IRAS

IRAS staat voor Infra-Rood Astronomische Satelliet. 
Het succes van de eerste Nederlandse satelliet ANS, die de sterrenhemel in ultraviolette- en rŲntgenstraling kon waarnemen leidde tot een nieuw gedurfd programma waarbij een satelliet ontworpen zou worden die de sterrenhemel in het infrarood zou kunnen waarnemen. Dit is in feite warmtestraling. Wij kunnen dat niet zien. Ons oog is er ongevoelig voor. Bovendien dringt die straling niet door onze aardse atmosfeer heen. Warmte kun je wel voelen. Dus bijvoorbeeld je vingers of je huid zijn IR detectoren! IR straling kan ook door iets heen gaan. Door stofwolken bijvoorbeeld, die in het heelal zeer veel voorkomen. Die warmtestraling dringt wel door die stofwolken heen.
Vergelijk het maar met de motorkap van een auto. We zien de warmtestraling van de motor niet, maar we kunnen die wel voelen, door de motorkap heen. Omdat er dus eigenlijk warmte straling wordt gemeten, moet de telescoop zeer koud zijn. Dat lukt alleen buiten de Aarde en bovendien was er een voorraad verdampend helium aan boord die de telescoop sterk afkoelde. De missieduur werd door dat helium bepaald. De lat werd bij dit project erg hoog gelegd en de problemen waren dan ook niet van de lucht. Een IR-telescoop in de ruimte, dat was niet niet eerder vertoond...

De lancering van de IRAS vond uiteindelijk plaats op 26 januari 1983 m.b.v. een Thor Delta 2910 raket vanaf Vandenberg Airforce Base in CaliforniŽ. Toen de voorraad helium op 23 november 1983 op was, werd ook de missie beŽindigd.

Ruimtevaartuig

IRAS was een cilindervormig ruimtevaartuig  met een zeer goede bescherming tegen warmtestraling. De opening naar de telescoop had een zonnescherm en de zonnepanelen waren altijd naar de zon gericht, zodat die ook schaduw op IRAS wierpen.
Een groot deel van de satelliet werd in beslag genomen door de telescoop met een diameter van 60 cm en het heliumvat, dat er als een langwerpige ring (torus) omheen liep.
Vanwege de kosten kon Nederland dit project niet alleen uitvoeren, zodat er samengewerkt werd met NASA en het Britse Science and Engineering Research Council (SERC).

NASA zorgde voor de lancering en de bouw van de bouw van de telescoop (met als hoofdaannemer Ball Aerospace, uit Colorado).

De Britten zorgden voor het volgen van de satelliet en de ontvangst van de gegevens. De Britse hoofdaannemer was het Rutherford and Appleton Laboratory in Chilton.

Het Nederlandse deel bestond uit ruimtevaartorganisaties NIVR en NLR, die verantwoordelijk waren voor de samenbouw en test van de satelliet. De structuur werd bij Fokker gebouwd en Philips en Hollandse Signaal zorgden voor de elektronica

 IRAS was een zware satelliet. Bij de lancering was de massa 1083 kg. De telescoop vormde het grootste gedeelte van het gewicht.

De hoogte was 3,86 m en de breedte (met dichtgeklapte zonnepanelen) 2,16 m. De zonnepanelen leverden 500 W. elektrische energie. De baanhoogte was 900 km en de omlooptijd om de Aarde was 103 minuten. De baan liep over de beide polen (inclinatie 99 graden).

De standregeling werd verzorgd door drie reactiewielen, zodat de satelliet in alle assen te richten was. Reactiewielen zijn schijven die, als zij beginnen te draaien, de stand van het ruimtevaartuig veranderen. Vergelijk het met een boormachine die je aanzet. Het draaien van de motor in die boormachine laat ook je hand verdraaien. Er werd heel veel zorg aan veiligheid voor de telescoop besteed, want de opening van de telescoop mocht nooit op de zon gericht worden, want dat zou onherstelbare schade veroorzaakt hebben. Als aanvulling op de standregeling beschikte IRAS over een magneetspoel om de reactiewielen te ontlasten. Dit magnetisch veld van IRAS richtte zich op dat van de Aarde. Het gevolg van deze standregeling was, dat de IRAS altijd met zijn onderkant naar de Aarde gericht was. Bovendien maakte dit ook het scannen van de sterrenhemel mogelijk.
Deze stand werd ook bewaakt door een gyroscoop. Omdat gyroscopen in de loop der tijd gaan afwijken van de juiste stand, waren er zonnesensoren aan boord om de positie weer te kunnen bijstellen.

De koeling van de telescoop vond plaats d.m.v. een vat met 475 liter vloeibare helium met een temperatuur van 270 graden onder nul. Door de helium via een speciale voorziening, de "poreuze plug", langzaam te laten verdampen, blijft de temperatuur op de juiste waarde. De afgevoerde heliumdampen werden vervolgens door een ruimte rond het heliumvat geleid, wat voor extra koeling van het vat zorgde.

Er waren bij de ontwikkeling en de bouw van de IRAS veel problemen, vooral met de sensors. Maar door slimme "workarounds" heeft men die allemaal overwonnen.

Camera

Er kan niet echt van een camerasysteem gesproken worden. Het principe is in feite een vorm van scannen.
Men wilde een overzicht van de sterrenhemel maken in Infra Rode (IR) straling. Bij het ontwerpen van een missie zoals IRAS is het belangrijk om van te voren precies te weten wat men wil. Er zijn beperkingen in de afmetingen van de satelliet, de beschikbare lanceerraket, de opslag op de taperecorder, de maximaal te verzenden hoeveelheid gegevens en natuurlijk het budget. Men vond in elk geval dat het niet nodig was om afzonderlijke sterren te kunnen waarnemen. Wel de structuren van donkere wolken en grotere objecten. Een 60 cm telescoop (brandpuntsafstand 5,5 meter) zou dan voldoen. Zoals hieronder te zien is, is het totale beeldveld 30 boogminuten groot. Dat komt overeen met ruim een halve graad. Dit is te vergelijken met de diameter van de zon. Uiteraard zijn de afzonderlijke details veel kleiner, omdat de detectoren een gedeelte van dit beeldveld bestrijken.
De gevoeligheid van de detectoren moest wel heel groot zijn. Uiteindelijk waren ze zo gevoelig, dat in theorie de warmtestraling van een fietslampje op 5000 km nog waargenomen kon worden!

De IRAS detector, of : Focal Plane Assembly De omloopbaan van IRAS en de wijze van scannen. De magneet spoel was belangrijk voor het richten van de antenne naar de Aarde (en het richten van de telescoop naar de ruimte!).

IRAS kon waarnemingen doen in de volgende golflengte gebieden: 12, 25, 60 en 100 micrometer (ongeveer 10-5 tot en met 10-6 m. uit het overzicht op de startpagina).
De IRAS Focal Plane Assembly bestond uit 62 elementen (lichtgevoelige dioden) met filters (die de golflengte bepaalden waarop werd waargenomen), waarvan er bij de lancering al enkele onbruikbaar waren, maar dit heeft de missie niet erg benadeeld. Door de scanbeweging werd telkens een strook van 1 graad breed afgetast, met een lengte van 360 graden, ofwel: 21.600 boogminuten (immers de omloop om de Aarde). Op die manier werd er informatie opgeslagen over 21.600 x 30 = 648.000 boogminuten. Van elke boogminuut kon de intensiteit in 8 bits worden opgeslagen . Dat  is 5.184.000 bits per baan en per golflengte. Voor de vier golflengten kwam dat dus neer op 20.736.000 bits. Elke twaalf uur maakte de IRAS contact met het grondstation in Engeland, zodat er 145 miljoen bits moesten worden opgeslagen. Een lachertje natuurlijk met onze grote harde schijven van tegenwoordig, maar in 1983 was dat behoorlijk veel. Bij het scannen was er een overlap van 50%.
Stofjes en kosmische straling op de detectoren konden foute informatie geven. Daarom werd de hemel ook meerdere keren in beeld gebracht. Binnen 12 uur werd hetzelfde gedeelte van de hemel nog eens afgetast en drie weken later nog eens tweemaal. Dezelfde procedure werd na een half jaar herhaald. Op die manier was het goed mogelijk om fouten uit te sluiten.

Doorsnede tekening van de telescoop. De "baffle" bestaat uit ringen die weerspiegelingen in de telescoopbuis voorkomen. De spiegel (links in de tekening) heeft holten om hem lichter te maken. Deze telescoop is van het Ritchey-Chrťtien type, waarbij het licht van de hoofdspiegel naar een secondaire spiegel wordt gestuurd. Die stuurt het licht door een buis naar de "FPA", dus het plaatje met de detectoren.  Een foto van dat zelfde gedeelte. De spiegel is van het metaal beryllium, omdat glas de lage temperatuur van -270 graden Celsius niet zou kunnen weerstaan.

Voor de ontvangst was er maar ťťn grondstation aanwezig. Dat bevond zich in Chilton, Engeland. 's Ochtends en 's avonds was IRAS daar in drie opeenvolgende banen zichtbaar. Zie de kaart hieronder.

De duur van het contact was maximaal 16 minuten en gedurende die periode moest de grote schotelantenne meegedraaid worden met de satelliet, om de ontvangst niet te verliezen. Als de antenne echter naar het zenit gericht was (het punt recht boven de waarnemer), ging de IRAS eigenlijk te snel voor de antenne, zodat gedurende die periode twee minuten ontvangst verloren ging.

Omdat er behalve ontvangst van de gegevens ook nog nieuwe waarnemingsprogramma's naar de boordcomputer gestuurd moesten worden en nog wat "huishoudelijke" opdrachten, waren er minstens 10 minuten nodig voor elk contact. Ik ben zelf op dat grondstation geweest in 1981 (tijdens een excursie van de sterrenkundevereniging Zenit in Den Helder) en toen vertelde men dat er videorecorders gebruikt zouden worden voor de opslag van de ontvangen gegevens, omdat die in korte tijd veel informatie tegelijk konden opslaan.
Eigenlijk kon alle informatie tijdens de eerste omloop (nummer 1 in de tekening hierboven) ontvangen worden. Omlopen 2 en 3 werden gebruikt als de ontvangst bij de eerste omloop niet goed kon worden ontvangen.

Links staat een schema van het grondstation. De computers waren indrukwekkend in grootte, maar vergeleken bij een laptop van tegenwoordig beperkt in de mogelijkheden. De computers werden gebruikt voor het sturen van de schotelantenne, het bewaken van de satelliet, het testen van de boordcomputer van IRAS en het verwerken van de gegevens. Het viel mij in 1981 al op hoe mooi de beelden op de monitoren al waren. Voor testdoeleinden werd foto's gebruikt van dieren. Ik herinner mij een prachtig gekleurde baviaan.

 

 

 

 

Het Iras grondstation in Chilton. Hier staan voornamelijk "bandrecorders" voor de computer tapes. Het apparaat rechts van het midden is mogelijk een harde schijf, die toen gigantisch groot waren.
Dit was de NASA link, voor contact met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie.
De ontvangers voor  de signalen van IRAS.
(foto's Hans Walrecht, oktober 1981)

Resultaten

Wat heeft IRAS opgeleverd? In de eerste plaats was er na het beŽindigen van de missie voor het eerst een overzichtskaart van de infrarode (IR) straling in het heelal beschikbaar. Pas in 1995 kwam er een nog betere kaart beschikbaar die door de Europese ISO werd gemaakt. 
Verder ontdekte IRAS stofschijven rond sterren zoals Wega. Wega is een met het oog zichtbare ster, maar de schijf zendt alleen IR straling uit. 
Veel bronnen van IR straling zien we echter niet  op Aarde, zodat IRAS op dit gebied echt een ontdekkingsreiziger was.
Er bleken sterrenstelsels te zijn met extreme IR helderheid.
IRAS heeft ook 6 kometen ontdekt, waaronder IRAS-Araki-Alcock, die in mei 1983 werd ontdekt. Deze komeet passeerde later de aarde heel snel. Ik herinner mij dat deze komeet er niet uitzag als de bekende staart, maar eigenlijk als een diffuse lichte vlek aan de hemel.
Er werden tenslotte drie nieuwe planetoÔden ontdekt: (3200) Pheaton, 3728 IRAS en 1983 VA.

Voor de kosmologie waren de ontdekkingen van IRAS van grote waarde.

M-45 (de Plejaden) in zichtbaar licht. M-45 door IRAS in nabij IR (IR straling met kortere golflengte). M-45 door IRAS in ver IR (IR straling met langere golflengte).

De drie foto's hierboven geven een idee van de "scherpte" van de IRAS opnamen. Hieruit blijkt dat er toch IR straling aanwezig is bij sterren die op zich erg heet en dus blauw zijn.

De foto hierboven laat een IR kaart van het heelal zien. Duidelijk is de stofschijf van de Melkweg te zien en sterrenstelsels in de buurt van de Melkweg. De zwarte delen zijn gebieden waarvan IRAS geen metingen kon doen.

IRAS was de gangmaker in de IR waarnemingen d.m.v. satellieten. Zoals gezegd kwam in 1995 de Europese ISO in een baan om de aarde en in 2003 werd de grote Amerikaanse Spitzer telescoop gelanceerd. Die had zoveel helium aan boord dat de IR telescoop tot 15 mei 2009 kon werken.  Maar nu is hij onbruikbaar omdat de koeling is weggevallen. Andere instrumenten aan boord zijn nog bruikbaar.

Hans Walrecht

De complete Beelden uit de Ruimte" website is te vinden op http://www.hansonline.eu/