Artistieke impressie van de Europese Herschel ruimtetelescoop Foto: ESA / D. Ducros

Het Herschel Space Observatory was een Europese ruimtetelescoop voor het onderzoek van planeten, sterren en sterrenstelsels, waarbij ook het voorkomen van water werd bestudeerd. Het was de eerste ruimtetelescoop met detectoren voor tegelijk het hele verre infrarood alsook de submillimetergolflengten. Het wetenschappelijke onderzoek vond plaats tussen 2009 tot 2013.

Planning, lancering en baan

De ruimtesonde werd op de 200e verjaardag van de ontdekking van infraroodlicht door Sir William Herschel naar hem en zijn zus en medewerkster Caroline Herschel genoemd. Het eerste plan voor de missie zag in 1982 het licht als de Far Infrared and Sub-millimetre Telescope (FIRST). In 1984 zocht de ESA een missie dat in haar "Horizon 2000" zou passen als hoeksteenmissie. De eerste versie van Horizon 2000 werd in 1984 publiek gemaakt. Het belang van FIRST werd onderstreept in 1986, toen FIRST in Horizon 2000 werd opgenomen als hoeksteenmissie. De goedkeuring voor het uitwerken van FIRST werd gegeven in 1993. De baan van waaruit FIRST zou waarnemen werd aangepast van een baan om de Aarde naar een baan rond het Lagrangepunt L2 (Guidestar november 2010). In 2000 werd FIRST omgedoopt in Herschel en het jaar erop begon de bouw. In april 2008 was de assemblage voltooid en begonnen de testen. In 2010 werd de kost voor de bouw, lancering en het uitbaten van de ruimtesonde begroot op €1,1 miljoen.

De Herschel ruimtetelescoop werd samen met de Planck Observatory (onderzoek kosmische microgolfachtergrondstraling) op 14 mei 2009 door de ESA, met haar Ariane 5 vanaf Kourou, gelanceerd. Ook Planck is een hoeksteenmissie (corner stone), naast Rosetta (onderzoek van een komeet) die al op 2 maart 2004 werd gelanceerd en Gaia (het in kaart brengen Melkwegstelsel) die op 19 december 2013 vertrok. Midden juli 2009 kwam Herschel in een baan met een straal van gemiddeld 800 000 km rond het punt L2 terecht en op 21 juli 2009 werd de inbedrijfstelling van de ruimtetelescoop succesvol verklaard. Missiemanager Johannes Riedinger nam het dan over van programmamanager Thomas Passvogel. Het luik dat de ruimtesonde en de instrumenten beschermde tijdens de lancering en de reis naar de bestemming werd op 14 juni 2009 geopend. De eerste foto’s werden vijf dagen later vrijgegeven en tonen het Draaikolkstelsel M51 en omgeving. Herschel werd gebouwd voor onderzoek op vier vlakken. De vorming van sterrenstelsels in het jonge heelal en de evolutie van sterrenstelsels in het algemeen. Stervorming en de interactie met het interstellair medium. De oppervlaktesamenstelling van objecten in het zonnestelsel en hun atmosferen. Het onderzoek van moleculen en hun vorming in het hele zonnestelsel.

Opbouw en instrumenten

Het was het grootste infraroodinstrument ooit gelanceerd en ook de grootste ruimtetelescoop, met een spiegel van 3,5 meter diameter uit één stuk. Dat is viermaal groter dan om het even welke voorgaande ruimtetelescoop voor onderzoek in infrarode straling. De primaire spiegel werd vervaardigd uit gesinterd siliciumcarbide en was daardoor vijfmaal lichter dan traditionele spiegels van dezelfde afmeting. De spiegel werd vervaardigd door Boostec in Tarbes (Frankrijk) en uitgediept en gepolijst door Opteon Ltd. in Tuorla Observatory (Finland). De coating werd op Calar Alto Observatory (Spanje) aangebracht. Herschel is een Cassegrain-telescoop.

De 3,5 meter grote hoofdspiegel van de Herschel ruimtetelescoop ondergaat een laatste inspectie - Foto: ESA

Qua structuur lijken Herschel en Planck op elkaar: ze hebben dezelfde achthoekige service module (SVM), ontworpen en gebouwd door Thales Alenia Space in Turijn. Ook de werking van de elektronica, standregeling, computers en energiesystemen is gelijk. Elk gebruiken ze zonnepanelen voor de energievoorziening en bij Herschel doen die ook dienst om de telescoop en instrumenten zo koel mogelijk te houden, door te zorgen voor afscherming van de Zon.

Aan boord zijn drie wetenschappelijke instrumenten: de camera's PACS (Photoconductor Array Camera and Spectrometer) en SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver) en de spectrometer met hoge resolutie HIFI (Heterodyne Instrument for FIRST). Ze werden vervaardigd door Europese instituten, met inbreng van de NASA dat door haar Jet Propulsion Laboratory werd uitgevoerd. PACS had een golflengtebereik van 55 tot 210 micrometer. De camera kon in twee banden tegelijk opnames maken (had de keuze uit de banden 60 tot 85, 85 tot 130 en 130 tot 210 micrometer). Aan het Leuvense Institute of Astronomy werd tien jaar gewerkt aan apparatuur en software voor PACS. Ze kreeg er honderden uren waarnemingstijd voor. Met collega’s uit Gent, Luik, Brussel en Ukkel hebben ze een lijst van doelen opgesteld. In België werkten ook Imec, het Centre Spatiale de Liège en OIP in Oudenaarde mee aan de ontwikkeling van PACS.

De afgewerkte Herschel ruimtetelescoop net voor zijn lancering - Foto: ESA

Ook een camera en spectrometer in één was de SPIRE. Hij werkte op golflengten van 194 tot 672 micrometer. De camera werkte in drie golflengtebanden, rond 250, 350 en 500 micrometer. Instituten uit acht landen, geleid door Cardiff University, werkten aan het instrument. De HIFI werd onder leiding van de Stichting Ruimteonderzoek Nederland (SRON) gebouwd en is het duurste ruimte-instrument ooit opgeleverd door Nederland. Het was een heterodyne detector, die op elektronische wijze gecombineerde straling van verschillende golflengten scheidde. Hij werkte in de golflengtebanden van 157 tot 212 micrometer en van 240 tot 625 micrometer (tussen infrarood en radiostraling) en leerde veel over de aanwezigheid van moleculen in het heelal, waaronder water. De HIFI ondervond een probleem op 9 augustus 2009. Een elektronische transformator in een regelmodule bleek defect. Een back-up nam het over en het instrument werd terug operationeel in januari 2010. De detectoren die SRON bouwde voor de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) zijn afgeleid van de HIFI. De ontwikkeling duurde meer dan 15 jaar en kostte ongeveer 200 miljoen euro. De temperatuur van de drie detectoren werd beneden 2 K gehouden door een voorraad van 2.300 liter vloeibare helium. Bij de lancering werd op een levensduur van 3,5 jaar gehoopt. In tegenstelling tot de Spitzer Space Telescope heeft Herschel geen detectoren aan boord die ongekoeld kunnen functioneren.

Resultaten

• Op 16 juli 2010 werd een speciaal nummer van Astronomy and Astrophysics gepubliceerd met 152 papers, gebaseerd op de eerste waarnemingen. Ook het observatorium en de instrumenten kwamen aan bod. Een tweede speciaal nummer volgde in oktober 2010 met de eerste resultaten van alleen HIFI. De meeste artikels van beide nummers zijn raadpleegbaar.
• Herschel legde een onbekende en onverwachte stap in het proces van stervorming bloot: hoe jonge sterren zich van hun omhullende wolken van overtollig gas en stof ontdoen, zo bleek uit onderzoek van de regio rond NGC 1999 (mei 2010). Verder werd in het spectrum van de wolk rond de protoster L 1157 verrassend een duidelijk signaal van water gevonden. Een andere belangrijke ontdekking is deze van een zware ster van acht zonsmassa’s, in RCW 120, die nog steeds groeit en in gaswolken is verguld. Zware sterren zijn zeldzaam en één gevormd zien worden is heel belangrijk voor het onderzoek. In het Orion Molecular Cloud Complex zijn de jongste protosterren ooit ontdekt en bestudeerd. Van de vijftien nieuw ontdekte protosterren waren er elf zeer rood, wat betekent dat ze nog in de stofwolken gehuld zijn waarin ze werden gevormd. Zeven protosterren die eerder al door de Spitzer Space Telescope werden ontdekt waren ook zeer rood. Uit analyses blijkt dat jonge sterren slechts zo’n 25 000 jaar in de stofwolken doorbrengen waaruit ze geboren worden.
• Op 1 augustus 2011 werd de ontdekking van moleculair zuurstof in de ruimte bevestigd door Herschel.
• In oktober 2011 stond in Nature dat het gehalte deuterium in de komeet 103P/Hartley 2 kon doen vermoeden dat het water op Aarde van komeetinslagen kan afkomstig zijn. Eveneens in oktober 2011 werd aangekondigd dat veel koud waterdamp is gevonden in de accretieschijf van een jonge ster. Koud waterdamp kan kometen vormen, in tegenstelling tot warme waterdamp dat al eerder bij jonge sterren was gevonden. Herschel heeft ook geïoniseerd waterdamp ontdekt, een onverwachte ontdekking. Nog meer water is gevonden in grote hoeveelheden in protoplanetaire schijven.
• Op 18 april 2013 werd, eveneens in Nature, aangekondigd dat het starburststelsel HFLS3 per jaar voor meer dan 2 000 zonsmassa’s aan sterren vormt, een zeer hoge snelheid. Het sterrenstelsel bestond al minder dan een miljard jaar na de oerknal. Een andere ontdekking van Herschel in verband met sterrenstelsels is dat er in stof gehulde sterrenstelsels zijn gevonden die minder donkere materie nodig hebben, dan eerst aangenomen, om gas te verzamelen en sterren te vormen (Nature Online, 16 februari 2011). Een sterrenstelsel kan uitgroeien tot een starburststelsel van zodra er 300 miljard zonsmassa’s aan donkere materie aanwezig is. Sterrenstelsels evolueren blijkbaar ook veel sneller dan verwacht. Herschel toonde aan dat er vroeger veel meer starburststelsels waren dan nu. Een ander onderzoek in verband met donkere materie is het meten van de invloed ervan op de kosmische achtergrondstraling. Deze werd door Herschel gemeten, zo is in oktober 2013 bekendgemaakt. De HSO bleek ook bijzonder geschikt voor het vinden van gravitatielenzen.
• Enkele dagen voor het einde van de missie kondigde de ESA aan dat waarnemingen van Herschel bevestigen dat minstens een deel van het water op Jupiter daar in 1994 werd gebracht door de ingeslagen komeet Shoemaker-Levy 9.
• Heet van de naald is de aankondiging van de ontdekking van een molecule met daarin atomen van een edelgas. Het gaat om moleculen met als één van de bestanddelen argon, gevonden in de gasslierten die samen de Krabnevel vormen (ESA, 13 december 2013).
• Herschel verrichte in totaal meer dan 37 000 wetenschappelijke waarnemingen in 25 000 uren waarnemingen. Deze kaderden in een 600-tal projecten. Een filmpje toont de observaties die Herschel deed in één minuut, te zien op http://spaceinvideos.esa.int/Videos/2013/11/Herschel_s_37_000_science_observations. Momenteel worden de waarnemingen verder verwerkt voor analyse door wetenschappers.

De Herschel ruimtetelescoop maakte de meest gedetailleerde infraroodopname
van het Andromedastelsel - Foto: ESA

Einde

De temperatuur in alle instrumenten begon op 29 april 2013 op te lopen, het teken dat de koelvloeistof was opgebruikt en de missie was afgelopen. Er werden daarna testen uitgevoerd die normaal niet mogelijk zijn met operationele satellieten. Op 17 juni 2013 werd het laatste signaal naar Herschel gestuurd, om de brandstoftanks leeg te maken en zich helemaal uit te schakelen. Omdat de baan rond L2 onstabiel is hebben missieplanners na het einde van de wetenschappelijke missie Herschel in een baan om de Zon gebracht waardoor het enkele eeuwen niet in de buurt van de Aarde kan komen. Een andere optie was het doen botsen met de Maan en zo nog een wetenschappelijke bonus te krijgen, maar door de hogere kosten daarmee verbonden werd de eerste optie gekozen. De opvolger wordt misschien de Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics (SPICA).

Meer info

• Herschel Science Centre: http://herschel.esac.esa.int
• Herschel ESA website: http://sci.esa.int/herschel/
• Herschel foto's: http://spaceinimages.esa.int/Missions/Herschel/(class)/image
• Herschel brochure: http://esamultimedia.esa.int/docs/herschel/HERSCHEL262-LOW-complete.pdf