Vanaf circa 1990 begon brak een gouden periode aan voor sterrenkundig onderzoek in gammastraling dankzij het werk van enkele bijzondere ruimtetetelscopen. Granat was een (Sovjet-)Russische satelliet, met een belangrijke Franse inbreng, die onderzoek verrichte op vlak van gammastraling en röntgenstraling. Deze ruimtetelescoop werd op 1 december 1989 in de ruimte gebracht en bleef tot 1998 operationeel.
Planning, lancering en baan
Wanneer de plannen voor deze missie ontstonden is niet zeker, maar het kan een Russisch antwoord geweest zijn op de plannen die de VS in de jaren 1970 hadden met hun vier Great Observatories (waaronder de Hubble Space Telescope). De Sovjet-Russische plannen werden in 1986 voorgesteld in Toulouse. Granat was de laatste van de satellieten van het type Venera, geproduceerd door het Sovjet-Russische Lavochkin en was gebaseerd op een Mars orbiter. Het leek op de Astron (1983 – 1989) en werd daarom soms Astron 2 genoemd. Hij werd op 1 december 1989 met een Proton gelanceerd vanaf Bajkonoer. De missie werd gebouwd voor een levensduur van acht maanden, maar dat werd bijna tien jaar.
De initiële baan was een zeer elliptische baan met een perigeum op 1.760 km en een apogeum op 202.480 km. De inclinatie was 51,9°. De satelliet deed er vier dagen over om één omloop te voltooien, tijdens drie van de vier dagen werd er waargenomen. De vierde dag passeerde de satelliet door de Van Allen-gordels. Onder de 60.000 km was er aanzienlijke achtergrondruis in de detectoren. De storende invloed van de Zon en de Maan op de baan zorgde ervoor dat de inclinatie toenam en de excentriciteit afnam. Vijf jaar na de lancering was het perigeum gestegen tot 59.025 km, het apogeum gezakt tot 144.550 km en de inclinatie was 86,7°.
Granat staakte zijn uitzendingen op 27 november 1998 en keerde in de dampkring terug op 25 mei 1999. Die uitzendingen gebeurden met een snelheid 3.073 bytes per seconde. Aan boord was een geheugen van 150 MB. Na drie maanden uittesten begonnen de waarnemingen op 11 maart 1990.
Granat overtrof met zijn waarnemingen deze van de Celestial Observation Satellite-B (1975) en werd op zijn beurt overtroffen door het International Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL)(2002 – ). Ongeveer gelijktijdig met Granat observeerde de Amerikaanse Compton Gamma Ray Observatory (1991 – 2000). Met Rusland (Sovjet-Unie) waren naast Frankrijk ook Denemarken en Bulgarije partners in het project.
De missie begon als een project van de Sovjet-Unie en eindigde in de handen van Rusland. Het uiteenvallen van het land had twee belangrijke gevolgen: 1) het belangrijkste controlecentrum lag opeens in het Oekraïense Jevpatoria op de Krim. Het contact gebeurde via een radiotelescoop van 70 meter. Het feit dat de Oekraïne onafhankelijke werd en de sterke band van de Krim met de Russische Federatie zorgde voor politieke obstakels. (Rusland annexeerde de Krim op 16 maart 2014). 2) Het belangrijkste probleem was echter de voortzetting van de financiering van de missie. De Franse ruimtevaartorganisatie subsidieerde het verdere operationele leven van Granat. De wetenschappelijke belangen waren immers groot. Het jaar met de grootste financiële zorgen was 1997.
Hij voerde vier jaar gerichte waarnemingen uit. Daarbij werden vele galactische en extragalactische röntgenbronnen gedetecteerd. De nadruk lag echter op de regio van het centrum van het Melkwegstelsel. Hij begon op 30 september 1994 het waarnemen in survey-modus, omdat de gasvoorraad voor de standregeling op was. Elke zes maanden passeerde de hele hemel langs de detectoren. De bouw werd geleid door Rashid A. Sunyaev (1943 – ). Granaat is een soort gesteente, een silicaat.
Opbouw en instrumenten
De satelliet had een cilindrische vorm en was groot, met zijn lengte van 6,5 meter en een spanwijdte tussen de uitersten van de zonnepanelen van 8,5 meter. De twee zonnepanelen leverden energie, de instrumenten vereisten ongeveer 400 W. Het geheel had een lanceergewicht van ongeveer 4,4 ton, waaronder 2,3 ton voor de instrumenten. Hij was op drie assen gestabiliseerd. In de centrale computer waren de posities van vijf referentiesterren voorgeprogrammeerd om zichzelf te kunnen oriënteren.
Aan boord bevonden zich zeven instrumenten die in twee types konden worden ingedeeld: 1) de drie telescopen SIGMA, ART-P en ART-S met een klein beeldveld, die puntbronnen bestudeerden met energieën van 3 keV tot 1,3 MeV en 2) de detectoren PHEBUS, KONUS-B, TOURNESOL en WATCH die de hele hemel in het oog hielden op zoek naar plotse fenomenen zoals gammabursts. De vier belangrijkste instrumenten waren SIGMA, ART-P, WATCH en PHEBUS.
Het hoofdinstrument was het Franse SIGMA. Het kon zowel harde röntgenstraling als zachte gammastraling waarnemen. Deze had een lengte van 3,5 m, een diameter van 1,2 meter en een massa van ongeveer 1.000 kg. SIGMA werkte zonder problemen van februari 1990 tot oktober 1997. Het werd gebouwd door een samenwerking van het Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR) in Toulouse en CEA in Saclay, beide onder contract van het CNES. Het observeerde in het energiebereik van 35 keV tot 1,3 MeV. Het verrichte hoge-resolutie fotografie en kon ook spectra en tijdmetingen uitvoeren. De maximale scheiding was 10 boogminuten. Het beeldveld was 4,45 bij 4,20 graden.
Het was de eerste ruimtetelescoop die een 'coded mask' gebruikte. Het is een dik vierkant uit absorberend materiaal, dat op pseudo-willekeurige plaatsen openingen bevat. Het wordt voor de detector geplaatst en helpt om een beeld van de hemel te vormen. Lenzen en spiegels kunnen immers geen beeld vormen van hoogenergetische straling, het gaat er door of wordt geabsorbeerd. Het gebruik van de techniek in SIGMA was zeer succesvol.
De röntgentelescoop ART-P (Astronomie Röntgen Telescope) was de verantwoordelijkheid van het Russische Instituut voor ruimteonderzoek (IKI) in Moskou. Het werkte in het energiegebied van 4 tot 60 keV voor het maken van beelden en in het energiegebied van 4 tot 100 keV voor spectroscopie en tijdopmeting. De vier identieke modules van de telescoop hadden elk een beeldveld van 1,8° bij 1,8°. Het scheidend vermogen was vijf boogminuten. Het instrument had een gevoeligheid van 1 milliCrab, bij opnames van 8 uur. Ook de ART-S is gebouwd door het IKI. De spectrometer werkte in het energiegebied van 3 tot 100 keV. Het beeldveld was 2° bij 2°.
Het Franse Tournesol bestond uit vier proportionele tellers en twee optische detectoren. Het beeldveld was minimaal 5° bij 5°. De vier modules werkten in het energiebereik van 2 keV tot 20 MeV (dat is zowel röntgenstraling als gammastraling). Het instrument nam spectra van de vluchtige gebeurtenissen en zocht in zichtbaar licht naar sporen van die gebeurtenissen die in hogere energieën werden opgemerkt. ART-S en Tournesol werden door hun problemen niet gebruikt voor astrofysisch onderzoek. De PHEBUS (Payload for High Energy BUrst Spectroscopy) van het CESR moest plotse gebeurtenissen in het energiegebied van 100 keV tot 100 MeV vastleggen. De twee onafhankelijke detectoren werkten in 118 kanalen.
De Russische KONUS-B, van het Ioffe Instituut in Sint-Petersburg, bestond uit zeven detectoren, gevoelig voor fotonen met energieën van 10 keV tot 8 MeV (dat is zowel röntgenstraling als gammastraling). De zijkanten van de detector waren voor afscherming omgeven door 5 mm lood. Het instrument werkte van 11 december 1989 tot 20 februari 1990 en was in die tijd 27 dagen in gebruik. Phebus en Konus-B hadden detectoren over de hele satelliet, om een zo goed mogelijke dekking van de hele hemel te realiseren.
De vier instrumenten van de WATCH hadden als taak de hemel continu in het oog te houden en andere instrumenten op de hoogte te brengen van nieuwe of interessante röntgenbronnen. Ze werden operationeel in januari 1990. Ze zijn ontworpen en gebouwd door het Danish Space Research Institute. De positie van bronnen met een energie van 6 tot 180 keV werd met een nauwkeurigheid van 0,5° bepaald. De drie beeldvelden van het instrument konden samen ongeveer 75% van de hemel in het oog houden. Op rustige momenten mocht het instrument langer fotonen van eenzelfde bron ontvangen dan bij een uitbarsting.
De centrale computer liet het kort na de lancering afweten, maar de vluchtleiding trok zich goed uit het slop. In 1999 kon de satelliet nog over één zender beschikken en dat raakte na 20 minuten oververhit, waarna moest gewacht worden tot die was afgekoeld.
Resultaten
- Een zeer gedetailleerde opname van de omgeving van het galactisch centrum in röntgenstraling werd in 1998 vrijgegeven nadat het ongeveer 1 388 dagen werd geobserveerd tussen 1990 tot 1997. Er zijn heldere bronnen op te zien, maar het galactisch centrum zelf is daar niet bij. Het was bij de waargenomen energieën dus gewoon niet zichtbaar of bijzonder rustig. De regio is minstens vijfmaal gedurende drie opeenvolgende weken bekeken, meer naar het einde van de gerichte waarnemingsfase van de missie toe. Er werden drieduizend objecten bestudeerd in twee jaar. Een belangrijke ontdekking was deze van variabele bronnen in de regio.
- Met de ART-P zijn vijf compacte röntgenbronnen gevonden binnen 100 parsec van het centrum van het Melkwegstelsel, waaronder een zwakke variabele bron dat harde röntgenstraling uitzendt en op minder dan een boogminuut van de radiobron Sgr A* staat. De geproduceerde kaart van het gebied rond het centrum komt goed overeen met de verdeling van moleculaire wolken.
- In de beginjaren bestudeerde Granat onder andere Seyfertstelsels, radiosterrenstelsels, quasars en clusters en ook bekende bronnen zoals M87, de Virgocluster, 3C 273, Centaurus A, NGC 4151 en de supernovarest 1987A.
- Granat heeft ook aan het onderzoek van de Zon bijgedragen door zonnevlammen te observeren. Konus-B heeft er een zestigtal waargenomen.
- Granat ontdekte op 15 augustus 1992 GRS 1915+105, het zwaarste stellair zwart gat in het Melkwegstelsel. De massa is 14 ± 4 zonsmassa's. Hij vormt met een andere ster een dubbelster op een afstand van ongeveer 40 000 lichtjaar in de richting van de Adelaar. Waarnemingen met radiotelescopen toonden nadien lobben die schijnbaar sneller dan het licht voortbewogen. Een team geleid door Jeffrey McClintock en Ramesh Narayan (beide Center for Astrophysics) rapporteerde op 20 november 2006 in het Astrophysical Journal dat het zwart gat maar liefst 950 omwentelingen per seconde uitvoert. GRS staat voor 'Granat source'.
- In acht jaar ontdekte Granat een twintigtal nieuwe röntgenbronnen, m.a.w. kandidaat zwarte gaten en neutronensterren.
- Op 13 oktober 1990 observeerde Granat een 15 uur durende uitbarsting van IE1740.7-2942. Het bleek een annihilatie van elektronen en positronen te zijn, de gebeurtenis kreeg de bijnaam 'de grote annihilator'. Deze gebeurtenis werd onder andere besproken in ESO's Messenger nummer 70 van december 1992.
- Zwarte gaten werden uitgebreid bestudeerd zoals Cygnus X-1, GX 339-4 en GRS 1124-684 en nieuwe kandidaten werden ontdekt. Nieuwe inzichten in verband met de accretieschijf werden verkregen.
- Door waarnemingen met Granat konden de rotatieperiodes van 16 röntgenpulsars bepaald worden en deze lagen tussen 0,71 en 677 seconden. Ook bleek de rotatieperiode te kunnen toe- en afnemen.
- Verdere hoogtepunten zijn onder andere de ontdekking van verhelderende röntgenpulsars, de detectie van röntgenbursts van neutronensterren en de ontdekking van zeven röntgennovae.
- Phebus heeft 208 gammabursts waargenomen en KONUS-B 19.
