbaar is. De grootste uitdaging is daarbij de koeling: om achtergrondruis tegen te gaan wordt de telescoop nog kouder gemaakt dan vloeibaar waterstof, en de instrumenten zelfs zo koud als vloeibaar helium. De telescoop mag bovendien niet te groot en te zwaar voor de raket worden, en de instrumenten mogen niet meer stroom verbruiken dan de zonnepanelen kunnen leveren.
Pas als het prototype aan al deze eisen voldoet geeft ESA definitief groen licht en kan het `vluchtmodel’ van SPICA worden gebouwd. De eerste uitdaging daarbij is om te garanderen dat de telescoop de schok van de lancering en de extreme omstandigheden in de ruimte heelhuids doorstaat. Hiertoe moet de satelliet een uitgebreide reeks tests ondergaan: met sterke trillingen (zoals die van een aardbeving), heel hoge en heel lage temperaturen, en ultrahoog vacuüm.
De tweede en misschien grootste uitdaging is om te garanderen dat alle onderdelen minstens 5 jaar lang zonder haperen blijven functioneren. SPICA gaat waarnemen vanaf een punt op 1.5 miljoen km van de Aarde, veel te ver om iets te komen repareren. Om deze reden gebruiken we zo weinig mogelijk bewegende onderdelen (die vast kunnen blijven zitten) en wordt alle electronica dubbel uitgevoerd. Bij de ruimtetelescoop Herschel (2009-2013) moest die reserve-electronica inderdaad worden ingezet nadat kosmische straling het hoofdsysteem had beschadigd. Al met al duurt het nog ruim 10 jaar voordat SPICA echt de ruimte in gaat.
Hier bij SRON gaan we nu hard aan de slag om SPICA zo goed mogelijk te krijgen en de competitie met de 2 andere overgebleven voorstellen te winnen. Dat zijn Theseus, een missie om flitsen van Röntgen- en gammastraling uit het vroege heelal op te vangen, en EnVision, die het oppervlak en de atmosfeer van Venus gaat bestuderen.
De Nederlandse bijdrage aan SPICA is het ontwerp, de integratie, en het testen van de ver-infrarode ontvanger. Die ontvanger moet ongekend gevoelig zijn, om maximaal gebruik te maken van de grote koude spiegel van SPICA. De bedoeling is dat we een fietslampje op 10 miljoen km afstand kunnen zien! Naast deze technische bijdrage coördineren wij bij SRON de Europese activiteiten voor SPICA. Binnen Europa zijn we daarmee de ‘hoofdaannemer’ van het project. Best iets om trots op te zijn! Gelukkig staan we er niet alleen voor: SPICA is een samenwerking tussen Europa en Japan, met bijdragen uit Amerika, Taiwan, en Canada. Een prachtig voorbeeld van internationale samenwerking!
Credits hoofdfoto: ESA/PACS & SPIRE Consortia, T. Hill, F. Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/IRFU – CNRS/INSU – Uni. Paris Diderot, HOBYS Key Programme Consortium
