Beelden uit de Ruimte

Sterrenkundigen willen steeds scherpere beelden van sterrenstelsels en nevels krijgen. Hoe scherper de foto's hoe verder we kunnen terugkijken in de tijd, tot bijna aan de oerknal, 13 miljard jaar geleden, aan toe.
De aardse telescopen zijn steeds beter geworden, maar de atmosfeer rond de aarde maakte de beelden bijna altijd onscherp door de beweging in de atmosfeer. Dit veroorzaakt het twinkelen van sterren. Leuk, maar onbruikbaar.
Al lang speelde men met het idee om een grote telescoop in de ruimte te brengen. Dit werd pas waarheid in 1990, toen de Large Space Telescope (LST) door de Spaceshuttle in de ruimte werd gebracht. De grote telescoop vulde bijna het hele vrachtruim van de Shuttle. Na de lancering kreeg de LST de naam "Hubble Space Telescope" of HST, genoemd naar de grote Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble, die ontdekte dat alle sterrenstelsels zich van elkaar af bewegen.

Aardse telescopen konden tot 2 miljard lichtjaar jaar terug in de ruimte kijken. De Hubble telescoop maakte veel scherpere foto's en kon 13 miljard jaar "ver" zien. De HST beschikte bij de lancering over vijf instrumenten die de waarnemingen konden doen.

Al heel snel na de ingebruikname van de telescoop bleek dat hij niet scherp was. De spiegel was bij de fabrikant Perkin-Elmer niet zuiver geslepen. Eigenlijk was hij te vlak. Hoewel niet veel, want de afwijking bleek maar 2 micron (twee duizendste millimeter) te zijn. Maar bijna leek de 2,5 miljard dollar voor het project weggegooid geld te zijn. Er werd onderzoek gedaan (ook aan de meetinstallatie waarin de spiegel op Aarde getest was) en daarna werd er een oproep gedaan aan de industrie om een oplossing te bedenken.

Die oplossing kwam van Murk Bottema, een Nederlandse natuurkundige die bij het Amerikaanse Ball Aerospace in Colorado werkte. Eigenlijk was hij al met pensioen, maar keerde weer terug en bedacht de oplossing. Een stelsel van spiegeltjes kon de fout van de hoofdspiegel van de telescoop opheffen. Dit instrument werd Corrective Optics Telescope Axial Replacement genoemd, of korter: COSTAR. Het werd in 1993 in de Hubble telescoop geplaatst en daardoor moest een van de minst gebruikte instrumenten verdwijnen. Na deze operatie, waarbij een Spaceshuttle dicht bij

de telescoop moest manoeuvreren, werd de COSTAR geplaatst. Op de foto rechts kun je zien dat de instrumenten units in de Hubble heel groot zijn. Afmeting telefooncel...

Inmiddels zijn de telescopen op aarde ontzettend verbeterd. De storingen door de aardatmosfeer zijn uitgeschakeld door gebruik te maken van laserstralen die de ruimte instralen. De mate van vervorming van dat teruggekaatste laserlicht wordt in computers gebruikt om de spiegel van de telescoop te "vervormen" en op die manier een aanpassing te krijgen die de vervorming door de onrustige aardatmosfeer opheft. Dit heet Adaptic Optics (AO). Toch heeft de Hubble hier een groot voordeel want AO werkt maar bij bepaalde golflengten van het licht en bovendien maar voor een bepaald gedeelte van de spiegel. De HST geeft een scherp beeld in alle golflengten van ultraviolet via zichtbaar licht tot het nabije infrarood.

Ook kan men nu op aarde het licht dat door meerdere telescopen wordt opgevangen, combineren. Zo verkrijgt men kunstmatig enorme spiegeloppervlakten. Afhankelijk van welke objecten er moeten worden waargenomen, is in het ene geval de HST de beste keuze, en in een andere situatie een moderne aardse telescoop.

De HST is veel duurder uitgevallen dan vooraf werd berekend doordat er grote vertragingen waren en aanpassingen, zoals COSTAR. Er waren oorspronkelijk vier service missies gepland, waarbij astronauten vanuit de Space Shuttle instrumenten en onderdelen zouden vervangen. Het zijn er uiteindelijk vijf geworden. Die vijf vluchten waren hoofdzakelijk gewijd aan HST, zodat die vluchten het uiteindelijk een heel dure missie maakten. Vanwege die hoge kosten doet het Europese ESA ook voor 15% mee, waarbij de Europese sterrenkundigen ook waarnemingstijd kochten.
Om dit heel dure project aan de belastingbetalers te kunnen "verkopen" worden er prachtige opnamen vrijgegeven, met als doel regelmatig in het nieuws te komen. Hierbij worden ook amateur astronomen ingezet.

De lancering vond plaats op 24 april 1990 vanuit de Space Shuttle Discovery (vlucht STS-31). De telescoop bevind zich in een cirkelvormige baan van 559 km hoogte en de omloop periode is 96 - 97 minuten. Deze gegevens liggen niet vast. De HST scheert vlak boven de buitenste lagen van onze atmosfeer. In tijden dat de zon actief is, zetten deze lagen uit zodat deeltjes van de atmosfeer verder boven het aardoppervlak komen te liggen. Dit remt na verloop van tijd de HST af zodat de baan lager komt te liggen. Met als gevolg dat de omlooptijd om de aarde korter wordt.

De massa van de HST is 11.110 kg. (Dit wisselde nogal eens, door de vervanging van de instrumenten). De telescoop is van het Ritchey Chretien type, waarbij de hoofdspiegel in het midden een opening heeft. De rest van deze spiegel kaatst het licht naar een secundaire spiegel die het licht door de opening van de hoofdspiegel werpt. Dit type telescoop is korter, doordat de stralengang "gevouwen" is. Het slijpen van de spiegels voor dit type is wel gecompliceerder.
De totale lengte is 13,2 m, de diameter van de hoofdspiegel is 2,4 m (dit werd eigenlijk bepaald door de grootte van het Space Shuttle vrachtruim).

De HST zoals hij zich nu in de ruimte bevindt.
Rechts de klep die de opening van de telescoop kan afsluiten.
Daarna komt de in isolerende folie verpakte telescoopbuis.
De hoofdspiegel bevind zich ter hoogte van de ring, net achter de stangen van de zonnepanelen.
De grote bus achter bevat de waarnemingsinstrumenten en apparatuur die nodig is voor de huishouding van de satelliet, de telecommunicatie, de opslag en verwerking van gegevens, computers, enz.

Een opengewerkte tekening waarbij alle onderdelen uit elkaar getrokken zijn.
Optical Telescope Assembly Primary Mirror and Main Ring is de hoofdspiegel. Daarachter bevinden zich de waarnemingsinstrumenten en COSTAR.

De geschiedenis van de HST gaat ver terug. In 1946 deed de astronoom Lyman Spitzer al een voorstel. Naar hem is later de grote infrarood ruimtetelescoop genoemd.
Bij het ontwerpen van de HST moesten er veel problemen worden overwonnen. Bij elke omloop komt de telescoop zowel in het felle zonlicht als in de koude schaduw van de aarde. Die zonnestraling komt ook nog van één kant, zodat de telescoop en de zonnepanelen voortdurend willen buigen. Door een groot deel van de belangrijkste structuur van de telescoopbuis van koolstof-epoxy stangen te maken (Truss in de opengewerkte tekening) heeft men dit voor een belangrijk deel kunnen opheffen. De zonnepanelen hebben echter altijd last gehad van een heel langzaam "fladderen".

De HST heeft een uitgebreide veiligheidsvoorziening, want de telescoop mag nooit per ongeluk op de zon en zelfs de maan gericht worden, omdat de instrumenten aan boord zeer gevoelig zijn. Ook waarnemingen die te veel in de richting van de zon plaatsvinden zijn uitgesloten.

De HST zou oorspronkelijk in 1983 gelanceerd worden. Door allerlei problemen werd dit steeds uitgesteld. Uiteindelijk zou de HST eind 1986 gelanceerd worden. Het ongeluk met de Space Shuttle Challenger zorgde weer voor jaren uitstel, waarbij de opslag van de HST (in stikstof atmosfeer en onder elektrische spanning) 6 miljoen per maand kostte.
Toen de HST in 1990 gelanceerd werd waren er vijf instrumenten aan boord:

1 Wide Field and Planetary Camera (WF/PC) om grote delen van de hemel te kunnen fotograferen, maar ook opnamen te kunnen maken van de planeten.
Dit instrument diende om opnamen te kunnen maken in het zichtbare licht en was gebouwd door het Jet Propulsion Laboratory. Door 48 filters te gebruiken kon men opnamen maken in verschillende spectrale banden. M.a.w.: men kon de sterrenhemel in heel kleine stukjes van het spectrum waarnemen. Dit instrument bevatte 8 CCD chips; vier voor de WF en vier voor de PC.

2 Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS). Dit was een spectrograaf om ultraviolette straling (UV) waar te nemen. Zo'n spectograaf maakt geen beelden,

maar verzamelt licht van een ster of een sterrenstelsel. Van de waargenomen straling wordt een grafiek gemaakt, die de sterkte van de straling weergeeft in de verschillende golflengten. Rechts staat een voorbeeld. Zo'n grafiek (spectogram) geeft weer een beeld van de samenstelling van de ster, het gas of het sterrenstelsel. Als meetinstrument werd een Digicon gebruikt. Digicons zijn zeer gevoelige halfgeleiders die zeer zwakke objecten kunnen waarnemen.

3 Faint Object Camera (FOC). Dit instrument werd gebouwd door de ESA en kon de scherpste foto's maken. Het instrument werd gebruikt voor UV waarnemingen. Er werden geen CCD's gebruikt, maar Digicons. Door de aard van de Digicons, met slechts enkele sensoren, moet dit een scansysteem geweest zijn.

4 Faint Object Spectrograph (FOS), gebouwd door Martin Marietta (Nu Lockheed Martin). Ook dit instrument werkte met Digicons en was een heel gevoelige spectograaf in het UV gebied.

5 High Speed Photometer (HSP), gebouwd door de University of Wisconsin-Madison. Het was geoptimaliseerd voor zichtbaar en UV straling en moest veranderlijke sterren en andere objecten die een wisselende helderheid hadden kunnen waarnemen. Het instrument kon 100.000 metingen per seconde doen.

Verder kon het standregeling systeem als een wetenschappelijk instrument gebruikt worden. De Fine Guidance Sensors dienen er normaal voor dat de HST precies op het waarnemingsgebied gericht wordt, maar kan ook voor astrometrie (het meten van de posities van sterren) gebruikt worden.

Omdat de HST ontworpen is om tijdens zijn levensduur de mogelijkheid te hebben om instrumenten te vervangen, is de wetenschappelijke bagage van de telescoop in de loop der tijd flink veranderd. Het onderstaande diagram laat dat zien:

De WF/PC is opgevolgd door WFPC2 en sinds september 2009 door WFC3.
De GHRS werd opgevolgd door NICMOS
HSP werd vervangen door de noodvoorziening COSTAR en toen alle nieuwe instrumenten geschikt waren voor de niet perfecte hoofdspiegel werd die in september 2009 weer vervangen door COS.
De FOC werd opgevolgd door de ACS.
De FOS werd opgevolgd door STIS.
Dit is de definitieve situatie, want eind 2010 vertrekt de laatste Space Shuttle, zodat er geen mogelijkheid meer is om onderhoud aan de Hubble te plegen.

De eerste service missie werd vervroegd om het probleem met de spiegel te corrigeren. Hieronder de missies in chronologische volgorde:

Service missie 1
December 1993 met Endeavour op missie STS-61

De High Speed Photometer werd opgeofferd om daarvoor in de plaats de COSTAR te plaatsen.

Rechts is de dramatische verbetering van het beeld te zien.
WF/PC werd vervangen door WFPC2; deze camera had een ingebouwde correctie voor de fout in de hoofdspiegel
De zonnepanelen en de aandrijf elektronica werden vervangen, evenals vier van de zes gyroscopen
Er werd elektronica vervangen
De computers werden opgewaardeerd en tenslotte werd de Hubble in een hoge baan gebracht.

De GHRS werd vervangen door de NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer)
De FOS werd vervangen door de STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph).
De magnetische tape recorder werd vervangen door een Solid State Recorder, te vergelijken met een Flash geheugenkaart of de moderne SSD (de schijfloze harddisk).
De thermische deken rond de telescoop werd vervangen en de Hubble werd weer in een hogere baan gebracht.
Het nieuwe instrument NICMOS bevatte stikstof (in vaste vorm) om de temperatuur te verlagen. Door middel van een koelrib werd de warmte van het instrument afgevoerd, maar door een fout kwam dit onderdeel in contact met een deel van de telescoopbuis, waardoor de levensduur van dit instrument werd bekort van 4,5 naar 2 jaar.

(Dit was trouwens het eerste gekoelde waarnemingsinstrument, want tot dan toe werden de sensors op 15 graden C. gehouden).

De geplande missie 3 werd in tweeën gesplitst.
Drie van de 6 gyroscopen moesten worden vervangen. Een vierde gaf het kort voor deze vlucht op. Alle 6 gyroscopen werden vervangen.
Er werd een Fine Guidance Sensor vervangen en een elektronisch onderdeel om te voorkomen dat de batterijen te sterk opgeladen werden.
Wederom werden de isolerende dekens rond de telescoopbuis vervangen.
De computer werd vervangen door een Intel 486, toen al een computer waarmee je niet de blits maakte in 1999...
Maar deze computer was wel bestand tegen de kosmische straling en hoewel zijn kloksnelheid 25 MHz was en het RAM geheugen 2 Mb, werkt zo'n computer wel met machinecode, zodat het met de snelheid wel meeviel. Die computer zit trouwens nu nog steeds in de HST.

De FOC werd vervangen door de ACS (Advanced Camera for Surveys)
De NICMOS kreeg nieuw koelmiddel en een ander koelsysteem
Voor de tweede maal werden de zonnepanelen vervangen. Het type kwam van de Iridium comsat en hun afmetingen waren maar tweederde van de oude zonnepanelen. Dit veroorzaakte minder weerstand t.o.v. de luchtmoleculen in de omloopbaan en de opbrengst in elektrische energie was 30% hoger. Vanaf nu konden alle instrumenten aan boord van de HST gelijktijdig werken. Bovendien werd het "gefladder" van de zonnepanelen (door de afwisseling van koud en warm) minder.
Voor het eerst sinds 1990 werd de hele HST stroomloos gemaakt, omdat het systeem voor de verdeling van de elektrische energie moest worden vervangen.

De vijfde en laatste missie.
WFPC2 werd vervangen door WFC3 (Wide Field Camera)
Omdat alle instrumenten inmiddels waren aangepast aan de foute hoofdspiegel, kon COSTAR worden vervangen door een nieuw instrument: De COS (Cosmic Origins Spectrograph)
De ACS en de STIS moesten gerepareerd worden.
Er werden weer gyroscopen vervangen en een van de drie FGS's.
Alle accu's (nodig voor de werking van de HST als die in de schaduw van de aarde is) werden vervangen. Dit waren nog de originele accu's.
Er werd een nieuw type thermische deken gebruikt om de telescoopbuis te beschermen tegen de zonnewarmte.

De HST zal met deze nieuwe onderdelen naar verwacht tot 2014 en misschien langer kunnen functioneren. De Space Shuttles staan dan al in musea, dus het originele plan om de telescoop terug te brengen naar de aarde gaat niet door.

Waarschijnlijk valt de HST tussen 2019 en 2032 terug in de atmosfeer. Als men hem echter actief terug laat keren, zal dat eerder gebeuren. Grote delen van de telescoop zullen dan verbranden, maar grote delen zoals de hoofdspiegel zullen voor een deel op aarde terugkeren, met mogelijk gevaar voor aardbewoners.

Twee camera's vallen binnen het kader van deze website en die zullen hieronder besproken worden. Het zijn de WFC3 en de ACS.

De instrumenten van de HST bevinden zich voor een deel recht achter de opening in de hoofdspiegel maar de WFC3 en zijn voorgangers bevonden zich aan de zijkant. Een spiegeltje onderschept dan de stralengang en verder zorgen spiegels er ook voor dat het licht bij het juiste instrument komt.

De WFC3 is een veelzijdige camera die opnamen kan maken over een groot golflengtegebied en heeft een groot blikveld. De WFC3 heeft twee onafhankelijke licht paden. Een paar CCD's leggen beelden vast in golflengten van 200 - 1000 nm (van ultraviolet tot tegen infrarood - IR) en een ander paar in golflengten van 800 tot 1700 nm (van rood tot "nabij" infrarood). Op de tekening hierboven is dat goed te zien. De blauwe stralengang is het pad van ultraviolet en zichtbaar licht (UV en VIS). De CCD's bevinden zich in de UVIS detector. Het rode pad is de stralengang van de IR straling en komt uiteindelijk in de IR detector terecht. In de stralengang kunnen filters geplaatst worden om een breed of nauw gebied in de waargenomen straling door te geven. Behalve filters, die al heel lang in de ruimtefotografie worden gebruikt, beschikt de WFC3 ook over prisma's die

het licht in afzonderlijke golflengten kunnen splitsen en ook over grisms. Voor dit Engelse woord is geen vertaling, maar het gaat om de combinatie van een prisma en een raster. Dit levert afbeeldingen van sterren op met hun spectrum er meteen achter (zie links). Hiermee kan men snel een "survey" doen van een gedeelte van de sterrenhemel. Heel snel kan men zien met wat voor soort sterren men te maken heeft.

De WFC3 heeft voor UV en zichtbaar licht twee CCD's met elk 2048 x 4096 pixels (8,3 megapixels). De IR detector heeft een CCD van 1024 x 1024 pixels (1 megapixel). De UV-zichtbaar licht camera heeft een blikveld van 2,7 bij 2,7 boogminuten (dat is 8,5% van de diameter van volle maan). Voor IR straling is het blikveld 2,3 bij 2,1 boogminuten.

Deze levert de meest indrukwekkende foto's op. Het instrument is gevoelig en levert scherpe beelden met hoge resolutie. De opnamen vinden plaats van ver UV tot zichtbaar licht. De ACS bestaat eigenlijk uit drie camera's:

De eerste is om een snelle survey te doen en de camera met hoge resolutie maakt scherpe opnamen van een gekozen gebied. De solar blind camera blokkeert zichtbaar licht om de camera op die manier gevoeliger te maken voor UV straling. Dit maakt het mogelijk om hete sterren waar te nemen en planeten die UV straling uitzenden.

De WFC uit deze ACS is gevoelig voor golflengten van 350 - 1050 nm. Het blikveld is 202 bij 202 boogseconden, dus iets meer dan 3 boogminuten in het vierkant. Er worden 2 CCD's gebruikt met pixels van elk 15 micrometer groot. Om het licht bij dit instrument te brengen zijn drie verzilverde spiegels nodig. Links is de stralengang van dit instrument te zien. Tussen de laatste spiegel en de WFC detector bevindt zich een filterwiel.

De HRC bevat een coronograaf om het licht van sterren te kunnen afschermen, om zodoende beter naar planeten bij andere sterren te kunnen zoeken.

Dit instrument is gevoelig voor golflengten van 200 - 1050 nm. De beeldhoek is 29,1 bij 29,1 boogseconden. De CCD heeft verrassend 1024 bij 1024 pixels en die pixels zijn 21 micrometer groot. Drie spiegels buigen het licht voordat het op de HRC detector komt. Deze spiegels zijn van aluminium met een dun laagje MgF₂

De SBC is een camera om opnamen te maken in het verre UV. Deze camera is vooral bedoeld om heel zwakke opbjecten waar te nemen en om heel lange belichtingstijden te kunnen maken. Hij wordt gebruikt om hete sterren en quasars te vinden en om de aurora (poollicht) van Jupiter te kunnen waarnemen. De SBC is gevoelig voor golflengten van 115 - 180 nm. Het blikveld is 34,59 bij 30,8 boogseconden. De detector is een 1024 bij 1024 pixel type. De straling komt de SBC detector binnen via twee aluminium spiegels, bedekt met een dun laagje MgF₂.

Na de laatste service missie maakt de HST mooiere foto's dan ooit. Hieronder enkele exemplaren.

NGC 6302 - de Vlindernevel. De werkelijkheid is anders... Het zijn twee gloeiend hete gaswolken die met een snelheid van ongeveer een miljoen km per uur door de ruime reizen. WFC3 opname

De Carina nevel. De bovenste opname is in zichtbaar licht gefotografeerd en de onderste is dezelfde nevel, maar dan in IR golflengte. De opnamen vullen elkaar aan. Het demonstreert meteen het de grote omvang van de licht-bandbreedte van de WFC3.
De Carina nevel bevindt zich op een afstand van 7500 lichtjaren.

Een opname met de gevoelige ACS. De gravitatie lens in het stelsel Abell 370. De ACS kijkt hier 5 miljard lichtjaar terug in de tijd. Dit is een van de eerste clusters van sterrenstelsel waar het verschijnsel van "gravitatie lens" is waargenomen. Licht dat nog van grotere afstand komt dan dit stelsel wordt vervormd door het zwaartekracht veld deze cluster. Dit is waar te nemen als bogen en strepen in de afbeelding. Beelden van achterliggende sterrenstelsels worden uitgerekt door het zwaartekrachtveld van Abell 370.

NGC 6217 gefotografeerd met de ACS. Het is een combinatie van twee foto's die op 13 juni en 8 juli 2009 zijn gemaakt. Deze opnamen maakten deel uit van de test-en calibratie fase van dit nieuwe instrument. Het NGC 6217 staat op 6 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Grote Beer.

Een vroege Hubble foto. Een van de mooiste ooit gemaakt. Het is de M 16 Adelaar nevel, of ook wel NGC 6611. De opname is gemaakt in 1995.

Een uitvergroting van de vorige opname (het gedeelte linksboven. De uitsteeksels zijn
geboorteplaatsen van sterren. De aankomende sterren hebben al veel gas verzameld,
maar de zwaartekracht in die sterren is nog niet hoog genoeg om de fusie te starten.
Als de fusie van waterstof in helium begint, start de ster met het geven van licht.
Het gas rond de ster wordt dan weggeblazen en de ster wordt zichtbaar.

23 april 2010 - 20 jaar Hubble Space Telescope.
Het gaat hier om een gedeelte van de Carina nevel, waar sterren geboren worden. Links is dit gedeelte te zien in zichtbaar licht en rechts laat het beeld zien met de waarnemingen in het Infrarode gedeelte. Vergelijk de foto's maar eens.

In de VIS opname zien we hoe enorme straling en snelle "winden" van geladen deeltjes afkomstig van superhete pasgeboren sterren in de nevel gevormd worden. Ze vormen een pilaar waar ook weer nieuwe sterren gevormd worden. Er worden stralen geïoniseerd gas naar buiten geschoten, maar ook sluiers van gas en stof, die allemaal door sterlicht belicht worden. De kleuren in deze uit verschillende opnamen gemaakte beelden laten de samenstelling zien: blauw is zuurstof, groen is waterstof en stikstof en rood is zwavel.

De (nabij) IR opname laat heel veel sterren zien die zich achter de gas- en stofwolken bevinden. De voorste wolk wordt half transparant omdat de IR straling van de achterliggende sterren wel door het stof heen komt. De kleuren komen overeen met drie verschillende golflengten in het IR gebied.
Het gebied beslaat van boven naar beneden een afstand van 3 lichtjaren.

Bij deze viering van 20 jaar HST heeft de telescoop 30.000 hemelse verschijnselen waargenomen en het archief bevat een half miljoen opnamen.


Plaatsing van de instrumenten in de HST. Dit was de situatie vóór de laatste service missie.	De WFC3 blauw: VIS ( 380 - 780 nm) en UV rood: IR


De stralengang in de ACS. Het licht komt aan de zijkant van de unit binnen. Het is een van de vier grote instrumenten achter de opening in de hoofdspiegel, vandaar dat het licht op die plaats binnenkomt.

De instrumenten in de ACS


Het coronograaf mechanisme	De stralengang van de HRC De ronde schijven zijn de filterwielen voor de SFC/HRC en die voor de SBC	De losse filters uit de filterwielen