Johan Bleeker: Telescopen voor hoge-energie astrofysica

Het onderzoek in de hoge energie-astrofysica wordt in belangrijke mate gedaan met behulp van waarnemingen bij ultra-korte golflengte: de rontgen- en gammastraling. Het waarnemen van "kosmische licht" bij deze golflengten vereist telescopie vanuit de ruimte (de aardse dampkring is voor deze straling ondoorlaatbaar) met niet-conventionele afbeeldingstechnieken. In de rontgensterrenkunde wordt gebruik gemaakt van totale reflectie bij scherend invallende straling op een metaaloppervlak, dit leidt onvermijdelijk tot grote brandpuntsafstanden. Deze techniek is o.a. zeer succesvol toegepast in de sinds 1999 operationele rontgenruimtetelescopen XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA). Het principe zal worden toegelicht aan de hand van een nu lopende ontwerpstudie voor een toekomstig rontgen-ruimteobservatorium (XEUS) dat omstreeks 2020 op 1,5 miljoen km van de aarde in de ruimte moet worden geplaatst en bestaat uit twee in formatie vliegende ruimtesondes die tezamen de scherende-inval-telescoop vormen. De wetenschappelijke doelstellingen, zoals onderzoek naar de vorming van de eerste zware zwarte gaten in het heelal, aan de evolutie van heet gas in het kosmische web en het testen van de algemene relativiteitstheorie in het extreem sterke zwaartekrachtveld aan de rand van zwarte gaten, zullen worden toegelicht.

Telescopie bij kortgolvige (harde) rontgenstraling kan niet worden uitgevoerd met spiegeltechnieken, hiervoor wordt gebruik gemaakt van gecodeerde "schaduw-maskers". Deze techniek is zeer succesvol toegepast in de rontgencamera's aan boord van de BeppoSAX satelliet en in het ESA ruimteobservatorium INTEGRAL dat nu nauwkeurige waarnemingen uitvoert van de energieverdeling in kosmische bronnen van gammastraling. Telescopen voor het detecteren van zeer energetische (harde) gammastraling maken gebruik van technieken die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor onderzoek bij grote deeltjesversnellers (o.a. CERN). Het principe is gebaseerd op paarvorming, een interactieproces waarbij een "gammastralingsdeeltje" (foton) wordt omgezet in een positron-electron deeltjespaar. De meest geavanceerde versie van zo'n "paarvormingstelescoop" wordt dit jaar gelanceerd door NASA als de Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), het instrument weegt drie ton en is ontwikkeld in een samenwerking tussen hoge-energiefysici en -astrofysici. Het principe en de wetenschappelijke potentie van dit ambitieuze instrument zal kort worden besproken. Het gaat hier om de studie van de meest energetisch processen die in het heelal voorkomen, waaronder deeltjesversnelling in de sterke magneetvelden rond roterende neutronensterren ("pulsars"). Bovendien zal GLAST in een niet eerder geopend venster van het electromagnetisch spectrum zoeken naar signalen die mogelijk de samenstelling van de mysterieuze "donkere materie" in ons melkwegstelsel kunnen onthullen.