Meten aan ontbrekende materie
Bastienne Wentzel

26 september 2014, C2W

1 maart 2015, MeMo

In 2028 wordt een satelliet de ruimte in geschoten met onder andere een röntgendetector van Nederlandse makelij aan boord. Deze gaat heel hete materie analyseren. 

Er is materiaal kwijt in de ruimte. Ongeveer een derde van de materie die in het heelal zou moeten zijn, kan niet waargenomen worden met bestaande telescopen die zichtbaar of infrarood licht meten. Daarmee mis je bijvoorbeeld heel heet materiaal van zo'n tien miljoen graden Celsius dat röntgenstraling uitstraalt, die informatie kan geven over de chemische evolutie van het heelal. Om dat vast te leggen, zul je moeten 'kijken' met een zeer gevoelige röntgentelescoop.
 
Computerchips
Daarom stuurt ESA in 2028 de Athena de ruimte in. Aan boord van deze satelliet is een röntgendetector die in Nederland wordt ontworpen. Een team van fysici van ruimteonderzoekcentrum SRON bouwt onder leiding van Jan-Willem den Herder aan de detector voor deze röntgentelescoop. Den Herder vertelt: 'Het oppervlak van deze telescoop is tien keer groter dan de huidige telescopen. Hij heeft een hoekresolutie die een factor drie tot vier beter is, zodat we objecten beter van elkaar kunnen onderscheiden. We kunnen golflengten beter van elkaar onderscheiden doordat de spectrale resolutie vijftig keer beter is. Dat stelt ons in staat veel lichtzwakkere en dus verder weg gelegen objecten te bestuderen”, zegt Den Herder.
Atomen van tien miljoen graden Celsius hebben vrijwel geen elektronen meer. De straling die dit hoog geïoniseerde gas uitzendt, kun je met de gebruikelijke siliciumdetector slecht meten, vertelt Den Herder. SRON-onderzoekers ontwierpen een detector van een titanium/goud-bilaag, een supergeleider die bij 50 milliKelvin heel nauwkeurig de temperatuursverandering meet per opgevangen foton. Die geeft informatie over de golflengte ervan.
Om fotonen op de detector te krijgen zijn spiegels nodig. 'Röntgenstraling is lastig op te vangen. Het wordt bijna altijd geabsorbeerd, maar wanneer het onder een heel kleine hoek invalt op een spiegel kun je het toch reflecteren”, legt Marcelo Ackermann van het Leidse bedrijf cosine uit. Dit bedrijf levert de spiegels die de fotonen naar de detector moeten leiden.
Maar spiegels van glas of dunne metalen lagen zijn erg zwaar, vooral wanneer ze de kwaliteit hebben die nodig is voor een ruimtetelescoop. Cosine gebruikte voor het eerst dezelfde plakjes silicium die ook voor computerchips worden gebruikt. Die zijn goedkoop en veel lichter. Het oppervlak van zo'n spiegel moet atomair glad zijn. De gemiddelde afwijking is enkele Ångströms, legt Ackermann uit. 'Een groot voordeel van siliciumwafers is dat ze al zo'n glad oppervlak hebben. We hoeven niet meer te polijsten.'
Bij cosine plakt men eerst enkele tientallen van deze dunne siliciumvelletjes aan elkaar op zo'n manier dat ze een lichte kromming hebben, alsof je een telefoonboek buigt. Door het extreem schone oppervlak is geen lijm nodig. De Vanderwaalskrachten zorgen voor de eerste hechting, na een warmtebehandeling is het silicium covalent gebonden. Daarna worden 500 tot 1000 van deze pakketjes in een kegelvormige houder gezet en zeer nauwkeurig uitgelijnd. De houder is van Invar, een metaallegering die weinig uitzet door warmte of krimpt door kou. Dat zou slecht zijn voor de uitlijning van de spiegel.
De lens van drie meter doorsnee weegt tien keer minder dan andere röntgenspiegels, zegt Ackermann. 'Onze spiegel heeft een ongekend goede verhouding tussen kwaliteit en gewicht. Hij is dun, stijf en licht. Ook het lijmen door middel van Vanderwaalskrachten is nieuw.”
 
Samenstelling
Met de telescoop kunnen we de chemische evolutie van het heelal nader bestuderen, vertelt Den Herder. “Het kan onder andere de chemische samenstelling van het hete gas bepalen, zoals de aanwezigheid van elementen als zuurstof en ijzer. En we meten ook hun temperatuur, druk, dichtheid en ionisatiegraad en dat alles als functie van de roodverschuiving.' Binnen een half jaar na de lancering verwachten de onderzoekers al de eerste metingen.

Dit artikel is gepubliceerd in C2W16 - 26 september 2014, en in MeMo no 2, maart 2015.