Ontwikkelingswerk met inzicht

In de cleanroom van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik zetten twee medewerkers van het ruimtevaartbedrijf OHB een deel van de lensoptiek van het NISP-instrument (links) over op een meetmachine (rechts). © Johannes Maas / In de cleanroom van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, brengen twee medewerkers van het ruimtevaartbedrijf OHB een deel van de lensoptiek van het NISP-instrument (links) over naar een meetmachine (rechts). © Johannes Maas

De vier in het NISP-instrument ingebouwde infraroodfilters met diameters van vier centimeter op de voorgrond, evenals acht en veertien centimeter op de achtergrond. Met meer dan 300 gram per filter zijn dit de grootste en zwaarste infraroodfilters die ooit op een astronomische ruimtemissie zijn gebruikt. De basis van alle filters is kwartsglas, dat speciaal wordt gecoat zodat elke filter alleen infraroodlicht bij zeer specifieke golflengten doorlaat. © MPIA/Felix Hormut / De vier infraroodfilters geïnstalleerd in het NISP-instrument met diameters van vier centimeter op de voorgrond en acht en veertien centimeter op de achtergrond. Met meer dan 300 gram per filter zijn dit de grootste en zwaarste infraroodfilters die ooit zijn gebruikt op een astronomische ruimtevaartmissie. De basis van alle filters is kwartsglas, dat speciaal wordt gecoat zodat elk filter alleen infraroodlicht bij zeer specifieke golflengten doorlaat. © MPIA/Felix Hormut

De ESA-missie Euclid in de cleanroom van het Laboratoire d'Astrophysique de Marseille. Het volledig gemonteerde NISP-detectorsysteem bevindt zich aan de rechterkant in de focus van de telescoop. Het glanzende blauwe lensensysteem is duidelijk herkenbaar aan de linkerkant, met de filters in het apparaat achter de lenzen. Deze filters zorgen ervoor dat alleen het infraroodlicht wordt gefilterd voordat het op het NISP-instrument terechtkomt. © Euclid Consortium & NISP-instrumentteam

Wie iemand een ruimtetelescoop zoals Euclid plant, heeft precies één lanceerpoging. Om technologie onder ruimteomstandigheden te gebruiken, moesten onderzoekers en ingenieursteams van de Max-Planck-Gesellschaft grote uitdagingen overwinnen. Ze hebben optische componenten en delen van de instrumenten aan boord ontwikkeld en zorgen momenteel voor foutloze gegevens. Dat bij jarenlange planning soms ook iets misgaat, toont aan dat Euclid de grenzen van het tot nu toe haalbare verlegt.

De periode waarin de Euclid-ruimtetelescoop haar eerste beelden naar de aarde stuurde, ging decennia van onderzoek en technologische ontwikkeling vooraf. Daar waren ook onderzoekers en ingenieurs van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg en het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bij München bij betrokken. Zij maken deel uit van het Euclid-consortium, dat bestaat uit onderzoeksinstellingen in 17 landen. En zij hebben de twee instrumenten van de telescoop, de optische camera (VIS, Visible Instrument) en de Near-Infrared Camera (NISP, Near-Infrared Spectrometer and Photometer), mee ontwikkeld en gebouwd. Een ander team van de beide Max-Planck-instituten garandeert nu samen met collega’s van andere instellingen de werking van de telescoop en de logistiek en kwaliteit van de overgebrachte gegevens.

Een Uniek Voorbeeld

Euclid bevindt zich op een denkbeeldige as tussen de zon en de aarde, achter de aarde, en scant vanaf daar een groot deel van de zichtbare hemel op verre sterrenstelsels. Hier, ver weg van de aardatmosfeer, wordt het zicht op het donkere en veelzijdige universum niet belemmerd. De telescoop is een uniek exemplaar. "We hebben samen de grootste optische lenssystemen ontwikkeld die ooit voor een wetenschappelijke ruimtemissie zijn gebruikt," zegt Frank Grupp, hoofddeskundige bij het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik en de Ludwig-Maximilians-Universität. Vier lenzen, tot 18 centimeter in diameter en 2,5 kilogram zwaar, dat is nog nooit gedaan.

Ook de drie kleurfilters van het NISP-instrument breken records. "Ze zijn de grootste infraroodfilters aller tijden in een astronomische ruimtemissie," zegt Knud Jahnke, van het Max-Planck-Institut für Astronomie, dat de filters samen met de industrie heeft ontwikkeld. De cameravoorgrond van Euclid neemt een afbeelding op die ongeveer zo groot is als de volle maan en daarmee ongeveer 250 keer groter dan het Hubble Deep Field, een enkele opname van het Hubble-ruimte-telescoop, een smal venster waarin toch duizenden verre sterrenstelsels zichtbaar werden.

Het grote gezichtsveld en de grote optiek versterken elkaar. Ze worden ingezet om binnen slechts zes jaar bijna de hele zichtbare hemel buiten onze eigen galaxie te fotograferen met hoge resolutie en detailniveau, en daarbij miljarden sterrenstelsels in een driedimensionale kaart vast te leggen. Het doel: te beantwoorden hoe het universum zich heeft ontwikkeld en welke rol donkere materie en donkere energie daarbij hebben gespeeld.

Minuten van Spanningen

Na de vele jaren waarin de instrumenten van de telescoop onder uiterst zuivere omstandigheden zorgvuldig werden samengebouwd, steeg Euclid op 1 juli 2023 met donderend lawaai op van de Cape Canaveral-ruimtebasis, gedragen door een Falcon 9-raket. Frank Grupp herinnert zich: "Toen ik de motoren in mijn buik en borst voelde, moest ik aan 'mijn' lenzen denken, die slechts zo'n 60 meter van de motoren verwijderd waren en veel sterkere schokken te verduren kregen." Toch was hij optimistisch en wist hij dat de optiek bestand zou zijn.

"Het grootste deel van de mechaniek wordt gebouwd om twee minuten van de lancering te doorstaan, waarin extreme krachten optreden," zegt Knud Jahnke. De grotere problemen deden zich alleen voor aan het begin van de planning. "Heel in het begin is ons een eerste lensontwerp gesneuveld op de testbank. Dat deed pijn. Het was wel licht, maar te bros door het materiaal. We hebben ervan geleerd," zegt Frank Grupp. "Falen is een gevoelig onderwerp, maar het is belangrijk." De lenzen die de ruimte ingingen, waren zwaarder, maar daardoor robuuster. Een compromisbeslissing, want elk gram startgewicht kost duur geld.

Het Succes Zit in Details

Om met Euclids optiek ook beelden te krijgen die geschikt zijn voor kosmologisch onderzoek, dus beelden die beter zijn dan ooit mogelijk vanaf de grond, zijn kalibratiewetenschappers nodig. Aan het Max-Planck-Institut für Astronomie zorgen zij voor de kalibratie tussen de verwachtingen van het telescoop systeem onder ideale omstandigheden en de werkelijke omstandigheden van de telescoop in de baan. Ze optimaliseren de beelden en gegevens door de eigenaardigheden van de instrumenten en de telescoop, evenals de invloed van de ruwe omgeving van de ruimte, nauwkeurig te bestuderen en achteraf mee te nemen. "Het instrument is zoals het is," zegt Knud Jahnke. "Ik kan op papier vooraf berekenen wat te verwachten zou zijn, maar in de ruimte gelden net iets andere omstandigheden dan in het laboratorium op aarde."

Een Driedimensionale Kaart van het Universum

Na zes jaar zal Euclid ongeveer 40.000 opnames hebben geleverd. Om uit de tweedimensionale beelden een driedimensionale kaart van de sterrenstelsels in ons waarneembare universum te maken, zullen grondgebaseerde telescopen worden ingezet om de afstanden tot de afgebeelde sterrenstelsels te bepalen. "De gegevens van de telescopen die we vanaf de aarde gebruiken, overtreffen het datavolume van Euclid ruimschoots," zegt Maximilian Fabricius, van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik en de Ludwig-Maximilians-Universität München, die het Duitse datacentrum van Euclid leidt. Hieronder vallen spectroscopische gegevens, dat wil zeggen de kleurcomponenten van het zichtbare licht, waarmee samen met de infraroodspectra van Euclid de afstanden tot de miljarden sterrenstelsels kunnen worden bepaald.

Vertrouwen Schept Zekerheid

De eerste gepubliceerde wetenschappelijke beelden tonen aan dat het ontwerp van de telescoop aan alle eisen voldoet. De betrokken Max-Planck-Instituten waren tijdens de ontwikkeling van de telescoop onderdeel van een complex en gedetailleerd proces. Zo'n ruimtetelescoop heeft slechts één lanceerpoging en het is niet mogelijk om achteraf reparaties uit te voeren. Volgens Knud Jahnke ligt de sleutel tot succes niet alleen in vakkennis, maar ook in een open cultuur van fouten maken tijdens de ontwikkeling: "Het heeft de missie enorm goed gedaan dat problemen altijd open konden worden besproken en dat men altijd vertrouwenvol met elkaar omging."