SRON naar de finale met opvolger Herschel-satelliet

In mei bereikte de Nederlandse zanger Waylon de finale van het Eurovisie Songfestival. Ongeveer tegelijkertijd haalden Nederlandse sterrenkundigen een andere Europese finale, wat overigens veel minder aandacht van pers opleverde. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA maakte bekend dat de infrarood missie SPICA een van de drie kandidaten is voor een subsidie van een half miljard euro. En de spil van deze aanvraag zit in Groningen: onderzoeker Peter Roelfsema.

^{Tekst: René Fransen}

Een jaar of twee geleden stuurde Peter Roelfsema een groot onderzoeksvoorstel naar de server van de ESA. ‘Het originele idee voor deze SPICA satelliet dateert al uit de jaren ’90, dus het had even geduurd. De totale kosten voor de missie zullen ongeveer een miljard euro bedragen, de helft daarvan hangt af van het ESA voorstel’, vertelt Roelfsema in zijn kantoor in het Kapteyn Gebouw op de Zernike Campus. Roelfsema is een van de trekkers van het project en het was zijn verantwoordelijkheid om te zorgen dat het voorstel op tijd klaar was. ‘Toen ik het uploadde voelde ik wel wat spanning.’

Stervorming

Het voorstel gaat over een gezamenlijke Europees/Japanse infrarood satelliet met de naam SPICA, die over iets meer dan tien jaar moet worden gelanceerd. ‘De satelliet heeft twee belangrijke doelen’, legt Roelfsema uit. ‘Het eerste doel is om de ontwikkeling van stervorming gedurende de geschiedenis van het universum te bestuderen.’ De eerste sterren vormden zich relatief kort na de Oerknal, maar dat proces verliep vrij traag. ‘Toen het universum ongeveer een miljard jaar oud was versnelde de stervorming. Die versnelling zette drie miljard jaar door, maar daarna begon de snelheid waarmee nieuwe sterren zich vormden weer af te nemen.’ Sterrenkundigen willen graag weten waarom dit gebeurde. ‘Wat verklaart die “leercurve” in stervorming? En wat zorgde voor de vertraging?’ Een van de belangrijkste instrumenten van SPICA zal een spectrometer zijn, SAFARI. Het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek SRON heeft de leiding bij het ontwikkelen van dit instrument. ‘En we hebben ruime ervaring in het coördineren van grote projecten. Daarom kregen wij een leidende rol in het project en kreeg ik de verantwoordelijkheid als Principal Investigator om het voorstel in te dienen.’ Roelfsema werkt voor SRON in Groningen, maar is ook verbonden aan het Kapteyn Instituut voor sterrenkunde van de RUG. Zijn leidende rol in SPICA kreeg hij zo’n negen jaar geleden.

Chemische vingerafdruk van sterrenstelsels

SPICA wordt een grote ruimtetelescoop voor infrarood licht. SAFARI is een van de instrumenten om dat licht te analyseren. ‘We maken daarmee een soort chemische vingerafdruk van sterrenstelsels die tot tien miljard lichtjaar van ons staan.’ Door licht van dit soort verre stelsels op te vangen kijken sterrenkundigen terug in het verleden: de lichtsnelheid is constant, dus licht dat er een miljard jaar over doet om de aarde te bereiken toont een stelsel zoals het er een miljard jaar geleden uitzag. Roelfsema: ‘De grote gevoeligheid van de telescoop maakt het mogelijk om routinematig sterrenstelsels te bestuderen uit de tijd dat het universum ongeveer drie miljard jaar oud was. En er zijn manieren om nog verder terug te kijken.’ De informatie over hoe de chemische samenstelling van sterrenstelsels veranderde tijdens de geschiedenis van het universum geeft een aanwijzing welke factoren belangrijk zijn voor de snelheid van stervorming. Dit soort onderzoek moet met infraroodlicht gebeuren, omdat stervorming plaatsvindt in stofwolken die zichtbaar- en ultraviolet licht blokkeren. ‘Dat soort licht kan de Hubble telescoop zien, net als zijn opvolger de JWST. Maar zij kunnen alleen de buitenkant van sterrenstelsels bestuderen, terwijl SPICA kan doordringen tot het binnenste ervan.’

Planeetstelsels

Het tweede doel van SPICA is om de vorming van planeetstelsels in onze eigen Melkweg te bestuderen. ‘Dat gebeurt in protoplanetaire schrijven, dus opnieuw in wolken stof. Ons belangrijkste doel is om de zogeheten sneeuwlijn te vinden, het punt waar water overgaat in ijs.’ De afstand van deze sneeuwlijn tot de ster in het stelsel geeft informatie over de thermodynamische processen rond planeetvorming. ‘Dit is al bestudeerd bij eerdere infrarood missies, zoals met de Herschel satelliet. Maar SPICA zal ongeveer honderd keer gevoeliger zijn, zodat we veel meer objecten kunnen meten. Dat geeft ons weer een grotere steekproef van zich ontwikkelende planeetstelsels, waardoor we een beter beeld krijgen van hoe die planeten zich vormen.’ Naast deze twee hoofddoelen zal SPICA ook het ‘afval’ bestuderen dat overblijft na planeetvorming. ‘Dit verzamelt zich in een ring aan de buitenrand van het planeetstelsel, in ons zonnestelsel heet dat de Oort wolk. Het bestuderen van dit afval leert ons weer iets over hoe planeten zich vormen en hoe systemen met exoplaneten zich verhouden tot ons eigen zonnestelsel.’

Nederlands aandeel in indrukwekkende reeks

De SPICA telescoop bouwt voort op een indrukwekkende reeks telescopen uit het verleden, waarin Nederland doorgaans een belangrijk aandeel had: IRAS, ISO en Herschel. Voor die laatste ruimtetelescoop bouwde SRON het instrument HIFI. Bij een andere missie, de Athena röntgen ruimtetelescoop, heeft SRON een coördinerende rol bij de ontwikkeling van de detectoren. ‘Wij hebben ervaring met dit soort projecten die weinigen kunnen evenaren’, zegt Roelfsema. Dat is de reden waarom SRON, als eerste Nederlandse onderzoeksinstituut ooit, is gevraagd de leiding te nemen bij een satellietmissie. Maar het blijft een uitdaging, legt Roelfsema uit. Een groot aantal instituten uit Europa, Japan, de VS en Canada nemen deel aan het project. ‘Het oorspronkelijke plan, van twintig jaar geleden, was dat de Japanse ruimteorganisatie JAXA de telescoop zou bouwen. Maar door problemen met de financiering is dat tot twee keer toe mislukt. Nu is de rol van JAXA kleiner.’

Ultragevoelige sensoren

SRON zal de ultragevoelige sensoren bouwen waarmee het infrarood licht wordt opgevangen. ‘Die werken bij een extreem lage temperatuur van 50 milliKelvin. Ze zijn zo gevoelig dat we de hele telescoop moeten koelen tot 8 graden Kelvin, dus min 265 graden Celsius, omdat anders de infrarood straling van de telescoop de detectoren zou overbelasten en het signaal uit de ruimte zou overstralen.’ De detectoren zitten, samen met de spectroscoop, in een doos van 1 bij 1 bij 0,5 meter. ‘Die hele doos wordt gekoeld tot 4 Kelvin en het deel met de detectoren krijgt nog eens extra koeling. Het koelsysteem is een van de grote uitdagingen van deze missie.’ Vergelijkbare koelingssystemen zijn al wel gebruikt in eerdere ruimtemissies, maar nooit op de schaal die nodig is voor SPICA. En de detectoren zijn al wel gebouwd, maar niet in de aantallen die nu nodig zijn. ‘We kunnen inmiddels prima losse detectoren maken, maar we hebben er drieduizend nodig op chips met elk 50 stuks.’ Er moet dus nog heel wat werk gedaan worden voordat SPICA de ruimte in kan. Dat is te zeggen: als dat gebeurt, want het project is een van drie finalisten bij ESA. En er is maar voor één winnaar geld. ‘Zonder de ESA financiering kan de missie niet doorgaan. Dan zou er dus geen opvolger zijn voor Herschel en moet een hele generatie sterrenkundigen het doen zonder een nieuwe infrarood missie.’ SPICA heeft nu drie jaar de tijd om zich te bewijzen voordat ESA een beslissing neemt. ‘Dat we in de finale zitten verandert wel de status van ons project en maakt het gemakkelijker om andere subsidies binnen te halen voor de ontwikkeling van de missie’, zegt Roelfsema. Dus gaan ze winnen, of verliezen ze net als Waylon? Roelfsema is vol zelfvertrouwen, zijn project staat als een huis. ‘Maar zoals ik al tegen mijn team heb gezegd, we kunnen alleen ons uiterste best doen om de concurrentie te verslaan. Verder is het in de handen van de jury.’ Over drie jaar weten we wat die heeft besloten.

Meer informatie

Peter Roelfsema