Het licht gaat uit voor Herschel

Het einde nabij voor de Europese Herschel satelliet. Binnenkort is het vloeibaar helium op, dat de instrumenten moet koelen van wat op dit moment de grootste ruimtetelescoop is. Dat gebeurt bijna vier jaar na de lancering. Een van de drie instrumenten van de telescoop, HIFI (Heterodyne Instrument for Herschel) is gebouwd in het Groningse laboratorium van het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek SRON. En RUG-sterrenkundige Peter Barthel was als een van de vijf ‘Mission Specialists’ verantwoordelijk voor de wetenschappelijke output van de hele Herschel missie.

Ontwerp en bouw van HIFI kostte jaren. HIFI is een spectrometer die in staat is een heel nauwkeurige analyse te maken van de infrarode tot submillimeter straling die Herschel opvangt. Als Principal Investigator was Frank Helmich verantwoordelijk voor de bouw van HIFI en voor het gebruik van de ‘Guaranteed Time’ die het HIFI instrumentteam kreeg.

De straling die Herschel waarneemt is vanaf de aarde bijna niet te zien, omdat ze wordt geabsorbeerd door waterdamp in de atmosfeer. Alleen de nieuwe radiotelescoop ALMA, gebouwd op een hoogvlakte in een droge Chileense woestijn, kan iets opvangen van de lagere frequenties van Herschels bereik.

Er zijn verschillende redenen waarom het bestuderen van deze infrarode tot submillimeter golflengtes interessant is. Dit licht bevat informatie over de vorming van sterrenstelsels, sterren en planeten en je kunt op deze golflengten water zien. Maar wat hebben we nu, aan het eind van de waarneemtijd van Herschel, allemaal geleerd?

Eerst wat getallen

Herschel heeft ongeveer 35.000 observaties gemaakt in 22.000 uur. In totaal is 25.000 uur aan wetenschappelijke data verzameld in 600 verschillende programma’s. Daarnaast is nog ruim 2000 uur besteed aan kalibraties die extra informatie toevoegen aan de dataset. Herschel kan 25.000 uur data uit 22.000 uur observaties halen, omdat de twee camera’s (SPIRE en PACS) gelijktijdig aan kunnen staan.

Tot nu toe hebben ongeveer 2500 wetenschappers met succes een waarnemingsvoorstel ingediend. Slechts zes maanden na het begin van de missie vulden de eerste resultaten al een ‘telefoonboek’ met meer dan 1000 pagina’s. Op dit moment zijn er inmiddels vier tot vijf keer zoveel uitgewerkte resultaten. En de meetgegevens van de laatste zes maanden zijn nog niet eens overhandigd aan de onderzoekers.

Met dit soort missies blijft de stroom van artikelen en proefschriften doorgaan, tot lang na het beëindigen van de waarnemingen. En bovendien komen de gegevens in de volgende fase van de missie ter beschikking van de hele astronomische gemeenschap. ‘Joe Astronomer’ zal zelf in het Herschel data archief kunnen duiken om het te gebruiken voor zijn eigen onderzoek. Daarom blijven de Mission Scientists ook nog zeker vijf jaar op hun post, en is het HIFI Instrument Control Center nog drie jaar bezig met verfijning van kalibraties en dergelijke.

De resultaten

Herschel heeft verrassend veel sterrenstelsels met grootschalige stervorming gevonden in het jonge universum (ongeveer 5 miljard jaar na de Oerknal). Deze stelsels waren nog niet eerder gezien, ze zaten verstopt in grote stofwolken. Dat stof houdt het zichtbare licht tegen, maar laat infrarood licht door.

Het vermogen om door stofwolken heen te kijken is ook belangrijk voor het waarnemen van de vorming van nieuwe sterren of planeten, want dat gebeurt nu eenmaal in stofwolken of stofschijven. Herschel kan deze processen wel zien en daarbij de spectra meten van verschillende moleculen. En die spectra zeggen iets over de natuurkundige en chemische processen die plaatsvinden.

Koolmonoxide kan bijvoorbeeld zowel ultraviolette straling als röntgenstraling absorberen, en zal die energie weer uitzenden op een manier die specifiek is voor het type straling. UV en röntgen straling kunnen betrokken zijn bij veel verschillende processen. UV komt uit de corona van een jonge ster, terwijl röntgenstraling afkomstig is van de materie die in een zwart gat gezogen wordt - de meeste sterrenstelsels hebben een enorm groot zwart gat in hun centrum. Deze straling kan ook vrijkomen bij de vorming van sterren, wanneer stof uit de omgeving wordt aangetrokken. Door de energie die koolmonoxide uitzendt te meten is het mogelijk om met grote ruimtelijke precisie te zien hoe groot de rol van UV of röntgen straling op een bepaalde plek is.

Meer resultaten

Een van de belangrijkste doelen van Herschel was het vinden van water. De satelliet heeft onomstotelijk aangetoond dat er water aanwezig is in het universum. Niet in oceanen of plassen, maar in wolken H2O moleculen die vrij rondzweven of gebonden zijn aan stofdeeltjes. Bevroren wolken, dat wel, want het is nogal koud in het universum. Water blijkt een van de meest voorkomende moleculen te zijn in regio’s waar stervorming plaatsvindt. En net als koolmonoxide is het ook te gebruiken als ‘meetinstrument’, in dit geval voor de temperatuur die de wolk heeft gehad in het verleden.

HIFI ontdekte ook veel water in de stofschijven waarin zich planeten vormen. Waterdamp komt daar vijr uit ijs en stofdeeltjes. Dit eerste bewijs van water in gebieden waar zich planeten vormen kan ons helpen begrijpen waarom de aarde een ‘blauwe planeet’ is.

De waarnemingen van water door Herschel zullen naar alle waarschijnlijkheid niet worden geëvenaard in de komende decennia. Er staan geen satellieten op stapel die Herschel op dit gebied naar de kroon kunnen steken.

Nog één resultaat, omdat het een mooi plaatje oplevert: een stofring rond de ster Fomalhaut. Deze ring is ontstaan door de botsing van duizenden kometen per dag!

Dat is allemaal heel mooi, maar…

Sterrenkundigen staan te watertanden bij al deze nieuwe gegevens, maar het zal de productiviteit van de landbouw niet vergroten en het biedt geen zicht op een geneesmiddel tegen griep. Dus waarom sturen we dit soort satellieten de ruimte in? De hele Herschel missie kostte tot nu toe iets meer dan een miljard euro, inclusief de raket, de lancering en de drie instrumenten. HIFI alleen heeft een prijskaartje van 210 miljoen euro, waarvan 70 miljoen door Nederland is opgebracht.

De opbrengst van zo’n missie bestaat in de eerste plaats toch vooral uit bijzonder boeiende wetenschap. Maar de missie heeft ook een hele high-tech infrastructuur in stand gehouden waarbinnen honderden jonge wetenschappers werkten aan het mogelijk maken van het onmogelijke. Daar waren jaren van onderzoek voor nodig, en nog meer jaren om de instrumenten te bouwen en te testen. Als gezegd, HIFI is in Nederland gebouwd, grotendeels in Groningen. Wetenschappers, ingenieurs en technici hebben er sinds 1999 aan gewerkt – langer zelfs, wanneer je de planningsfase meerekent.

Op het hoogtepunt van de bouwfase, in 2005 en 2006, werkten er zo’n driehonderd mensen wereldwijd aan HIFI, ongeveer een derde daarvan bij SRON. Veel van deze mensen zijn inmiddels overgestapt naar een ander baan, in de industrie, consultancy firma’s of onderzoeksinstituten. Ze hebben geleerd om te werken volgens de meest veeleisende kwaliteitseisen en hebben ervaring opgedaan met werken in internationale teams. Sommigen zijn bij SRON gebleven en werken nu aan nieuwe projecten.

Een deel van het ontwerp- en bouwwerk is gedaan door het midden- en kleinbedrijf, veelal in Noord-Nederland. Ook is veel materiaal bij lokale producenten gekocht. En HIFI zou misschien wel degelijk de landbouw kunnen helpen: de terahertz straling die gebruikt is in HIFI is te gebruiken om bloembollen door te lichten, op zoek naar ziekten. Terahertz scanners zijn wellicht ook te gebruiken om materialen voor vliegtuigbouw te controleren op scheurtjes. De SRON Valorisatie afdeling is druk op zoek naar manieren om de ruimtetechnologie in te zetten op aarde. Al zal dit niet snel een middel tegen de griep opleveren. Maar misschien komt dat uit een volgend project…

Wordt vervolgd

Wat gebeurt er wanneer de laatste druppel helium is verbruikt en de instrumenten opwarmen zodat ze niet langer functioneren? Voor de sterrenkundigen betekent het dat ze nog jaren vooruit kunnen met de verzamelde data, maar de meeste technici zijn al bezig met nieuwe projecten. SRON heeft inmiddels als 18 miljoen euro ontvangen uit de ‘nationale routekaart voor onderzoek’ om een ontwerp te maken voor SAFARI (SPICA FAR-infrared Instrument), een instrument dat bedoeld is voor de Japanse SPICA satelliet. Net las HIFI is SAFARI een spectrometer, maar dan eentje die ook beelden kan maken.

SPICA is nog in de ontwerpfase, maar als alles gaat als gepland zal deze telescoop binnen tien jaar gelanceerd worden. En er is nog een missie in voorbereiding, voor lancering in 2035. Er is dus nog voldoende werk te doen.

Met dank aan Peter Barthel, Frank Helmich, Pieter Dieleman en Rowin Meijerink voor de informatie over Herschel en HIFI.