Met een telescoop in een gemodificeerde Boeing 747: zo kijken astronomen naar de Orionnevel

Dankzij SOFIA, een telescoop die vanuit een vliegtuig naar het heelal kijkt, kunnen sterrenkundigen de interactie van sterren met hun omgeving beter bestuderen.

Waarnemen met SOFIA is een hele  belevenis. Allereerst moeten we daarvoor naar Palmdale in de Californische woestijn afreizen. Aan de rand van deze, op het eerste gezicht grauwe plaats in de hitte van de zon staat de hangar met daarin een gemodificeerde Boeing 747SP. Aan de zijkant van het vliegtuig gaapt een reusachtige luik, waarachter een telescoopspiegel van 2,5 m diameter schuilt. Straks zal het vliegtuig, met ons aan boord, opstijgen naar een vlieghoogte van 13 km.

Maar eerst moeten we naar de mission briefing. Daarin worden de details van de missie besproken. Het complexe vliegschema, weer en waterdampgehalte in de atmosfeer komen aan bod. Alles is minutieus gepland. De verwachte waterdamp in de atmosfeer geeft informatie over de kwaliteit van de aanstaande metingen: hoe minder, hoe beter. Dat is ook de reden waarom wij een vliegtuig gebruiken: waterdamp in de atmosfeer absorbeert de infraroodstraling die wij willen meten. Op de vlieghoogte van SOFIA bevindt zich  het grootste deel van deze waterdamp onder ons en kunnen wij deze straling waarnemen.

SOFIA is een duur project en dreigde meerdere keren opgeheven te worden. Ook satellieten kunnen vanuit de ruimte infrarood meten, zij hebben helemaal geen last meer van de atmosfeer. Satellieten zijn echter nog duurder en je kunt er ook niet meer bij. Eenmaal in een omloopbaan rond de aarde, blijven de bestaande instrumenten erin. Dat is heel anders bij SOFIA: omdat zij na iedere missie landt, kunnen wetenschappelijke instrumenten verwisseld of door modernere versies vervangen worden. Dat laat een breed scala van instrumenten toe, ieder met zijn eigen karakteristieken en toepassingen.

Tijdens onze waarneemsessies met SOFIA, maken we gebruik van het upGREAT-instrument, een upgrade van de German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies. Dat betekent dat wij tijdens de vlucht geen mobiele telefoons mogen gebruiken en ook magnetrons zijn taboe om storende straling te weren. Koffie en thee mogen gelukkig wel, hoe moeten we anders de lange nacht door komen? Verder is het erg koud aan boord. upGREAT moet immers koel blijven, want anders neemt het instrument vooral zijn eigen infraroodstraling waar.

Wij worden nog voor rondslingerende kabels aan boord gewaarschuwd, dan lopen wij door de hangar naar het vliegtuig. Ik kan in de cockpit de start meemaken. Het geeft een heel speciaal gevoel om de piloten in actie te zien terwijl het vliegveld en de stad onder ons verdwijnen. Het instrumententeam is volop bezig de systemen in gereedheid te brengen. Vaak zijn er ook journalisten bij, die overal rondkijken. Twee uur na begin van de mission briefing stijgt de Boeing 747SP op. Soms valt er een prachtige zonsondergang over de Stille Oceaan te zien. Voor het instrumententeam is er nauwelijks een moment van rust; als gastonderzoeker heb ik meer tijd om hier van te genieten en ook tijd om SOFIA-telescoop te bewonderen. Tijdens de vlucht lijkt het alsof de telescoop heen en weer wiebelt. Hoe kun je zo een scherp beeld krijgen? Maar in werkelijkheid wiebelt het vliegtuig en beweegt de telescoopspiegel door een ingenieus systeem van sensoren geen millimeter.

De telescoop kan slechts om één as roteren en dus moet het vliegtuig de juiste koers vliegen om de bron in beeld te brengen

De telescoop kan slechts om één as roteren en dus moet het vliegtuig de juiste koers vliegen om de bron in beeld te brengen. Er is dan ook een strak vliegschema waarin door een voorgeschreven koers te volgen een bron voor een of twee uur gevolgd wordt.

Dan is het zover: wij zijn op meetkoers en we pikken de eerste fotonen op van de Orionnevel, die na een reistijd van ongeveer 1300 jaar bij ons arriveren. Langzaam worden het er meer en onze kaart van het te onderzoek gebied wordt steeds beter. De straling die GREAT meet is de fijnstructuurlijn van geïoniseerde koolstof [CII], een infraroodlijn met een golflengte van 158 micrometer. Deze is afkomstig van het warme gas dat sterren omgeeft. Het gas is in beweging, zodat de lijn door het dopplereffect verschuift. Zo kunnen we de radiale snelheid (langs de gezichtslijn) bepalen. Na 13 vluchten, een meettijd van ongeveer 40 uur, hebben wij de grootste kaart die ooit in deze specifieke lijn gemaakt is. Niet alleen een 2D-plaatje, maar iedere pixel is in werkelijkheid een spectrum. Op deze manier kunnen wij een 3D-beeld van het hele gebied vormen. De snelheidsinformatie uit deze spectra dient ertoe om samenhangende structuren te identificeren.

Figuur boven. Infraroodafbeeldingen van de Orionnevel en de noordelijke nevels NGC 1973, 1975, 1977. a) Herschel/PACS en SPIRE-opnames van het interstellaire stof in 70µm, 160µm en 250µm. Warm stof, direct verhit door θ1 Ori C, straalt op korte golflengtes (blauw). Langere golflengtes (rood) worden uitgestraald door koud stof, het reservoir van stervormingsmateriaal diep in de wolk. b) SOFIA/upGREAT-opname van de spectrale lijn van geïoniseerde koolstof ([CII]) die het warme gas – direct verhit door θ1 Ori C – volgt. c) Spitzer/IRAC-opname in 8µm, afkomstig van interstellaire polyaromatische koolwaterstofmoleculen die fluoresceren in het intense ultravioletlicht van θ1 Ori C.

Expanderende schil

In de Orionnevel bevinden zich velerlei sterren, zowel lichte als zware. In het centrum zitten de zwaarste van hen, de Trapeziumcluster. Deze nog jonge, hete sterren zijn met hun intense ultraviolette straling verantwoordelijk voor het oplichten van het gas en stof in de omgeving. Vooral de zwaarste, θ1 Ori C met een massa van ongeveer 33 keer die van de zon, zendt sterke ioniserende straling uit, waardoor het gas licht uitzendt. Bovendien hebben zware sterren sterke winden: vanaf het steroppervlak wordt gas de ruimte ingeblazen, wat invloed heeft op het omringende interstellaire medium. Rond deze sterren en het centrale Huygensgebied – het geïoniseerde gas in de onmiddellijke buurt van de Trapeziumsterren – bevindt zich een veel grotere schil van gecomprimeerd gas. Deze grote schil is op veel infraroodopnamen te zien, maar zonder de (snelheids)informatie die door ons is vergaard. In eerder onderzoek werd aangetoond dat de schil gevuld is met heet gas dat röntgenstraling uitzendt: een eerste teken dat stellaire winden deze bel veroorzaakt  hebben. Maar hoe snel beweegt het gas eigenlijk? Hoe veel energie zit erin?

De ruwe data die upGREAT levert moeten in een langdurig en tijdrovend proces opgeschoond worden. Pas aan het eind van deze datareductie kunnen we de gegevens echt analyseren. Zo moeten pieken van mobiele telefoons en andere verstoringen eruit gevist worden. Voor zo’n 2 miljoen spectra kost dat veel tijd. Omdat de datahoeveelheid de gebruikelijke maat overstijgt, moeten ook nieuwe reductiemethodes tijdens het reduceren uitgevonden worden. De uiteindelijke dataset is groot genoeg om onderwerp van meerdere proefschriften te worden. Er is veel te ontdekken in de Orionnevel.

De optische Orionnevel is gehuld in een sluier gevormd door een schil die expandeert met een snelheid van ongeveer 13 km/s

Meteen valt in het filmpje op dat wij uit de spectra hebben samengesteld en waarin ook de snelheidsgegevens verwerkt zijn, dat de grote schil (met een straal van 2 parsec of 6,5 lichtjaar) expandeert. De vraag is: kunnen we dat kwantificeren? Na meerdere vergeefse pogingen vinden we uiteindelijk een manier om de snelheid van de uitzettende schil zichtbaar te maken. Door middel van positie-snelheidsdiagrammen –  een doorsnede van de kaart waarin de spectra als kleuren getoond worden – brengen  wij de expansie in beeld (Figuur 4). Expanderende schillen tonen zich als boogstructuren. Het resultaat is van verrassende schoonheid: de optische Orionnevel is gehuld in een sluier gevormd door een schil die expandeert met een snelheid van ongeveer 13 km/s.

Volgens modellen gaat ongeveer de helft van de energie van de stellaire wind in de expansie van het omringende gas zitten. Om de massa van het expanderende gas te bepalen, gebruiken wij infraroodopnames van het warme stof dat door het gas gemengd zit (Figuur 3a). Zo komen we op 2600 zonmassa, wat goed overeenkomt  met de theorie.

Stervorming

Ook de formatietijd van de bel kunnen wij bepalen: zo’n 200.000 jaar. De ster zelf staat niet stil maar beweegt met een snelheid van 5 tot 15 km/s van zijn geboorteplaats vandaan, de Orion moleculaire wolk. Wanneer hij na een paar miljoen jaar zijn leven als supernova zal beëindigen, is de ster ongeveer 25 parsec (81,5 lichtjaar) van de wolk verwijderd, te ver om deze nog te kunnen beïnvloeden. Eerder werd aangenomen dat vooral supernovae moleculaire wolken uit elkaar rukken en daardoor verdere stervorming verhinderen. Maar deze waarnemingen laten zien dat de wind van een ster belangrijker kan zijn voor de verstoring van zijn omgeving en het tot stilstand brengen van de stervorming.

Stervorming verloopt in een kringloop: uit dichte moleculaire wolken worden sterren geboren. De zwaarste van hen vegen het omgevende gas en stof op. Hierdoor wordt het interstellaire medium plaatselijk samengeperst, waardoor nieuwe dichte gebieden voor stervorming kunnen ontstaan. De maat waarin sterren gevormd worden is een maat voor de structuurvorming van het heelal. In kosmische simulaties, die de evolutie van het heelal proberen te verklaren, wordt de mate van het stervormingtempo gebruikt om de stellaire feedback op de moleculaire wolken, die de ruggengraat van deze cyclus vormen, te schatten. Het is dus een belangrijke parameter die van grote invloed is op het eindresultaat van de simulatie en ons begrip van het heelal en de vorming van sterrenstelsels.

SOFIA onderzoekt ook andere stervormingsgebieden, nevels, sterrenstelsels en planeten. Op iedere 10 uur durende vlucht komen meerdere projecten aan bod. Wij hebben in ieder geval dankzij SOFIA ons begrip van de structuur van de Orionnevel en de terugkoppeling van zware sterren op hun geboorteplaats, de moleculaire wolk, verruimd.