I foråret 2011 skulle ESA (European Space Agency) udvælge fire ’mellemklasse-missioner’ – missioner som er over nationale projekter, og som får delvis finansiel støtte af ESA – ud af 57 forslag. De fire rummissioner gik videre til finalen om at blive opsendt i år 2022.
En af de missioner, som blev udvalgt, var satellitten LOFT. En gruppe danske forskere er med til at udtænke og designe instrumenter til LOFT-satellitten, som skal studere sammensætningen af mystiske fænomener som sorte huller og neutronstjerner.
Nu er konkurrencen spidset til, mens forskerne i hvert af de fire projekter kæmper for at blive færdige, så de kan præsentere et gennemtænkt design og budget i år 2013 – og overbevise ESA om, at nåleøjet lige passer til deres mission.
»Det er svært at vurdere vores chancer på nuværende tidspunkt – man kan spille i Champions League og have det bedste fodboldhold, men det er alligevel ikke altid nok til at vinde,« siger seniorforsker Søren Brandt fra DTU Space. Han har ansvaret for at udarbejde det højt avancerede røntgen-kamera, som er et af de to instrumenter, der skal være ombord på LOFT.
Du kan læse om de tre andre projekter i boksen under artiklen.
Neutronstjerner og sorte huller er målet
Det, der gør LOFT-projektet til noget helt særligt, er blandt andet størrelsen på røntgendetektoren. Dens 15 kvadratmeter store areal er 20 gange større, end noget røntgenkamera man tidligere har sendt ud i rummet.
Størrelsen betyder, at LOFT vil kunne observere i langt større detalje og bringe mange flere data tilbage fra objekter, man peger den imod, end andre satellitter tidligere har kunnet.
»Vores primære mål med missionen vil være at kigge på neutronstjerner og sorte huller i detalje og finde ud af, hvordan de er skruet sammen. Vi vil finde ud af, nøjagtig hvordan stoffet opfører sig i nærheden af neutronstjernen og det sorte hul for at få bekræftet, at den teori, vi har for tyngdekraften, er rigtig,« siger Søren Brandt.
Det danske bidrag skal give overblik
LOFT-satellitten kan observere et meget lille stykke af himlen af gangen meget detaljeret med den store detektor, som kaldes LAD (Large Area Detector). Men for at finde ud af, hvor man skal pege satellitten hen, er man nødt til også at have et bredere overblik. Og det er netop det, danskernes bidrag skal bruges til.
»Populært sagt kigger man ud gennem et lille rør, så man kun observerer en lille del af himlen på én gang. På den måde kan man være nogenlunde sikker på, hvad det er for en neutronstjerne, man kigger på,« siger Søren Brandt og fortsætter:
»Røntgen-kameraet kan til gengæld danne billeder i røntgen-stråling af en stor del af himlen på én gang og finde de interessante kilder, som vi skal pege satellitten hen i mod.«
Tæt stof er af fundamental fysisk interesse
Inde i deres centrum har alle stjerner en enorm tyngdekraft, som bliver svagere og svagere ud mod stjernens overflade. En neutronstjerne består reelt set kun af en afdød stjernes centrum, og derfor har den et ekstremt kraftigt tyngdekraftsfelt i hele dens masse.
\ Fakta
Røntgenstråling er en vanskelig størrelse at arbejde med, fordi den er meget variabel. Mange systemer er kun i udbrud en sjælden gang, og derfor skal man være ’vaks ved havelågen’ for at nå at fange dem på det rette tidspunkt, fortæller Søren Brandt.
Med den nye satellit håber forskerne på at kunne finde ud af, hvordan det meget tætte stof opfører sig inde i neutronstjernerne.
»Kernestoffet inde i en neutronstjerne er totalt presset sammen og har en massefylde, som er lige så stor som en atomkerne. Det er af fundamental fysisk interesse at finde ud af, hvordan stof opfører sig i de tætheder, fordi det kan fortælle os noget, hvordan partikel- og kernefysik i virkeligheden virker,« siger Søren Brandt.
Kan kun observeres med røntgenkamera
Neutronstjernerne er typisk titusinder af lysår væk fra Jorden og kan ikke observeres direkte, men det kan til gengæld den røntgen-stråling, som de af og til udsender. For eksempel udsender neutronstjerner sommetider røntgen-bursts, som minder om en form for kerneeksplosion på stjernens overflade.
Et sort hul (link til artiklen ’Hvad er et sort hul?’ på Videnskab.dk) kan heller ikke observeres direkte, fordi det populært sagt ’stjæler’ alt omkringliggende lys. Men det er ikke kun lyset, sorte huller suger til sig, de stjæler faktisk alt omkringliggende stof.
Gas, støv og stjerner, som hullerne suger til sig, hvirvler voldsomt rundt om hullet og bliver kværnet, knust og sammenpresset, før det forsvinder ind i hullet. I denne proces bliver stofferne opvarmet voldsomt og stråler kraftigt – blandt andet røntgen-stråling, som i modsætning til hullet selv godt kan observeres.
Skal holde sig koldt – med Solen som nabo
Sammen med et institut i Barcelona har Søren Brandt ansvaret for at udvikle det vidvinklede røntgen-kamera WFM (Wide Field Monitor) til LOFT-satellitten. De arbejder pt. intensivt på at udvikle kameraet, så det lever op til alle krav.
\ Fakta
LOFT (The Large Observatory For X-ray Timing) skal have to instrumenter med ombord: En stor område-detektor med et areal, som er langt større end de nuværende røntgen-detektorer i rummet, og en Wide Field Monitor (WFM), som skal overvåge en stor del af himlen. Med sin høje opløsning vil LOFT kunne revolutionere studier af kollapsede objekter i vores galakse og af meget lysstærke supertunge sorte huller i aktive galaktiske kerner.
Blandt andet arbejder detektoren bedst ved minus 25-30 grader, hvilket kan være en udfordring, når Solen skinner på instrumentet. De kolde temperaturer sikrer, at man kan måle energien fra røntgenfotonerne så nøjagtigt som muligt. Derfor arbejder man på, hvordan man kan slippe af med varmen igen – hvilket ikke er sådan ligetil i rummet.
»Vi skal finde ud af, hvor meget instrumenterne kommer til at veje, hvor meget strøm de skal bruge, hvor store solpaneler man skal sætte på og en masse andre praktiske ting. Alt det skal ESA’s ingeniører vide, så de kan beregne, hvordan man bygger en satellit, der kan bære de her instrumenter,« siger Søren Brandt.
Vigtigt ikke at stille umulige krav
Det kritiske punkt er, hvor meget projektet kommer til at koste, fortæller Søren Brandt. ESA har nemlig en økonomisk grænse på, hvor mange penge de må bruge på mellemklasse-missioner som denne. Den øvre grænse er på 470 millioner euro, og selvom det lyder af meget, kan det være svært at holde udgifterne på sådanne projekter nede på det beløb.
Til at starte med troede man for eksempel, at alt udstyret til LOFT-satellitten ville kunne sendes op med en mindre raket, men nu peger det i retning af, at det bliver nødvendigt at tage en lidt større og dyrere raket for at få plads.
»Økonomien vejer tungt i den endelige udvælgelse. Når ESA vurderer et projekt, skal de veje udgifterne op imod, hvor meget videnskab de får for pengene,« siger Søren Brandt og fortsætter:
»Man skal huske, at det også er en konkurrence, og derfor er det vigtigt, at man ikke stiller umulige krav. Det er ligesom med håndværkere: Den, der kan lave det for færrest penge, får kontrakten.«
Observationer kan deles af mange
\ Fakta
En neutronstjerne er det, der er tilbage, efter at en stjerne med en masse mere end otte gange større end Solens er død. Stjernen danner tungere og tungere grundstoffer igennem sit liv, og til sidst består dens kerne kun af jern. Dens energiproduktion stopper, og hvis stjernen er tung nok, resulterer det i en supernovaeksplosion. Under eksplosionen opstår et såkaldt ’kollaps’, der presser jernkernen sammen til en ekstremt varm og lille stjerne med stor koncentration af neutroner – deraf navnet, neutronstjerne.
En af LOFT-satellittens store fordele er, at den på grund af det danske røntgenkamera har et meget stort synsfelt og en dækning i et energiområde, som meget få satellitter tidligere har dækket.
Derfor kan man holde øje med mange røntgenkilder samtidig, og selvom selve satellitten ikke peger den vej på det givne tidspunkt, vil man bare med billederne fra kameraet kunne lære mere om, hvordan røntgen-kildernes systemer fungerer.
Desuden kan observationerne fra satellittens teleskop deles af mange, hvilket giver mulighed for at mange projekter kan køre samtidig.
»Det her er et af de bedste forslag, Europa kan komme op med på nuværende tidspunkt – selvom det er en dyr fornøjelse,« slutter Søren Brandt.
Det endelige vinderprojekt bliver udpeget af ESA i år 2013.
\ Her er LOFT’s konkurrenter
LOFT er oppe imod tre andre ’medium-class’-projekter, som alle kæmper for at blive den mission, ESA udvælger til at blive opsendt i 2022:
-
EChO (The Exoplanet Characterisation Observatory) skal som den første lave en dedikeret undersøgelse af atmosfæren i exoplanet-systemer. En exoplanet er en planet i en anden galakse, som kredser om en sol ligesom vores, og som i nogle tilfælde viser sig at have de nødvendige betingelser for liv. Det er sådan en jordlignende planet, Kepler-satellitten fandt i efteråret 2011 (Kepler 22b). ECHO vil kunne observere exoplaneterne i en højere opløsning, end man hidtil har kunnet. Satellitten vil kunne måle atmosfærens sammensætning, temperatur og albedo (et mål for en overflades evne til at reflektere lys og dermed energi). Det vil give os en bedre forståelse for exoplaneternes interne struktur, og af hvordan planeterne dannes og udvikler sig.
- Marcopolo-R er en mission, der skal returnere prøver af materiale fra kometen NEA, der ligger tæt på Jorden. De videnskabelige data, der vil komme ud af en analyse af det materiale, vil kunne bidrage til at besvare centrale spørgsmål om de processer, der finder sted i løbet af en planets dannelse og ved udviklingen af planeternes byggesten. Missionen vil også afsløre, om NEA indeholder materiale fra før Solens opståen – i så fald vil den måske kunne kaste lys over oprindelsen af de molekyler, der er nødvendige for liv.
- STE-Quest (The Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test) er afsat til at lave præcise målinger af virkningerne af tyngdekraftens påvirkning af tid og stof. Dens primære mål vil være at teste ækvivalensprincippet, som er en grundlæggende antagelse i Einsteins generelle relativitetsteori. STE-Quest skal måle krumningen på tiden i rummet ved at sammenligne tiden på ure ombord på rumfartøjet med ure på Jorden. En anden målsætning for den er at teste universaliteten i det frie fald, altså teorien om at tyngdeaccelerationen er universel, også i rummet.
