De infrarood-ruimtetelescoop SPICA is doorgedrongen tot de laatste selectieronde voor een middelgrote missie (M5) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Het SPICA-consortium en ESA gaan het voorstel, dat onder leiding van SRON is ingediend in samenwerking met Japan (JAXA), nu volledig uitwerken. Bij een definitieve selectie uit de laatste drie kandidaten, verwacht in 2021, gaat SPICA de ontstaansgeschiedenis en evolutie van sterrenstelsels in kaart brengen, van tien miljard jaar geleden tot nu. Sterrenkundigen kijken met de telescoop straks ook naar de condities voor de geboorte van planeetsystemen die lijken op ons eigen zonnestelsel.
Ruimtetelescoop SPICA bekijkt het heelal in infrarood licht. Die straling vliegt dwars door het ruimtestof heen dat overal in het universum aanwezig is en het zicht blokkeert voor telescopen die gevoelig zijn voor zichtbaar licht. Via infrarood licht kijken we door de stofsluiers heen, tot diep in het binnenste van sterrenstelsels, stervormende wolken en planeetsystemen in wording.
Astronomen willen sterrenstelsels bestuderen met SPICA (SPace Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) om erachter te komen welke processen hun ontstaan en evolutie reguleren. Al vroeg in de geschiedenis van het heelal, zo’n twaalf miljard jaar geleden, begonnen de eerste sterren zich te vormen in groepen die uiteindelijk uitgroeiden tot de eerste sterrenstelsels. Tijdens de eerste paar miljard jaar verliep dit proces steeds efficiënter, tot de activiteit ongeveer negen miljard jaar geleden piekte. Sindsdien nam de productie gestaag af. De reden voor deze af- en toename is nog onduidelijk. SPICA neemt de spectrale vingerafdrukken van enkele duizenden sterrenstelsels, verdeeld over de geschiedenis van het universum. Daaruit bepalen sterrenkundigen de condities in en rond die sterrenstelsels, en daarmee welke omstandigheden hun vorming en evolutie versnellen en vertragen.
Binnen onze eigen Melkweg zal SPICA sterren en planeetsystemen in wording bestuderen. Dat proces voltrekt zich diep in de sluiers van dichte gas- en stofwolken en kunnen we dus alleen in het infrarood goed volgen. Ook hierbij gebruiken we een spectrale vingerafdruk, waarmee we de omstandigheden bepalen in en rond de materieschijf waarin de planeten zich vormen. De vingerafdruk onthult welke moleculen en atomen de voornaamste ingrediënten zijn voor planeetvorming. SPICA kan daarbij vaststellen in welke delen van de planeetvormende schijf water in gas- of vaste vorm voorkomt en zo de ‘sneeuwlijn’ in kaart brengen. Van meer geëvolueerde planeetsystemen karakteriseert SPICA de buitenste asteroïdeschil—het ‘bouwafval’. In ons Zonnestelsel noemen we deze schil de Oortwolk. Dit geeft een direct inzicht in de ontstaansgeschiedenis van ons eigen zonnestelsel.
SAFARI
Een consortium geleid door SRON is verantwoordelijk voor het grootste en meest complexe instrument van SPICA: de ver-infrarood spectrometer SAFARI. Transition Edge Sensoren (TES) vormen het hart van SAFARI. Die sensoren zijn ontwikkeld door SRON en functioneren alleen optimaal bij minimale achtergrondruis van de telescoop. Om dat te bewerkstelligen wordt de SPICA-telescoop gekoeld tot slechts zes graden boven het absolute nulpunt. Dat maakt SPICA tot de gevoeligste telescoop ooit in het mid- en ver-infrarood.
Bijna twintig instituten uit vijftien landen werken mee aan het SAFARI-project. Ieder instituut levert haar eigen expertise. SRON is systeemarchitect en eindverantwoordelijke, en levert samen met de Verenigde Staten en Groot-Brittannië de TES-expertise. Verder levert Frankrijk het koelsysteem, Spanje de optica en de behuizing en Canada een interferometer. Andere bijdragen komen uit België, Denemarken, Duitsland, Ierland, Italië, Japan, Oostenrijk, Taiwan, Zweden, en Zwitserland.
SAFARI bestrijkt het golflengtegebied van 34 tot 230 micrometer met ruim drieduizend TES-detectoren. De telescoop focust de ver-infraroodstraling op het SAFARI-instrument, dat het met een tralie in verschillende kleuren uiteen splitst. Hierdoor ziet iedere sensor een iets andere kleur. Voor meer detail in deze spectrale vingerafdruk heeft SAFARI een zogeheten Martin-Puplett interferometer, die in het lichtpad geschoven kan worden. SAFARI heeft een speciale koeler om de TES-detectoren af te koelen tot vijftig milligraad boven het absolute nulpunt. Het instrument kan ruim honderd keer zwakkere bronnen bestuderen dan tot nu toe mogelijk was met de beste telescoop.
Instrumenten
Naast SAFARI telt de SPICA-telescoop nog twee instrumenten om het spectrum tussen mid- en ver-infrarood licht bestrijken: straling van 12 tot 350 micrometer golflengte. Japan levert een combinatie van een mid-infraroodcamera en spectrometer, terwijl een Europees consortium geleid door Frankrijk een kleine ver-infrarood camera en polarimeter maakt.
SPICA is een samenwerkingsproject van ESA en de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA. ESA is in de plannen eindverantwoordelijk voor de missie, de telescoop, de bouw van de satelliet-supportsystemen en de integratie van alle onderdelen. Japan levert het koelsysteem en is verantwoordelijk voor het integreren van de ‘payload’—het platform met de koude telescoop en instrumenten. Daarnaast verzorgt Japan de lancering van de satelliet, met een H3-raket. De drie instrumenten worden door consortia van wetenschappelijke onderzoeksinstituten gebouwd, met bijdragen van over de hele wereld.
Een internationaal consortium onder leiding van SRON diende het SPICA-voorstel in 2016 in bij ESA in het kader van de vijfde call voor middelgrote missies (M5) in het Cosmic Vision-programma. SPICA had concurrentie van 25 voorstellen die meedongen naar het M5-budget van 550 miljoen euro. Uiteindelijk is SPICA samen met twee andere missies geselecteerd voor de laatste ronde, waarin via drie parallelle detailstudies het beste voorstel wordt uitgekozen. Naar verwachting kiest ESA op basis van die studies in 2021 definitief haar M5-missie, die rond 2030 de ruimte in gaat.