Infrared Astronomical Satellite (IRAS)

IRAS (Infrared Astronomical Satellite) was de allereerste satelliet, en meteen ook een zeer succesvolle, die de hele hemel heeft waargenomen in infrarode straling. Met de resultaten werd de eerste hemelatlas van infrarode stralingsbronnen samengesteld. Infrarode straling (IR) werd in 1800 door de Brit William Herschel ontdekt en onderzoek in IR kan vanaf het aardoppervlak niet, of in heel beperkte mate, gebeuren. IRAS mag terecht een ‘eye opener’ voor infraroodsterrenkunde genoemd worden.

Planning, lancering en baan

De partners in het project waren de Verenigde Staten van Amerika, Nederland en het Verenigd Koninkrijk. Van het ondertekenen van de plannen en het samenwerkingsakkoord verliep zeven jaar. De National Aeronautics and Space Administration (NASA) zorgde voor het ontwerp en de ontwikkeling van de telescoop, met als hoofdaannemer Ball Aerospace uit Boulder in Colorado. De spiegels werden vervaardigd door PerkinElmer, dat later met minder succes de spiegel voor de Hubble Space Telescope maakte (vertoonde sferische aberratie). De NASA zorgde ook voor de finale verwerking van de surveygegevens van IRAS. De databanken en beelden van IRAS worden bewaard door het Infrared Processing and Analysis Center (IPAC) van het California Institute of Technology.

Het Nederlands Instituut voor Vliegtuigontwikkeling en Ruimtevaart (NIVR) en het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) leverden de satelliet, zorgden voor de integratie van de onderdelen en het testen ervan en voor de vluchtsoftware. Belangrijkste partners in Nederland waren Fokker Space en Hollandse Signaal (toen een onderdeel van Philips). IRAS was veel groter dan de Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS), waarmee Nederland veel ervaring had opgedaan. ANS was de eerste Nederlandse satelliet en werd in 1974 gelanceerd. Daarom wordt naar IRAS soms verwezen als ANS-B. Voor Nederland was IRAS ook zeer belangrijk om de kennis en kunde te etaleren binnen de jonge Europese ruimtevaartorganisatie ESA (in 1975 opgericht door samenvoegen van twee voorlopers). In Groot-Brittannië stond het Science and Engineering Research Council (SERC) in voor de coördinatie voor het werk dat onder meer het Britse Rutherford Appleton Laboratory uit Chilton uitvoerde voor het volgen van de satelliet en ontvangen van de gegevens. Veel sterrenkundigen twijfelden eraan of de technologie al rijp was voor een missie als IRAS.

De satelliet werd op 26 januari 1983 gelanceerd vanaf Vandenberg Air Force Base met een Amerikaanse Delta-3910-raket. Die plaatste IRAS in een polaire, cirkelvormige baan op een hoogte van 900 km. De inclinatie van de baan was 99°, het is een zonsynchrone baan. De satelliet draaide in 103 minuten om de Aarde. De beschermkap werd na zes dagen geopend en routinematige waarnemingen, na een controle van alle systemen, begonnen op 9 februari 1983. Hij bleef functioneren tot 23 november 1983. Nog voor de lancering van IRAS waren al studies bezig voor een opvolger. Mede door de eerste successen van IRAS werd het pad voor de Europese Infrared Space Observatory (ISO) geëffend, die op 19 november 1995 werd gelanceerd en tot mei 1998 operationeel was.

Verschillende infraroodsatellieten volgden: de Cosmic Background Explorer (COBE, 1989) had met het Diffuse Infrared Background Experiment (DIRBE) een instrument aan boord dat ook in infrarood observeerde, de Hubble Space Telescope (1990 – ) had met NICMOS (1997 – 1999 en 2002 – 2008) een instrument aan boord voor infraroodsterrenkunde. Het Midcourse Space Experiment (MSX, 1996 – 1997), de Infrared Telescope in Space (IRTS, 1995), het Europese ISO, de Amerikaanse Spitzer Space Telescope (2003), het Japanse AKARI (ook Astro-F – 2006), de Amerikaanse Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE, 2009) en het Europese Herschel Space Observatory (HSO, 2009 – 2013 – zie Guidestar januari 2014). In de toekomst wordt de James Webb Space Telescope gelanceerd (2018). Heel veel onderzoek wordt ook gedaan vanop de hoogst gelegen sterrenwachten en aan ballonnen, omdat infrarode straling niet in de dampkring kan doordringen (op kleine uitzonderingen op bepaalde golflengten na). Een vliegtuig was ook uitgerust voor dergelijk onderzoek: het Kuiper Airborne Observatory (1974 – 1995). Het IRAS projectbeheer berustte bij Peter Linssen en Eugene Giberson.

Opbouw en instrumenten

IRAS woog bij de lancering 1 083 kg en was daarmee de zwaarste satelliet die tot dan door Europa was gebouwd. De hoogte was 3,86 meter en de breedte 2,16 meter, de zonnepanelen buiten beschouwing gelaten. Het hoofdinstrument was de IR Telescope die een gewicht had van 800 kg. De brandpuntsafstand was 5,5 m en de openingsverhouding was f/9,6. De Ritchey-Chrétien telescoop bevatte twee spiegels van beryllium omwille van de lage bedrijfstemperatuur van Het Nederlandse Dutch Additional eXperiment (DAX) was uitgerust met de Low Resolution Spectrometer (LRS), de Chopped Photometric Channel (CPC) fotometer en een short-wavelength channel (SWC) fotometer. De LRS heeft het spectrum opgemeten van 5.425 bronnen en dat op golflengten van 7,5 tot 23 micrometer. Hij was daartoe uitgerust met vijf detectoren. De twee detectoren van de CPC maakten kaarten op 50 en 100 micrometer door het beeldveld met een diameter van 1,2 boogminuten te scannen en dat gebeurde alleen tijdens gerichte observaties. Doordat de temperatuur van de telescoop en de detectoren lager was dan verwacht, leverde de CPC opnames van een lagere kwaliteit dan gehoopt en was de data moeilijk bruikbaar. Het DAX bestudeerde enkele duizenden bronnen uitgebreider dan gebeurde tijdens de surveys. De instrumenten werden vervaardigd aan de universiteit van Groningen. Ongeveer 96% van de hele hemel werd viermaal vastgelegd in vier golflengtegebieden gecentreerd rond 12, 25, 60 en 100 micrometer. De resolutie lag tussen 30 boogseconden bij 12 micrometer en 2 boogminuten bij 100 micrometer. De doelstelling was meer dan 95% in kaart brengen. De scansnelheid voor de surveys was 3,85 boogminuten per seconde (of 3,85° per minuut).

De IRAS ruimtetelescoop zonder zonnepanelen - Foto: Ball Aerospace

Om de telescoop en de detectoren optimaal te beschermen tegen strooilicht en opwarming was de kijkrichting loodrecht op de richting van de Aarde en de Zon en de zonnepanelen fungeerden ook nog eens als zonnescherm voor het dewarvat met het vloeibare helium. De satelliet mocht nooit naar de Zon of de Aarde kijken. Een grote zonnekap voorkwam strooilicht en de rest van de satelliet (besturing, batterij, computers, ...) was door enkele lagen isolatie afgeschermd van de instrumenten en telescoop. De zonnepanelen leverden 500 watt elektrisch vermogen, waarvan 250 watt continu nodig was en de rest ging naar de batterij. Er waren twee boordcomputers die opnieuw geprogrammeerd konden worden. De waarnemingen genereerden ruim 100 megabyte informatie per dag, die eerst tijdelijk werd opgeslagen aan boord en eens per twaalf uur naar het grondstation in Groot-Brittannië werd gestuurd. De downlinksnelheid was 1 miljoen bits per seconde. Na het doorsturen ontving IRAS de taken voor de volgende twaalf uur en deze werden volledig geautomatiseerd en zelfstandig uitgevoerd.

De satelliet en surveymethode waren geoptimaliseerd voor de hoogst mogelijke betrouwbaarheid bij het detecteren van puntbronnen, maar gerichte observaties gebeurden ook in de Additional Observations (AO). Voor de AO werd 40% van de waarneemtijd gebruikt en in die AO werden 7.326 bronnen bestudeerd die al voor de lancering waren vastgelegd. Eén gerichte waarneming kon maximaal twaalf minuten duren. Een belangrijke ster voor het ijken van de waarnemingen op 12 micrometer was Aldebaren (alfa Tauri). Voor de overige drie golflengten werd de planetoïde (19) Fortuna gebruikt. Voor alle banden werd als tweede optie voor het ijken ook de planetaire nevel NGC 6543 gebruikt. De planetaire nevel werd minstens éénmaal per dag waargenomen. Voor de vergelijkende kalibratie van de banden onderling werd naast Aldebaran en Fortuna ook Etamin (gamma Draconis) gebruikt.

De IRAS ruimtetelescoop - Foto: Ball Aerospace

Resultaten

• Het belangrijkste resultaat van IRAS is het opmaken van de eerste overzichtskaart van de hele hemel in infrarode straling. Het werd samengesteld door het Laboratorium voor Ruimteonderzoek in Groningen in samenwerking met het Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena in de VS. Hij detecteerde ongeveer 350 000 infrarode bronnen en deed daarmee het aantal bekende sterrenkundige bronnen toenemen met ongeveer 70%.
• Rond bepaalde hoofdreekssterren, zoals de heldere ster Wega, ontdekte IRAS de aanwezigheid van een stofschijf. Dit is belangrijk omdat het meer leert over de vorming van de ster en een planetenstelsel in wording kan zijn. Ook van bijvoorbeeld Fomalhaut werd veel meer straling ontvangen dan verwacht kon worden van een jonge ster. De bekendste ‘stofschijfster’ is misschien wel Beta Pictoris en met Epsilon Eridani is het bekendste groepje van vier compleet.
• Een andere belangrijke vaststelling was dat sommige objecten aan de hemel alleen in het infrarood zichtbaar zijn. Deze ontdekking is vooral ook belangrijk voor het onderzoek in verband met stervorming. Onderzoek van de zogenaamde Bok globules, naar Bart J. Bok (1906 - 1983), toonde aan dat het geboorteplaatsen van sterren zijn.
• Honderden sterrenstelsels hebben een (extreem) grote infraroodhelderheid. Deze zogenaamde LIRG- en ULIRG-sterrenstelsels ((ultra) luminous ir galaxy) zijn sterrenstelsels die de meerderheid van hun straling uitzenden op infrarode golflengten (soms tot 99%). In de ruime omgeving van het Melkwegstelsel zijn dergelijke sterrenstelsels zelfs een grote belangrijke groep. Het gaat om sterrenstelsels met veel stof, met veel stervorming of sterrenstelsels met een actieve kern (Active Galactic Nuclei (AGN)). Het prototype voor de ULIRGs is Arp 220 (twee botsende sterrenstelsels op een afstand van 250 miljoen lichtjaar). IRAS merkte ook de gevolgen op van interagerende sterrenstelsels, met hun stofstaarten en bruggen. De resultaten bleken van zeer groot belang te zijn voor de kosmologie, omdat een zeer groot aantal sterrenstelsels was waargenomen zonder hinder te ondervinden van galactische absorptie.
• IRAS stelde onverwacht vast dat in bijna elke richting ‘infrarode cirrus’ aanwezig is, dat is zwakke straling veroorzaakt door opgewarmde stofdeeltjes. Deze slierten van stofdeeltjes vormen zoals cirrusbewolking – vandaar de naam – een sluier aan de sterrenhemel die alleen in het infrarood te zien is. De temperatuur van de stofdeeltjes ligt tussen 15 en 30 K en de ‘warmte’ komt van opgevangen sterlicht. De IR cirrus is belangrijk in het Melkwegstelsel en omringende sterrenstelsels (tot een roodverschuiving van 3). De straling op 12 micrometer is veel helderder dan verwacht.
• Het centrum van het Melkwegstelsel werd voor het eerst zichtbaar.
• Hoewel het een infrarode missie was, geschikt om koele objecten in het zonnestelsel te vinden, heeft hij toch slechts drie planetoïden ontdekt. Een belangrijke reden daarvoor is de manier van waarnemen, surveys in de plaats van gerichte waarnemingen (naar bewegende objecten). WISE, een recentere missie die speciaal naar planetoïden zocht, heeft meer dan 30.000 nieuwe planetoïden ontdekt, maar WISE was dan ook nog duizend keer gevoeliger dan IRAS. Het is een team rond Jack Meadows (Leicester University) dat verworpen bronnen opspoorde, omdat ze bewogen. Het belangrijkste object dat door hen ontdekt werd was de planetoïde (3200) Phaethon, bron van de meteorenzwerm Geminiden. Ze vonden dus nog twee andere planetoïden. De planetoïde (3728) IRAS werd naar de ‘ontdekker’ genoemd, die hem op 23 augustus 1983 spotte.
• Zes kometen en een enorm stofspoor, dat van de komeet Tempel-2 afkomstig is, zijn andere ontdekkingen onder de bewegende objecten. De kometen 126P/IRAS en 161P/Hartley-IRAS zijn kortperiodieke kometen en de komeet IRAS-Araki-Alcock (C/1983 H1) was de spectaculairste ontdekking, ook de eerste komeet die de infraroodsatelliet opmerkte in mei 1983.
• Op 10 december 1983 was er even ophef doordat IRAS mogelijk een object had ontdekt ‘mogelijk zo groot als Jupiter’ en zo dichtbij dat het wel eens ‘deel kon uitmaken van het zonnestelsel’. Het bleek later te gaan om sterrenstelsels en de intergalactische cirrus. Bij sommigen heerste ongetwijfeld ontgoocheling omdat IRAS geen tiende planeet bij de Zon ontdekte.
• Er wordt nog steeds onderzoek gedaan op de gegevens van IRAS, meer dan 30 jaar na het einde van de missie. Naar heel wat objecten wordt verwezen met hun IRAS-catalogusnummer, zoals IRAS 00259+5625 en IRAS 00420+5530. In februari 2014 werd een herwerkte versie van de Faint Source Catalogue (FSC) gepubliceerd. Deze bevat ongeveer 60.000 bronnen op een golflengte van 60 micrometer. Een korte zoektocht leerde dat ook Belgisch onderzoek zeker tot rond 2003 nog gebeurde op IRAS-data en in 2012 nog op een object uit de IRAS-catalogus (IRAS 11472-0800). Stephanie De Ruyter verwees in haar proefschrift over ‘Binary post-AGB stars with a disc’ (UGent, 2006) meermaals naar gegevens en vondsten van IRAS.

Meer info

• Caltech IRAS website: http://irsa.ipac.caltech.edu/IRASdocs/iras.html