Artistieke impressie van de Galaxy Evolution Explorer ruimtetelescoop Foto: NASA

De prachtige, imposante sterrenstelsels, hoe ontstaan en evolueren ze? Wetenschappers wilden dit bestuderen aan de hand van de evolutie van sterren en dat in ultraviolette straling met behulp van een speciale ruimtetelescoop die de 'naam 'Galaxy Evolution Explorer' kreeg (GALEX). Met de Galaxy Evolution Explorer ruimtetelescoop wilden sterrenkundigen vooral achterhalen wanneer de sterren en elementen die nu in het Melkwegstelsel worden waargenomen gevormd zijn.

Planning, lancering en baan

Bijzonder aan deze ultraviolet-missie is dat het de eerste was die de hele hemel in kaart bracht. Een overzichtsonderzoek moest jaren wachten omdat sterrenkundigen eerst missies wilden die gerichte waarnemingen uitvoerden van gewenste bronnen. De gevoeligheid van Galex was ongeveer 3. 00 keer beter dan dat van bijvoorbeeld TD-1A die vanaf 1972 zijn gerichte onderzoeken uitvoerde. De satelliet werd gelanceerd op 28 april 2003 vanaf Cape Canaveral. Het was echter geen klassieke lancering, met een verticaal opstijgende raket. Een Pegasus XL-raket met de satelliet aan boord bevond zich onder de vleugels van een vliegtuig. Eens de raket werd gedropt door het vliegtuig, ongeveer 60 km buiten de kust, begon deze zijn klim naar de ruimte. De kunstmaan werd in een zo goed als cirkelvormige baan gebracht op 695 km hoogte. De inclinatie van de baan is 29°. De eerste opname op 21 mei 2003 werd in Hercules gemaakt, een blijk van hulde aan de zeven ruimtevaarders die omkwamen met Columbia op 1 februari 2003. Toen hun laatste signaal werd ontvangen in Houston stond voor Columbia het sterrenbeeld Hercules in het zenit. Galex was de eerste lancering van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) na de ramp met Columbia. De missie was ontworpen voor 29 maanden waarnemingen (2 jaar en 5 maanden). In die primaire missie werd de mate van stervorming in het heelal, tot een afstand van 10 miljard lichtjaar of tot roodverschuiving z = 2, in kaart gebracht. Van de sterrenstelsels werd de vorm, helderheid, omvang en afstand bepaald.

Galex overtrof alle verwachtingen. Na drie verlengingen en bijna tien jaar stelde de ‘senior review’ van de NASA voor de missie te stoppen, wat ook gebeurde op 7 februari 2012 door hem in slaapstand te zetten. De NASA schreef tegelijk een Space Act Agreement van drie jaar uit, waardoor het California Institute of Technology, vertegenwoordigd door Christopher Martin, maand per maand de missie kon verlengen met private middelen. De SAA werd op 14 mei 2012 ondertekend. Door de uitbatingskosten voortaan door het Caltech te laten betalen kon het onderzoek worden voortgezet. Per maand werd 100 000 Amerikaanse dollar gevraagd. De waarnemingscampagne door Caltech werd de Galex Cause genoemd, het waarnemen gebeurde in scanning mode en duurde tot april 2013. De NASA bleef, via het Jet Propulsion Laboratory, eigenaar en verantwoordelijk voor de satelliet. In eerdere reviews, in 2004, 2006 en 2008 stond Galex op de eerste, tweede en derde plaats. De missie kaderde in het Explorers Program van de NASA en was daarbinnen een Small Explorer, het project kostte de NASA 150,6 miljoen USD. Op 28 juni 2013 werd de satelliet uiteindelijk uitgeschakeld. Hij zal vermoedelijk nog minstens 65 jaar in een baan om de Aarde blijven en uiteindelijk in de atmosfeer opbranden.

Een vliegtuig brengt op 28 april 2003 de Pegasus XL raket met aan boord de Galaxy Evolution Explorer
tot op 10 kilometer hoogte waar de raket werd losgekoppelden deze tot ontbranding
werd gebracht - Foto: NASA / OSC

Opbouw en instrumenten

Hoofdcontractant was de Orbital Sciences Corporation (OSC), verantwoordelijk voor de assemblage, testen, het grondsegment en de raket. Andere partners waren het California Institute of Technology, de University of California in Berkeley (detectoren, elektronica en gegevensanalyse) en in Los Angeles (plannen waarnemingen en verwerken), de Yonsei University in Korea (kalibraties, testen, ondersteuning tijdens wetenschappelijke operaties en gegevensverwerking), de Johns Hopkins University (ontwikkeling archief en verwerking gegevens), Columbia University, de Observatories of the Carnegie Institution of Washington in Pasadena (ondersteuning verwerking) en het Laboratoire d'Astrophysique de Marseille in Frankrijk (optisch design, ondersteunen van testen, het grism en gegevensverwerking). Voor de NASA waren het Jet Propulsion Laboratory en het Multimission Archive at Space Telescope Science Institute betrokken partij. De satelliet met een lanceergewicht van 280 kg had de vorm van een cilinder, met een diameter van 1,1 meter en een lengte van 2 meter. Met de zonnepanelen open was hij 2,8 meter breed. Die zonnepanelen leverden bijna 300 Watt op. De Cassegrain-telescoop van het type Richey-Chrétien (de detectoren bevinden zich achter de hoofdspiegel) had een spiegel met een diameter van 50 cm. Het was gemaakt van silicium en gecoat met aluminium en daarover een laagje magnesiumfluoride. De brandpuntsafstand was 3 meter, de openingsverhouding f/6. Het beeldveld was 1,2 vierkante graden.

De ontvangen straling werd naar twee detectoren geleid via een dichroïsche stralingsdeler (Engels: dichroic beam-splitter). Straling in het ver ultraviolet werd door de lens afgeketst en straling in nabij UV ging door de lens, elk naar hun eigen detector. De Far-Ultraviolet Detector (FUV) werkte in het golflengtegebied van 135 tot 174 nanometer en de Near-Ultraviolet Detector (NUV) van 175 tot 280 nm. De instrumenten moesten te allen tijde van de Zon en de Aarde weg kijken want de detectoren waren zo gevoelig dat ook alle sterren zichtbaar met het blote oog te fel waren voor onderzoek. De NUV werd bijna gedurende de hele missie gebruikt. De FUV staakte de werkzaamheden door een stroomstoot in mei 2009. In de stralenbundel kon ook nog een grism, een prisma (prism) met een roosterpatroon (grating) op, gebracht worden voor lage resolutie spectroscopie. Met zijn mogelijkheden voor globaal onderzoek in UV was Galex complementair aan de mogelijkheden van de Hubble Space Telescope en de Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer. Veel van de gebruikte software was al ontwikkeld voor de FUSE (1999 - 2007). De solid staterecorder had een opslagcapaciteit van 24 gigabit.

De Galaxy Evolution Explorer satelliet wordt klaargemaakt voor zijn lancering - Foto: NASA / OSC

Resultaten

In november 2004 werd bij het Multimission Archive at the Space Telescope Science Institute (MAST) een eerst blok gegevens van deze satelliet vrij en openbaar ter beschikking gesteld. Zowat jaarlijks werd een General Release (GR) uitgebracht met tussenin kleinere releases, om de zowat vier maanden. De hele databank beslaat ongeveer 5 Terabyte. Van 2003 tot 2008 heeft de satelliet 500 miljoen objecten in beeld gebracht. De omvang van de verzamelde gegevens is zo groot dat eind april 2008 werd bekendgemaakt dat met de analyse van die gegevens pas aanvang is gemaakt.

• Eén van de eerste ontdekkingen was dat zeer jonge, maar massieve sterrenstelsels in het jonge heelal nog ontstaan (december 2004). Ze worden ultraviolet luminous galaxies genoemd (ULG) en hun afstanden zijn slechts 2 tot 4 miljard lichtjaar. Hun leeftijd varieert van 100 miljoen tot 1 miljard jaar, het Melkwegstelsel is ongeveer 100 tot 10 keer zo oud.
• Eveneens een vroege realisatie was het meest gedetailleerde beeld in ultraviolette straling van het Andromedastelsel, die in december 2003 werd vrijgegeven. De gebieden van recente stervorming zijn duidelijk zichtbaar.

Eén van de vele sterrenstelsels die de Galaxy Evolution Explorer in beeld bracht : M31 - Foto: NASA / JPL

• In de buitendelen van sterrenstelsels kunnen ook nog sterren ontstaan, zoals bleek uit onderzoek van M83 in 2005, zelfs op meer dan 140 000 lichtjaar van het centrum. Het sterrenstelsel NGC 4625 bleek toch spiraalarmen te hebben en de sterren erin zijn ongeveer 10 keer jonger dan de sterren in de kern. Sterrenkundigen denken dat sterren die ver van het centrum gevormd worden gelijke omstandigheden ervaren als de eerste sterren in het heelal: een omgeving bijna uitsluitend bestaande uit waterstof en helium. Nog over stervorming werd eind 2008 gemeld dat het sterrenstelsel NGC 404 onverwacht veel sterren vormt.
• In het kader van de Cosmic Evolution Survey (COSMOS) heeft ook de Galex zijn steentje bijgedragen. In het project wordt een stuk hemel in de Sextant met zoveel mogelijk instrumenten bestudeerd. Het primaire doel is het verband bestuderen tussen grote-schaalstructuren en de vorming van sterrenstelsels, donkere materie en de kernen van sterrenstelsels en actieve sterrenstelsels. Ook het verband tussen de omgeving en de afstand van sterrenstelsels op hun vorming en vorm werd onderzocht. Een ander onderzoek waar hij aan meewerkte was de Great Observatories All-sky LIRG Survey (GOALS), waarin LIRG staat voor Luminous Infrared Galaxies. Andere ruimteobservatoria in GOALS waren de Spitzer Space Telescope, de Chandra X-ray Observatory en de Hubble.
• Na vijf jaar onderzoek van 200 000 sterrenstelsels besloten betrokkenen bij de satelliet en de Anglo-Australian Telescope dat hete donkere materie (Engels: dark energy) het heelal steeds sneller doet uitdijen. Deze ontdekking prijkte op de zesde plaats in de top tien van wetenschappelijke hoogtepunten van de American Astronomical Society voor het jaar 2011. Chris Blake van de Swinburne University of Technology in Melbourne in Australië was hoofdauteur van twee artikels hierover die in mei 2011 verschenen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
• Onderzoek van de dubbelster KOI 256 (KOI staat voor Kepler Object of Interest) toonde aan dat de rode dwerg in het paar zeer actief is. Met deze nieuwe kennis kon in de gegevens van Kepler vastgesteld worden dat de witte dwerg het licht van de begeleidende rode dwerg afbuigt.
• De ster Z Camelopardalis heeft enkele duizenden jaren geleden een nova-uitbarsting ondergaan, zo kon Galex achterhalen. Er werd al twintig jaar vermoed dat een ster ofwel nova of dwergnova is, maar in maart 2007 werd in Nature door Mike Shara van het American Museum of Natural History in New York gerapporteerd dat sterren van dit type beide uitbarstingen kunnen ondergaan.
• In december 2006 werd gemeld dat voor het eerst is waargenomen hoe een ster verdween in een superzwaar zwart gat. Het was een gezamenlijke waarneming met Pan-STARRS1 van het zwart gat in het stelsel PS1-10jh.
• Er werden enkele surveys uitgevoerd, zoals Nearby Galaxy Survey (NGS), Deep Imaging Survey (DIS), Medium Imaging Survey (MIS) en All Sky Imaging Survey (AIS). Er werd ook een kleine spectroscopische survey uitgevoerd met het grism. De AIS, voltooid met de release van de GR4 in 2008, bevat gegevens over ruim tweederde van de hemel. Gebieden in het evenaarsvlak van het Melkwegstelsel en in de buurt van de Magelhaense Wolken werden gemeden om de detectoren niet te over verzadigen. Deze gebieden werden naar het einde van de missie toe minder gemeden en werden opgenomen in GR7.
• De Galaxy Evolution Explorer bevestigde de status van NGC 6872 als grootste balkspiraalstelsel ooit, zo werd aangekondigd op een bijeenkomst van de American Astronomical Society op 10 januari 2013. Het stelsel heeft twee opvallende armen, waarvan de uitgestrektheid alleen goed in ultraviolette straling kon worden bepaald. Die armen blijken 522 000 lichtjaar te overspannen. In de centrale balk komt geen stervorming voor, maar wel in de spiraalarmen. Het staat op een afstand van 212 miljoen lichtjaar in de richting van de Pauw. In 2007 had een studie, die geen verband houdt met Galex, al uitgewezen dat het stelsel IC 4970 ongeveer 130 miljoen jaar geleden het dichtst langs NGC 6872 passeerde.
• Waar Galex ook een antwoord probeerde op te formuleren, was de vraag over het aantal sterren in het heelal. Lang hebben wetenschappers gedacht dat er min of meer verhoudingen bestonden tussen de aantallen sterren van bepaalde massa’s. Zo moesten er volgens de overtuiging per ster van 20 zonsmassa’s ongeveer 500 sterren bestaan met de massa van de Zon of minder. Uit de waarnemingen bleek deze gedachte foutief. Kleinere sterren komen in grotere aantallen voor dan gedacht, soms tot 2 000 lichte sterren voor elke zware ster. Gerhardt R. Meurer van de Johns Hopkins University leidde dit onderzoek.
• Er is een nieuwe manier ontdekt voor de vorming van dwergsterrenstelsels: van overgebleven oergas in het heelal. Sterrenkundigen dachten vroeger dat een zekere hoeveelheid donkere materie nodig was om waterstofgas uit de oertijd van het heelal te laten samentrekken en tot de vorming van stelsels en sterren te komen. In het sterrenbeeld Leeuw is in een grote ring van waterstofgas, diameter 650 000 lichtjaar, geconstateerd dat er sterrenstelsels gevormd worden, zonder dat er merkbaar donkere materie aanwezig is. Naast deze ontdekking kunnen stelsels ook ontstaan door getijdenwerking op verrijkte gaswolken (ze bevatten meer dan alleen waterstof en helium), bijvoorbeeld bij botsingen. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Nature van 19 februari 2009.
• De veranderlijke rode reuzenster Mira werd bestudeerd en de ster bleek een gasstaart van maar liefst 13 lichtjaar te hebben, zo stond in Nature op 15 augustus 2007. De ultraviolette gloed ontstaat waarschijnlijk doordat koele waterstofmoleculen fluoresceren onder invloed van snel bewegende elektronen in de schokgolf van Mira. De staart bestaat uit onder andere koolstof en zuurstof. Mira beweegt met een snelheid van 130 km/s door het Melkwegstelsel en uit de lengte en snelheid werd een leeftijd afgeleid van 30 000 jaar. Variaties in de staart leren meer over het massaverlies. Elke 10 000 jaar is de staart wat dikker en dat zou kunnen wijzen op een langere periodiciteit van de dubbelster.
• Op 24 april 2004 merkte de satelliet een flits UV- straling van de zwakke, rode dwerg- en vlamster GJ 3685A. De helderheid nam minstens met een factor 10 000 toe. De flits kwam waarschijnlijk van een fenomeen vergelijkbaar met een zonnevlam, maar het was dan wel een miljoen keer energetischer. Het was de helderste flits in ultraviolette straling die ooit werd waargenomen.
• Onder andere bij het onderzoek van NGC 3801, een elliptisch sterrenstelsel, is gebleken dat supernovae en de jets van het centraal superzwaar zwart gat het gas verstoren waaruit zich sterren kunnen vormen en ze beïnvloeden zo ook de evolutie van hun sterrenstelsel. Met andere woorden: hoe groter een sterrenstelsel, hoe minder jonge sterren. Onderzoek in dat verband verscheen midden 2006 in Nature en begin 2012 in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Uit ander onderzoek van supernovae is gebleken dat zware sterren in kleine sterrenstelsels zwaar blijven tot ze als supernova eindigen. In grotere sterrenstelsels verliezen die zware sterren massa voor ze ontploffen. In kleinere sterrenstelsels worden minder zware elementen gevormd en door een lagere hoeveelheid zware elementen in de omgeving zal een zware ster minder materie verliezen. Deze bevindingen werden in het Astrophysical Journal gemeld in april 2011.

Meer info: 

• Caltech's Galaxy Evolution Explorer website: http://www.galex.caltech.edu/
• GALEX public archive at MAST: http://galex.stsci.edu/GR6/