Vertaald door Dave Lommen

Figuur met dank aan ESA

Claudia Mignone en Rebecca Barnes ontdekken röntgen- en gamma-straling en onderzoeken de ingenieuze technieken die het Europees Ruimte Agentschap gebruikt om het heelal bij deze golflengten waar te nemen.

Of je haar nu bekijkt met het blote oog, door een verrekijker of door een telescoop, de nachtelijke hemel biedt een adembenemend beeld. Maar als we de hemel zouden kunnen waarnemen met hoog-energetische röntgen- en gamma-straling in plaats van in zichtbaar licht, dan zouden we een heel ander beeld krijgen – een dramatische kosmische lichtshow^w1 (Figuur 1).

Figuur 1: Boven: de hele hemel waargenomen bij hoog-energetische röntgen-straling met ESA’s INTEGRAL satelliet, gebaseerd op data verzameld in het energie-bereik van 18 tot 40 keV (zichtbaar licht komt overeen met 1.65 tot 3.1 eV). Onder: een beeld van de hele hemel in zichtbaar licht. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuuren met dank aan ESA / F. Lebrun / CEA Saclay, Service d’Astrophysique (boven); ESO / S. Brunier (onder)

Sommige van de meest krachtige en gewelddadige fenomenen in het heelal schijnen helder in deze korte golflengten, zoals supernova’s – de vurige eindes van massieve sterren – en zwarte gaten die materie verorberen. Veel bronnen van röntgen- en gamma-straling verraden hun dynamische natuur door duidelijke veranderingen in hun helderheid, soms op zeer korte termijn. Gammaflitsen verschijnen bijvoorbeeld zomaar uit het niets en leven slechts enkele seconden. Deze uitbarstingen komen mogelijk van de meest extreme explosies in de kosmos (om meer te leren, zie Boffin, 2007). Daarnaast worden röntgen- en gamma-straling veroorzaakt door hele andere fysische processen dan die die verantwoordelijk zijn voor de emissie van zichtbaar licht. Dit betekent dat melkwegstelsels en andere sterrenkundige objecten er heel anders uitzien aan dit hoge-energie uiteinde van het elektromagnetisch (EM) spectrumw2 (Figuren 2 en 3).

Figuur 2: De Tycho supernovarest zoals waargenomen door XMM-Newton van ESA. Deze supernovarest is relatief jong en wordt geassocieerd met de supernova die in 1572 werd waargenomen door de Deense astronoom Tycho Brahe. Klik op de afbeelding om te vergroten Figuur met dank aan Marco Iacobelli (XMM-Newton SOC) and ESA

Figuur 3: Het Sigaarstelsel (M82) zoals waargenomen door XMM-Newton, in zichtbaar en ultraviolet (uv) golflengtes (inzet links) en bij röntgen golflengtes (inzet rechts). De grote figuur is een compositie van zichtbaar, uv en röntgen beelden. De röntgen-straling is in het blauw weergegeven en verraadt pluimen van zeer heet gas die uit de schijf van het sterrenstelsel komen. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan ESA

Deze revolutionaire kijk op het heelal werd begin jaren 1960, in het begin van de ruimtewedloop, aan astronomen geopenbaard, toen raketten en satellieten het mogelijk maakten om speciaal ontworpen instrumenten buiten de aardatmosfeer te brengen^w3. Het Europees Ruimte Agentschap (ESA; zie kader)^w4 deed al snel mee, met de gammastraling-missie COS-B (1975) en de röntgen-sterrenwacht EXOSAT (1983). Vandaag de dag beheert ESA twee zulke sterrenwachten: de X-ray Multi-Mirror satelliet (XMM-Newton), gelanceerd in 1999, en het International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), gelanceerd in 2002.

Hoe werken ze? Zoals we in een eerder artikel (Mignone & Barnes, 2011), uitlegden, is er geen fysisch verschil tussen röntgen- en gamma-straling, zichtbaar licht en andere soorten EM straling. Het zijn allemaal vormen van licht en ze verschillen alleen in golflengte (of, aangezien de drie gerelateerd zijn, hun frequentie of energie; Figuur 4). Hun interactie met materie hangt echter af van hun golflengte (of frequentie, of energie). Dit heeft grote implicaties voor de sterrenkunde.

Figuur 4: Een overzicht van het EM spectrum met röntgen- en gamma-straling uitgelicht, waarbij golflengtes, frequenties en energieën over het spectrum staan aangegeven. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab

Traditionele optische systemen, zoals onze ogen, camera’s, microscopen en telescopen, maken gebruik van lenzen (of spiegels) die licht breken (of reflecteren) en focusseren om een beeld te creëren. Dit is echter moeilijk voor sommige lichtstralen. Omdat röntgen- en gammastralen golflengtes hebben zo in de orde van grootte van respectievelijk atomen en subatomaire deeltjes, kunnen ze niet gemakkelijk gereflecteerd of gefocusseerd worden zoals zichtbaar licht. In plaats daarvan worden ze geabsorbeerd als ze dichtere materialen raken (Figuur 5).

Figuur 5: Lichtstralen die een oppervlak raken worden geabsorbeerd als hun energie groter is dan een bepaalde drempelwaarde die afhangt van het materiaal. De energie van het geabsorbeerde licht wordt overgebracht op de elektronen in het materiaal, die uitgezonden worden. Dit fenomeen, het photoelektrisch effect^w5, is een van de diverse fenomenen die plaatsvinden als hoog-energetische straling interageert met materie. Voor een dramatische manier om dit onderwerp op school te onderwijzen, zie Bernardelli (2010). Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab

Het feit dat röntgen- en gammastralen worden geabsorbeerd door dichte materialen maakt hen bruikbaar voor diverse toepassingen, zoals medische scans en het bestuderen van materialen^w6. Het biedt echter een probleem voor sterrenkundigen: omdat ze gemakkelijk geabsorbeerd worden, is het moeilijk of zelfs onmogelijk om deze typen straling te focusseren. Het is dan ook een uitdaging om scherpe beelden te creëren.

Desondanks hebben wetenschappers methoden ontwikkeld om röntgen- en gammastraling, afkomstig uit het heelal, te detecteren. Ze wijken erg af van methoden die gebruikte worden in traditionele optische systemen en dat, samen met het feit dat ze in de ruimte moeten werken, maakt dat telescopen voor hoog-energetische straling in niets op optische telescopen lijken.

Röntgen-waarneemtechnieken

Scherende stenen Figuur met dank aan Killy Ridols;/ bron: Wikimedia Commons

Alhoewel het moeilijk is om röntgen-stralen te reflecteren, het is niet onmogelijk als ze de telescoop-spiegel onder een heel kleine hoek raken – denk aan een steen die over het water scheert. Een steen kan echter al over het water stuiteren als de hoek zo’n 20° is, terwijl die voor röntgenstraling veel kleiner moet zijn: 1° of nog minder. De röntgenstralen mogen de spiegel amper raken, anders worden ze al geabsorbeerd.

Om deze kleine hoek te bereiken – en de röntgen-stralen in een punt to focusseren – zien de spiegels die in röntgen-telescopen gebruikt worden eruit als een trechter (Figuur 6). De vorm van de spiegel is een combinatie van een paraboloïde en een hyperboloïde om ervoor te zorgen dat de rakende röntgen-stralen twee keer gereflecteerd worden. Op deze manier wordt het licht gefocusseerd op een detector om een beel van de röntgen-bron te vormen.

Figuur 6:
a) Het licht-pad van röntgen-stralen door XMM-Newton. Het ruimteschip herbergt drie telescopen die elk bestaan uit 58 geneste, goud-gelaagde, buis-achtige spiegels.
b) De combinatie van parabolische en hyperbolische spiegels is weergegeven in doorsnede door een van de telescopen.
c) Röntgen-stralen die langs de spiegel scheren worden tweemaal gereflecteerd en gefocusseerd op een detector. De röntgenstralen moeten de spiegel raken onder hoeken van 1° of minder om niet te worden geabsorbeerd. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab

Deze ingenieuze techniek, die grazing incidence optics genoemd wordt, heeft een groot nadeel: om gereflecteerd en gefocusseerd te worden moeten de röntgen-stralen bijna parallel aan de buis-achtige spiegels binnenkomen, waardoor de telescopen slechts een kleine hoeveelheid röntgen-straling kunnen opvangen. Een krachtige telescoop is er een die veel lichtn van verre kosmische bronnen verzameld; dit wordt meestal gedaan met erg grote spiegels. Daar staan tegenover de geneste spiegels van een röntgentelescoop, die het geheel laten lijken op een gigantische prei. De drie telescopen aan boord van ESA’s XMM-Newton ruimte-sterrenwacht bestaan bijvoorbeeld uit 58 geneste spiegels elk (Figuur 7)w7.

Figuur 7: De geneste spiegels die samen een van de drie telescopen aan boord van XMM-Newton vormen Figuur met dank aan ESA

Afgezien van hun bizarre vorm wijken de spiegels van XMM-Newton ook af van conventionele telescopen in dat ze gemaakt zijn van goudgelaagd nikkel in plaats van aluminiumgelaagd glas: inkomende röntgen-stralen worden beter gereflecteerd door de zwaardere elementen (voor meer informatie, zie Singh, 2005).

Gamma-waarneemtechnieken

Figuur 8a) Artistieke impressie van INTEGRAL met SPI uitgelicht. SPI is een van de coded-mask instrumenten aan boord van het ruimteschip. Klik op de afbeelding om te vergroten Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab

Is het focusseren van röntgen-straling al een uitdaging, het focusseren van gamma-stralen – de meest hoog-energetische vorm van licht – is bijna onmogelijk. Astronomen moesten daarom alternatieve methoden verzinnen om beelden te creëren van kosmische bronnen in dit gebied van het EM spectrum. Veel instrumenten voor gamma-astronomie, ook die aan boord van ESA’s INTEGRAL ruimte-sterrenwacht, maken gebruik van een techniek die coded-mask imaging wordt genoemd. Deze methode lijkt op die van een pinhole camera, die geen lens heeft, maar enkel een klein gat waardoor licht gaat om een omgekeerd beeld op de achterwand van de camera te vormen. In plaats van het enkele gat in een pinhole camera heeft een coded-mask camera een masker met een speciaal patroon van gaten en ondoordringbare gebieden voor een detector. Gamma-stralen die door de gaten gaan verlichten sommige pixels op de detector, terwijl de stralen die tegengehouden worden een schaduw op de detector vormen.

Figuur 8b) Hoe de coded-mask camera werkt: gamma-stralen van twee verschillende astronomische bronnen gaan door de gaten in het masker. Sommige inkomende stralen gaan door het masker en verlichten pixels op de detector eronder (aangegeven in blauw en rood, afhankelijk van de bron), terwijl andere worden tegengehouden door de ondoordringbare gebieden in het masker, waardoor ze een schaduw op de detector werpen (in het wit). Klik op de afbeelding om te vergroten Figuur met dank aan ESA / AOES Medialab Het patroon van lichte en donkere pixels bevat informatie over de locatie van gamma-bronnen aan de hemel en de intensiteit van de verlichte pixels geeft informatie over hun helderheidw8. Alhoewel niet gedetailleerd zijn de beelden bruikbaar om sommige van de meest krachtige fenomenen in het heelal te onderzoeken (Figuras 8a en 8b, 9 en 10).

Figuur 9: INTEGRAL beelden van de tijdelijke bron IGR J16328-4726 (omcirkeld). Deze astronomische bron is diverse jaren in de gaten gehouden met INTEGRAL in het energie-bereik 20-50 keV. Zoals te zien is, varieert de helderheid van de bron aanmerkelijk met de tijd. Sterrenkundigen denken dat dit een voorbeeld is van een supergiant X-ray transient: een binair systeem dat bestaat uit een zeer heldere superreus en een compact object, zoals een neutronenster of een zwart gat, die om elkaar heen draaien. Men denkt dat de variërende stroom materie van de superreus naar het compacte object het hortende gedrag van deze bronnen veroorzaakt. Klik op de afbeelding om te vergroten
Figuur met dank aan ESA / INTEGRAL / M Fiocchi

En dan verder...

Figuur 10: Artistieke impressie van een supergiant X-ray transient. Klik op de afbeelding om te vergroten Figuur met dank aan ESA

Terwijl je dit artikel leest, cirkelen ESA’s XMM-Newton en INTEGRAL rond de aarde en houden ze het altijd veranderende hoge energie-heelal in de gaten, waarmee ze helpen om de wonderen van de hemelen te ontrafelen. In ons volgende artikel zullen we enkele van deze fenomenen verkennen, zoals het turbulente leven en de dood van sterren in de Melkweg en gigantische zwarte gaten in de centra van verre sterrenstelsels.

Meer over ESA Het Europees Ruimte Agentschap (ESA)w4 is Europa’s poort naar de ruimte. ESA organiseert programma’s om meer te leren over de aarde, haar directe omgeving in de ruimte, ons zonnestelsel en het heelal en ze werkt samen in projecten voor bemande verkenning van de ruimte, ontwikkelt technologieën en diensten voor satellieten en promoot Europese industrieën. Het Directorate of Science and Robotic Exploration werkt voornamelijk aan ESA’s ruimte-wetenschapsprogramma en aan geautmoatiseerde verkenning van het zonnestelsel. In de zoektocht naar begrip van het heelal, de sterren en planeten en het ontstaan van leven gluren ESA’s satellieten in de diepten van de kosmos en kijken ze naar de verste sterrenstelsels, bestuderen ze de zon in niet eerder vertoond detail en verkennen ze onze planetaire buren. ESA is een lid van EIROforumw9, de uitgever van Science in School.

Referenties

Bernardelli A (2010) Stage lights: physics and drama. Science in School 17: 41-45. www.scienceinschool.org/2010/issue17/laser

Boffin H (2007) Fusie in het heelal: gammastraaluitbarstingen. Science in School 7. www.scienceinschool.org/2007/issue7/fusion/dutch

Mignone C & Barnes R (2011) More than meets the eye: the electromagnetic spectrum. Science in School 20: 51-59. www.scienceinschool.org/2011/issue20/em

Singh KP (2005) Techniques in X-ray Astronomy. Resonance – Journal of Science Education. 10(6): 15-23. www.ias.ac.in/resonance/June2005

Web referenties

w1 – Voor een film die gebruik maakt van INTEGRAL data en die het de hemel in zichtbaar licht vergelijkt met de hemel in gamma-straling en die laat zien hoe de gamma-straling van bronnen in de kern van de Melkweg varieert, zie : http://sci.esa.int/GalacticBulge_video

w2 – Om een animatie te bekijken die het sterrenstelsel M 82 in zichtbaar licht, ultraviolet en röntgen-straling laat zien, ga naar: http://sci.esa.int/science-e-media/img/40/M82Zoom410x354.gif

w3 – Om Riccardo Giacconi’s Nobel-lezing van 2002, “The Dawn of X-ray Astronomy”, te lezen of te beluisteren, ga naar http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
2002/giacconi-lecture.html

w4 – Voor meer informatie over ESA, zie: www.esa.int

Om meer te leren over de activiteiten van ESA’s Directorate of Science and Robotic Exploration, ga naar: http://sci.esa.int

Educatief materiaal van de ESA is gratis beschikbaar voor docenten in de 18 ESA-lidstaten. Veel materiaal is vertaald naar diverse Europese talen. Zie: www.esa.int/educationmaterials

Instructies en patronen voor het maken van papieren modellen van diverse ESA ruimte-vaartuigen (waaronder XMM-Newton en INTEGRAL) kunnen gedownload worden vanaf: www.esa.int/classroomtools

De ESA multimedia-galerij biedt meer dan 10.000 plaatjes, video’s en animaties die met de ruimte te maken hebben. Zie: www.esa.int/esa-mmg/mmghome.pl

Om alle artikelen in Science in School te vinden die met de ESA te maken hebben, ga naar: www.scienceinschool.org/esa

w5 – Ga voor een interactieve simulatie van het foto-elektrisch effect en andere activiteiten die daarmee te maken hebben naar de PhET website (http://phet.colorado.edu)of gebruik de directe link: http://tinyurl.com/679wytg

Kijk om meer te leren over het foto-elektrisch effect op: http://physics.info/photoelectric

w6 – Om binnen Science in School te bladeren door artikelen over hoe hoog-energetische röntgen-straling (synchrotron-straling) gebruikt wordt in wetenschappelijk onderzoek aan het European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk, zie: www.scienceinschool.org/esrf

Net als ESA is ESRT een lid van EIROforum^w9, de uitgever van Science in School.

w7 – Voor een animatie van het lichtpad door XMM-Newtons telescoop, zie: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=45618

w8 – Om meer te leren over de coded-mask camera, zie www.sron.nl/~jeanz/cai/coded_intr.html

w9 – Om meer te leren over EIROforum, zie: www.eiroforum.org

Bronnen

De Science@ESA vodcasts ontdekken het heelal door de ogen van ESA’s vloot van ruimteschepen. Deel 5 (‘Het ongetemde, wilde heelal’) biedt een glimp van het hete, energetische en vaak gewelddadige heelal en de ESA missies die het detecteren met behulp van röntgen- en gamma-sterrenkunde. Zie: http://sci.esa.int/vodcast

Als je dit een leuk artikel vond, dan ben je wellicht ook geïnteresseerd in de andere sterrenkunde-artikelen in Science in School. Zie: www.scienceinschool.org/astronomy

Claudia Mignone, Vitrociset België voor ESA – Europees Ruimte Agentschap, is een wetenschapsschrijfster voor ESA. Ze heeft een sterrenkunde-diploma van de Universiteit van Bologne, Italië, en is gepromoveerd in de kosmologie aan de Universiteit van Heidelberg, Duitsland. Voordat ze bij ESA kwam te werken had ze een baan als public outreach officer bij de Europese Zuidelijke Sterrewacht (ESO).

Rebecca Barnes, HE Space Operations voor ESA – Europees Ruimte Agentschap, is education officer voor het Science and Robotic Exploration Directorate van ESA. Ze heeft een diploma in de natuurkunde met astrofysica van de Universiteit van Leicester, Verenigd Koninkrijk, en werkte voorheen aan de educatieve en ruimte-communicatie-afdelingen van het National Space Centre van het Verenigd Koninkrijk. Neem om meer te leren over de educatieve activiteiten van het ESA Science and Robotic Exploration Directorate contact op met Rebecca via SciEdu@esa.int

Recensie

Dit artikel legt op eenvoudige en begrijpelijke wijze uit hoe röntgen- en gamma-straling van kosmische bronnen verzameld worden met gebruikmaking van moderne ruimte-telescopen en het biedt enkele dramatische figuren.

For wetenschaps-docenten in het basisonderwijs levert het artikel mogelijk de motivatie om modellen van telescopen te bouwen, bijvoorbeeld van gerecyclede materialen – of om de modellen van de ESA website te downloadenw4. De kleurrijke figuren kunnen ook onderdeel uitmaken van een klassen-expositie.

Wetenschaps- of natuurkunde-docenten aan de middelbare school (leerlingen van 11 tot 16 jaar) kunnen het onderwerp van gamma-straling koppelen aan de technieken om een pinhole camera te maken. Dit kan toepasselijk zijn voor lessen optica, waarbij de nadruk mag liggen op het feit dat zowel de pinhole camera als coded-mask imaging zonder optische lens werken.

Beelden van de sterrewachten van ESA^w4 zijn een goeie ondersteuning voor lessen over waarnemingen vanuit de ruimte. Ze helpen de leerlingen om zich bewust te worden van de astronomische fenomenen (b.v. sterrenstelsels, zwarte gaten, supernovae, neutronensterren, of de annihilatie van materie en antimaterie) die in het artikel genoemd worden. Ze kunnen de leerlingen ook aanmoedigen om zelf wat onderzoek te doen naar gerelateerde onderwerpen binnen het curriculum.

Voor docenten van oudere leerlingen zou het interessant kunnen zijn om de types telescopen voor hoge-energie astronomie aan boord van de ruimte-sterrewachten XMM-Newton en INTEGRAL te bespreken. De technieken om gegevens te filteren totdat je een compleet beeld hebt zouden gekoppeld kunnen worden aan computer-lessen. Leerlingen kunnen de structuur van hoge-energie telescopen vergelijken met die van optische telescopen en de uitdagingen van de verschillende ontwerpen bespreken.

Stephanie Maggi-Pulis, Malta

---

Suggesties van de beoordelaar: Natuurkunde, Algemene Natuurwetenschappen, Computerles 4-19 jaar