Röntgensatellit (ROSAT) was een satelliet met toch wat technische issues die een heel nieuwe kijk op het heelal verschafte. Alles, of toch bijna alles, zendt röntgenstraling uit was één van de vele ontdekkingen. Het doel van deze missie was een beter begrip krijgen over de oorsprong, structuur en evolutie van het heelal. ROSAT heeft de verwachtingen ruim overtroffen en in veel boeken over de hoogenergetische straling uit het heelal komt deze satelliet, of vermelding van de gegevens, dan ook vaak voor.
Planning, lancering en baan
ROSAT werd door het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching voorgesteld in 1975 en werd door de overheid goedgekeurd in 1983. Overeenkomsten met het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten van Amerika voor de instrumenten volgden. De bouw begon in 1983 en de integratie was voltooid eind 1985. Het werd ontworpen, gebouwd en bediend vanuit Duitsland. In het Goddard Space Flight Center bevond zich het U.S. ROSAT Guest Observer Facility (GOF). Er was naast het GOF ook een datacentrum in het SAO in Cambridge in de VS.
In de originele plannen stond een lancering met het ruimteveer, om na de missie weer te worden opgepikt, maar de ramp met de Challenger in 1986 wijzigde die plannen. Er zou moeten gewacht worden tot 1994, dus werd vanaf 1987 een andere oplossing gezocht. Een andere raket betekende aanpassingen aan de hardware voor de koppeling met de raket en ook nieuwe software (voor vlak na de ontkoppeling). Deze aanpassingen werden in 1988 voltooid en nieuwe testen volgden. Hij werd gelanceerd op 1 juni 1990 met een Delta II vanaf Cape Canaveral. De baan had een hoogte van 580 km, een inclinatie van 53° en de omlooptijd van 96 minuten. Het had een lanceergewicht van 2 426 kg, waarvan 1 555 kg voor de instrumenten. De vluchtleiding bevond zich in het German Space Operations Center (GSOC) in Oberpfaffenhofen en voor communicatie met de satelliet werd een schotelantenne van 15 meter in Weilheim gebruikt. Per dag was zes keer communicatie mogelijk gedurende zes tot acht minuten.
Lancering van de ROSAT ruimtetelescoop - Foto: MPE
De missie bestond uit twee fasen:
- twee maanden kalibreren gevolgd door zes maanden all-sky survey
- de rest van de missie waren gerichte observaties van uitgekozen objecten volgens de voorstellen, ook gekend als het Guest Observer Programme
Ongeveer 4 000 wetenschappers uit 26 landen dienden voorstellen in voor het waarnemen van 9 000 objecten. De objecten werden minimaal enkele uren tot maximaal twee weken lang bestudeerd. De indiener(s) van een voorstel had één jaar exclusieve toegang tot de gegevens. De survey liet door zijn rijkdom aan ontdekte bronnen (>85 000) statistisch onderzoek toe en door het grote beeldveld kon hij ook nabij, uitgebreide bronnen goed in beeld brengen. De vele bronnen boden ook inspiratie voor nader onderzoek in het tweede deel van de missie en omdat vele bronnen variabel zijn is hun detectie toen ook tegenwoordig nog van belang.
Een levensduur van achttien maanden was vooropgesteld met fondsen beschikbaar tot 60 maanden. Hij bleef functioneren tot hij op 12 februari 1999 werd uitgeschakeld, meer dan acht jaar na de lancering. Door de langzame inwerking van de atmosfeer op de satelliet, was de baan in september 2011 gezakt tot 270 kilometer. ROSAT keerde in de dampkring terug op 23 oktober 2011, in de oceaan ten oosten van India. Mogelijk zijn brokstukken intact gebleven tot ze het zeeoppervlak raakten, maar niemand heeft een waarneming van deze terugkeer gemeld.
In Duitsland waren de manager en hoofdwetenschapper M. Otterbein en Joachim Trümper. Program Scientist in de NASA was Alan N. Bunner.
Enkele voorgangers zijn Uhuru en de Einstein Observatory, opvolgers in willekeurige volgorde zijn onder andere Hinotori, Tenma, Ginga, Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics, Rossi X-ray Timing Explorer, Chandra X-ray Observatory, XMM-Newton, Suzaku, BeppoSAX, Swift Gamma Ray Burst Explorer, NeXT, International Gamma Ray Astrophysics Laboratory, Compton Gamma Ray Observatory, EXOSAT, COS-B en Nuclear Spectroscopic Telescope Array.
Opbouw en instrumenten
Er waren twee telescopen die naast elkaar functioneerden en twee verschillende instrumenten. De telescopen waren de Duitse X-Ray Telescope (XRT) en de Britse Wide Field Camera (WFC). De spiegel van de XRT was geen klassieke spiegel, maar een set van concentrische ringen waarlangs de straling onder lage hoek passeerde, op weg naar het brandpunt, de zogenaamde Wolter I-optiek. Deze ringen waren vervaardigd uit Zerodur en bedekt met een laagje goud om de röntgenstraling af te ketsen (zoals een steen over het water) en niet te absorberen, wat bij een gewone spiegel zou gebeuren. De optiek had een diameter van 84 cm en een brandpuntsafstand van 240 cm. Het scheidend vermogen was minder dan 5 boogseconden. De XRT was gevoelig voor energieën van 0,1 tot 2 kiloelektronvolt (keV). Het Duitse Dornier (nu EADS Astrium in Friedrichshafen) was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de satellietstructuur, de bouw en de integratie van de instrumenten en het testen. Het MPE ontwikkelde de instrumenten voor de XRT en was het datacentrum dat instond voor opslag en analyse. De NASA leverde de High Resolution Imager, ontwikkeld door het Smithsonian Astrophysical Observatory.
Het Britse Science and Engineering Research Council (SERC) leverde de Wide Field Camera. De WFC werd ontwikkeld door de University of Leicester en detecteerde extreem ultraviolette straling. De spiegels hier waren van aluminium, ook bedekt met een laagje goud. De WFC was parallel met de XRT opgesteld. Hij was gevoelig voor energieën van 0,042 tot 0,21 keV.
Er waren twee verschillende instrumenten: twee Duitse Position Sensitive Proportional Counters (PSPC) en de Amerikaanse High Resolution Imager (HRI). Voor de werking van de PSPCs was gas aan boord.
De ROSAT satelliet ondergaat de laatste tests - Foto: MPE
Hierna volgen enkele (negatieve) mijlpalen in de geschiedenis, maar zeker niet alle technische problemen worden hier opgesomd.
Het eerste object dat door de PSPC in beeld werd gebracht was de Grote Magelhaense Wolk op 16 juni 1990. De volgende dag maakte de WFC zijn eerste opname. De HRI volgde op 1 juli 1990 met een opname van Cygnus X-2, toen ook de WFC problemen kreeg. Op 30 juli 1990 begon de all-sky survey met de PSPC-C. De stervolger 2 faalde op 8 september 1990 helemaal nadat al eerder problemen waren opgedoken. Daar bovenop kwamen eind december 1990 gedurende vijf dagen problemen met een gyroscoop. Met de survey zo goed als voltooid deed zich op 25 januari 1991 een probleem voor waardoor de satelliet zo'n 15 uur tuimelde. Er werd schade opgelopen aan PSPC-C en een filter van de WFC die de Zon per ongeluk scanden. Observaties om de survey te voltooien werden pas in august 1991 uitgevoerd. De eerste reeks van gerichte waarnemingen begon op 8 februari 1991 met de PSPC-B. In april 1991 had hij in twee keer vijf dagen problemen met de standregeling. Het opladen van nieuwe software lukte niet meteen en gingen nog eens vier dagen observatietijd verloren. Midden mei 1991 merkte men dat de WFC systematisch minder deeltjes observeerde dan verwacht. In juli 1991 raakte de verbinding met de satelliet verbroken en deze werd enkele dagen later hersteld. Alweer een probleem met een gyroscoop deed zich voor op 6 februari 1992 en vereiste een aanpassing van de software. Door een probleem met een stervolger op 10 januari 1993 duurde het van dan af langer om te richten op het volgende doel. Sommige waarnemingen werden daardoor ingekort en een aantal werd geschrapt. In mei 1993 werd duidelijk dat de gyroscoopfouten veroorzaakt werden in het werkgeheugen van de satelliet. Een gyroscoop begaf het helemaal op 18 november 1993. De satelliet ging in veilig modus. Exact een maand later trad weer een safe mode van vier dagen op. De dagen rond de jaarovergang van 1993 naar 1994 waren niet zorgeloos: de satelliet dreef af van het gewenste object en kwam in veilige modus. Onderzoek wees uit dat de nieuwe procedures na de fout van de gyroscoop een rol speelden. Door een zonsverduistering op 3 november 1994 kwam de satelliet ook even in veilige modus. Een fout met de primaire stervolger op 25 april 1998 leidde tot richtfouten en oververhitting. Er kon overgeschakeld worden op de stervolger van de WFC. Enkele maanden later, op 20 september 1998, liep hij ernstige schade op doordat een reactiewiel de satelliet onvoldoende kon aansturen om te draaien. De HRI werd als gevolg daarvan zo goed als op de Zon gericht. Op 8 december 1998 werd de PSPC-B terug in het brandpunt gebracht, voor het eerst sinds 1994, voor de laatste waarnemingen tot het gas op was. In 2008 bleek na onderzoek dat de fout in september 1998 het gevolg kan zijn geweest van een cyber-aanval op het Goddard Space Flight Center.
Eens operationeel, met uitgevouwen zonnepanelen, had het afmetingen van 2,30 m x 4,70 m x 8,90 m. De drie zonnepanelen hadden samen een oppervlakte van 12 vierkante meter en leverden 1 000 W, waarvan maximaal 609 W nodig was.
Resultaten
De wetenschappelijke nalatenschap was enorm, getuige daarvan de ongeveer 8.500 publicaties tot op heden. ROSAT ontdekte dat bijna alle sterrenkundige objecten röntgenstraling uitzenden, zelfs deze waarvan het niet verwacht werd.
In grote lijnen zijn dit de belangrijkste verwezenlijkingen:
- het eerste onderzoek van de hele hemel in röntgenstraling, wat meer dan 100 000 bronnen opleverde,
- de oplossing van de röntgenachtergrondstraling in individuele bronnen,
- de waarneming en analyse van heet gas in clusters van sterrenstelsels,
- de studie van supernovaresten,
- de ontdekking van zeer zachte röntgenbronnen in de Grote Magelhaense Wolk,
- de verrassende ontdekking van röntgenstraling van kometen,
- pulsars zijn complexer dan gedacht,
- de ontdekking van middelzware zwarte gaten.
De onderzoekingen van het zonnestelsel bleken soms zelfs revolutionair, zoals de ontdekking van röntgenstraling van kometen, en hij heeft aangetoond dat zelfs in het zonnestelsel onderzoek in röntgenstraling interessant is.
Men wist al dat Jupiter vooral vanaf de polen röntgenstraling uitzond, maar er is vastgesteld dat variaties daarin grotendeels overeenkomen met variaties die al veel beter zijn onderzocht in ultraviolette straling. Bovendien vond met in het Jupitersysteem andere bronnen van röntgenstraling zoals vanuit de equatoriale zone en straling verband houdend met de maan Io. Een leuke bonus in de waarnemingen waren de inslagen van de brokstukken van de komeet Schoemaker-Levy 9 op Jupiter.
Eén van de meest opwindende ontdekkingen was deze van röntgenstraling van de komeet Hyakutake toen die op 15 miljoen km van de Aarde passeerde. De flux aan deeltjes was zowat 400 keer meer dan de meest optimistische voorspellingen. Deze straling was bovendien zeer variabel in de loop van slechts uren. Minstens drie andere kometen bleken ook röntgenstraling uit te zenden.
Zowat 25% van de tijd onderzocht ROSAT sterren zoals sterrenhopen en sterassociaties, compacte samenballingen, protosterren in stofwolken (ook protosterren met lage massa's zenden röntgenstraling uit) en dubbelsterren. Twee vaststellingen worden hier vermeld: de enige verklaring voor de waarnemingen van de ster Theta 1 Ori C, de helderste van het Trapezium in de Orionnevel, geheel tegen wat men van O-sterren wist, is dat de ster een zeer grote magnetosfeer heeft. Uit waarnemingen van Eta Carinae (één van de zwaarste sterren in het Melkwegstelsel) bleek dat hij niet alleen een bron is van röntgenstraling (was al bekend), maar dat die bovendien variabel is. In een paar jaar tijd bleken de structurele verschillen groot.
Uit de studie van bolvormige sterrenhopen bleek dat zwakke röntgenbronnen veel meer voorkomen dat heldere bronnen, maar ook dat die zwakke bronnen zeer variabel zijn. Deze manier van het bestuderen van bolhopen onthulde veel over de dynamica van sterren in de bolhopen en hun geschiedenis. In de bolhoop M71 zijn helemaal geen (zwakke) röntgenbronnen ontdekt.
De kennis van compacte galactische objecten zoals cataclysmische variabelen zette een grote stap voorwaarts. Zo nam met ROSAT de groep van bekende AM Herculi-sterren toe en bleek een eerder gebrek aan sterren met een bepaald type accretieschijf een selectie-effect te zijn. Hij wees ook op het bestaan van bijvoorbeeld bronnen van zeer zachte röntgenstraling (later toegewezen aan witte dwergen). Van alle objecten konden zeker neutronensterren, met hun extreme omstandigheden en straling, niet ontbreken. Voor ROSAT waren slechts enkele alleenstaande neutronensterren bekend. Het mysterie rond bijzondere ster Geminga werd ontrafeld: een radio-stille eenzame neutronenster van middelbare leeftijd. Geminga is bijzonder omdat bijna alle energie in gammastraling wordt uitgezonden, gevolgd door een duizendmaal zwakkere röntgenstraling en een nog eens duizendmaal zwakkere visuele straling. De Vela-pulsar bleek ook pulsen van röntgenstraling uit te zenden en heeft een jet. ROSAT was in de studie van pulsar belangrijk omdat vele nieuwe werden ontdekt en dat hun gedragingen en interactie met de omgeving kon worden bestudeerd. Deze objecten werden ook gevonden in supernovaresten.
Röntgendubbelsterren komen vaker voor in het vlak van het Melkwegstelsel en worden daardoor vaak door stof verduisterd en minder waargenomen. Er zijn periodes opgemeten die meer kunnen vertellen over hun vorming.
Ook supernovae en hun resten passeerden voor de ogen van ROSAT en dat leverde belangrijke inzichten op over hun ontstaan en evolutie en hun invloed op het interstellair medium. Zo blijken de vele supernovaresten bijvoorbeeld voor een achtergrond van röntgenstraling te zorgen. De supernova die in de Grote Magelhaense Wolk optrad en bij iedereen bekend is als SN 1987A werd ook onderzocht. Men wilde zeker graag de interactie van de ontplofte ster met eerder uitgestoten materiaal bestuderen. De röntgenstraling van de jonge supernova SN 1978K in NGC 1313 bleek bijzonder constant. Van de supernovaresten Tycho en Cas A kon de uitdijing in röntgenstraling worden vastgesteld. De Cygnus Loop, waarvan de Sluiernevel deel uitmaakt, is gedurende een miljoen seconden in beeld gebracht. Dat liet een goede vergelijking in de vorm in zichtbaar licht en röntgenstraling toe. Supernovaresten werden ook uitgebreid opgezocht en bestudeerd in de Magelhaense Wolken.
De studie van objecten in nabije sterrenstelsels is ook belangrijk om een brede kijk te krijgen op alle mogelijke bronnen van röntgenstraling. In het Melkwegstelsel kunnen bepaalde types bronnen moeilijk te besturen zijn door galactische absorptie.
Het sterrenstelsel NGC 1313 is in de loop der jaren ongeveer 33 uur waargenomen. Er zijn elf discrete bronnen in ontdekt. Zoals al eerder vermeld is ook de SN 1978k onderzocht. In het centrum van het Andromedastelsel (M31) zijn tijdens een eerste waarnemingssessie van 13 minuten 86 bronnen ontdekt. Uit vergelijking met de waarnemingen van Einstein bleek ongeveer 42% ervan variabel is.
In de studie van Seyfertstelsels, quasars, radiosterrenstelsels en blazars werd vooral gekeken naar de variabiliteit en de morfologie en werd gezocht naar zwakke objecten. Een voorbeeld van een uitgebreide studie was deze van 3C390.3, die elke drie dagen gedurende negen maanden werd bekeken. Daaruit kon onder andere worden opgemaakt dat variabiliteit in röntgenstraling niet dezelfde grootte en frequentie had als in zichtbaar licht.
Bij de clusters van sterrenstelsels werd bijvoorbeeld de Herculescluster gedetailleerd vastgelegd. Zo viel onder andere op dat de radiostraling en röntgenstraling niet dezelfde oorsprong hebben. Soms kon ROSAT clusters van sterrenstelsels ontdekken die verantwoordelijk waren voor een gravitatielens die men al eerder kende.
Met de afkorting 1RXS wordt in de literatuur verwezen naar de 1st ROSAT X-ray Survey. Het bevat alle objecten die ROSAT in röntgenstraling kon detecteren en kan op internet geraadpleegd worden.
Meer info:
- The ROSAT Mission: http://www.mpe.mpg.de/xray/wave/rosat/index.php?lang=enROSAT
- Guest Observer Facility: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/rosat/sen_rev.html
- Important ROSAT dates: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/rosat/rosat_history.html
- Catalog of the ROSAT Catalogs: http://www.xray.mpe.mpg.de/~jer/rosat/cats/catcat.html
