Dansk optiker til NASAs nye satellit

Der er tårnhøje forventninger til de data og billeder, der skal komme ud af rummissionen NuSTAR.

Missionen skal opsende en ny form for teleskop med helt nye former for optik.

Og det selv om missionen er en såkaldt SMEX-mission.

Det betyder, enkelt forklaret, at missionen har eksperimentel karakter og er i letvægtsskalaen for budgetter og bemanding, i forhold til andre rummissioner.

Men satellittens potentiale kan bidrage til at give et helt nyt aspekt for menneskehedens forståelse for universets oprindelse.

NuSTAR kaldes faktisk intet mindre end et muligt kvantespring inden for rumobservationer.

For satellitten vil gøre det muligt at realisere et teleskop med hundrede gange større følsomhed end tidligere opnået. Det vil være som at åbne et nyt vindue til en hidtil uset del af universet.

Røntgen kan afsløre

Astrofysikere har en stærk formodning om, at der inde i centeret af vores galakse gemmer sig et gigantisk sort hul. Og teorierne siger, at det er den samme historie for langt de fleste andre galakser i kosmos.

Men disse supermassive sorte huller gemmer sig dybt inde bag skyer af støv og andet materiale, der blokerer for alt synligt lys. Så hvordan kan man løfte sløret for hullernes eksistens og rent faktisk studere dem, for at få svar på nogle af de helt dyre spørgsmål om universets tilbliven?

Svaret er at observere dem ved at udnytte den høj-energi røntgenstråling, der udsendes fra de mest ekstreme himmellegemer som sorte huller eller supernovaer.

DTU bygger satellit-hornhinder

Denne røntgenstråling kan nemlig undslippe de enorme skyer, der indhyller himmellegemerne og opfanges med særlige optikker, fuldstændig ligesom man kan udnytte røntgen til at undersøge for eksempel et knoglebrud.

NuSTAR-missionen skal se med en styrke på op til 80 kilo elektronvolt (keV). Til sammenligning har vores dagslys på en solskinsdag maksimalt 2,1 eV.

Men det sætter voldsomme krav til missionens optik, hvor DTU Space står for at udvikle og producere de spejle, som bliver satellittens hornhinder.

Det er disse spejle, som kan indfange og fokusere den ekstreme stråling og sende den videre til detektorer, der så omsætter brutal røntgen til data og bjergtagende billeder hernede. Det er planen, i hvert fald.

Skal vi bare kyle en kikkert?

Nøglen til, om missionen bliver en succes eller ej, ligger altså i sidste ende hos optikken i satellitten og om de informationer, som linsen sender videre til detektoren, er præcise og fokuserede.

Ellers kunne vi lige så godt bare kyle en kikkert op i luften selv. Ph.d.-studerende Nicolai Brejnholt fra DTU Space har arbejdet med at lave en tunnel, der kan give satellitten et synstjek, før den opsendes.

»Denne mission sætter ekstreme krav til det optiske udstyr, der sendes op. Det er præcisionsingeniørarbejde, hvor de mindste unøjagtigheder hvor som helst i satellitten kan forpurre succesen,« forklarer Nicolai Brejnholt og fortsætter:

»En vigtig del af 'pre-flight'-forberedelsen er derfor at lære optikken at kende ned til mindste detalje, hvilket krævede et unikt anlæg.«

»Oprindeligt blev jeg sendt til USA som hjælpende hånd, men det endte med, at jeg overtog en stor del af det egentlige arbejde og derigennem den daglige ledelse af anlægget.«

Buesekunders præcision

På mange måder kan man sige, at Nicolais projekt viser diversiteten i ingeniørens arbejde: I løbet af knap et år har han blandt andet:

Udskiftet kablerne rundt om i en 70 år gammel tunnel under Columbia Universitys bygninger, Lavet koncepterne for styringen og sikkerheden af forsøgene og Konstrueret anlægget ud fra sit eget design.

Resultatet af hans arbejde er, at man kan justere vinklen på optikkens spejle med buesekunders (1:3600 grad) præcision.

Chef i blå overalls

I alt står den danske studerende for omkring 80 % af setuppet, der skal lave synsprøven på den næste generation af høj-energi-rumobservationer.

»Det har været et temmelig interessant forløb, kan man roligt sige. Jeg tog derover med en ambition om at blive en vigtig del planlægningen og konstruktionen af dette anlæg, og det endte med, at jeg blev den daglige leder. I dag er jeg kendt herovre blandt de hvide kitler, som ham med de blå overalls, for det er blevet til min uniform,« smågriner Nicolai.

Men tag ikke fejl.

Nok bærer han blå arbejdsbukser og slæber gamle komponenter op fra undergrunden, men hans projekt har resulteret i en slags underjordisk mini-kosmos: 173 meter af det, for at være nøjagtig, indpakket i bly og en specialbeton af hensyn til røntgenstrålingen og klar til at stå sin prøve i starten af oktober.

Kosmos - nu i kælder

Tunnelen er den første af sin art med en kapacitet til at skyde 100 keV røntgenstråling ud i et rør.

Nicolai har opnået nær-kosmos-tilstande med en tusindedel atmosfære.

»Opbygningen af 'beam-linjen' består af en kraftig røntgenkilde placeret i den fjerne ende af en undergrundstunnel.«

»De udsendte røntgenstråler ville under normale omstændigheder blive absorberet og spredt på den lange vej til optikken.«

»Det er derfor, vi har en lang vakuum-rørlinje, hvor selv de laveste energier, vi er interesserede i, kan rejse stort set uhindret,« forklarer Nicolai.

Fra splitsekund til én million sekunder

Røntgenstrålen starter i den ene ende med at være 7,5 mm bred og ender sin 170 meters rejse med at være en halv meter.

På den måde 'beskydes' hele linsen på NuSTAR, og det er det, der er alfa og omega for testen.

For på den måde kan forskerne se, hvordan optikken omsætter bombardementet ved at sende det igennem spejlene og videre ind i detektoren i realtid, mens den står på jorden. Det kommer til at ske ved en omfattende såkaldt kalibrering, der skal stå på i 11 dage med uafbrudt bestråling.

»Formålet med kalibreringen er at forstå helt nøjagtigt, hvad det er, vi sender ud i rummet, så vi ikke oplever nogen optik-relaterede overraskelser, når de data, vi får fra rummet, skal behandles. Det bliver stort! Styrken på strålingen svarer nogenlunde til det, man bruger på hospitalerne til røntgenbilleder. De gør det i et splitsekund - mit setup skal klare det i én million sekunder,« siger Nicolai.

Lavet i samarbejde med DTU Avisen.