Sådan kommer det til at se ud, når NICER-instrumentet med de 56 fokuseringslinser er monteret på Den internationale rumstation, ISS.  (Illustration: NASA)

DTU Space sender ny teknologi på jagt efter neutronstjerner

tirsdag 06 jun 17

Kontakt

John Leif Jørgensen
Professor og Afdelingsleder for Måling og Instrumentering
DTU Space
45 25 34 48

Kontakt

Jérôme Chenevez
Seniorforsker
DTU Space
45 25 97 03

NICER-missionen

NICER står for Neutron star Interior Composition Explorer og er en NASA-mission, hvor DTU Space er en international nøglepartner.

 

Missionen blev sendt afsted lørdag 3. juni 2017 til rumstationen ISS fra Cape Canaveral i Florida med en Falcon-raket fra den private virksomhed SpaceX på opdrag fra NASA. Løfteraketten er et af de nye genbrugelige rumfartøjer, og er landet igen efter opsendelsen. Dermed er det første gang, sådan en operation er gennemført kommercielt af SpaceX for denne type missioner.

 

NICER er i princippet et røntgenteleskop, som monteres oven på ISS. Selve teleskopet består af 56 ’rør’, som er fokuseringslinser, der koncentrerer de indkommende røntgenstråler, i form af fotoner, fra neutronstjernerne på en detektor af silicium.

 

Her opsamles, hvornår og med hvilken energi, fotonerne rammer. Et GPS-system på ISS holder styr på position og tid. Et navigationssystem i form af et modiceret stjernekamera leveret af DTU Space sikrer samtidig, at instrumentet peger i den rette retning i forhold til neutronstjernerne.

 

Udover at undersøge neutronstjerner skal NICER også bruges til for første gang at teste teknologi, der anvender signaler fra dem i form af 'pulser' af røntgenstråler, fotoner, til at navigere efter. Denne teknologi tænkes i fremtiden anvendt til at navigere med på bemandede rummissioner til fjerne dele af solsystemet.

Ny dansk navigations-teknologi og en spændende videnskabelig opgave er med på NASA’s NICER-mission, der netop er opsendt for at hente ny viden om ekstreme stjerner i Mælkevejen.

Der er et solidt videnskabeligt og teknologisk aftryk fra DTU Space på den NASA-mission, lørdag 3. juni blev sendt afsted til Den Internationale Rumstation ISS fra Cape Canaveral i Florida.

Missionen har fået navnet NICER og indeholder et helt ny type røntgen-teleskop, som monteres uden på ISS. Her fra skal det måle på røntgenstråling fra de fjerne neutronstjerner i Mælkevejen.

Neutronstjernerne består af den mest sammenpressede masse, der kendes i universet og kan observeres. På Jorden ville det svare til, at en teskefuld stof fra en neutronstjerne vejede omkring 100 milliarder ton. Den næste tilstand er sorte huller. NICER skal blandt andet hjælpe forskerne med at søge svar på, hvor store disse stjerner egentlig er, hvad der sker i og omkring dem, og hvordan deres stof opfører sig i denne ekstreme tilstand. Det er endnu uafklarede spørgsmål, som missionen skal give ny viden om.

”Vi har arbejdet på det her projekt i omkring seks år. Både på at udvikle nye teknologier til missionen og de ideer, det videnskabelige arbejde med undersøgelse af neutronstjernerne hviler på. Så vi glæder os naturligvis rigtigt meget til at få sendt NICER afsted og monteret på ISS, så vi kan komme i gang med de videnskabelige undersøgelser,”  fortæller professor på DTU Space John Leif Jørgensen.

I løbet af cirka 10 dage ventes NICER ifølge planen at være monteret på ISS og parat til at afsøge rummet for røntgenstråling.

"Vi kommer til at arbejde med nogle af de bedste data, der nogensinde er kommet fra neutronstjernerne. Det vil blandt andet kunne give ny indsigt i de processer, der foregår på og i stjernerne"
Jérôme Chenevez, seniorforsker på DTU Space

Nøglerolle til DTU

DTU Space er en af nøgledeltagerne i missionen.

”Det er teknologisk og videnskabeligt arbejde på meget højt niveau og solidt forankret på et dansk universitet, der nu er sendt afsted til ISS. Det viser, at DTU er en internationalt foretrukken partner, og det er vi stolte af,” siger direktør på DTU Space, Kristian Pedersen, som er i USA for at overvære opsendelsen.

Dels leverer DTU Space det særlige udstyr  til navigation - i form at et modificeret stjernekamera setup - som sikrer, at instrumentet hele tiden peger i den rette retning og sigter korrekt mod de små, kompakte neutronstjerner langt ude i Mælkevejen. Der er nye elementer i teknologien udviklet til formålet, som ventes at få stor anvendelse ved fremtidige rummissioner.

Desuden er forskere fra DTU Space dybt involveret i det banebrydende videnskabelige arbejde med de målinger af stråling fra neutronstjernerne, som NICER skal foretage. DTU er sikret adgang til de unikke data fra det nye teleskop, som skal øge forståelsen af de fjerne stjerner og deres betydning for universet.

”Vi kommer til at arbejde med nogle af de bedste data, der nogensinde er kommet fra neutronstjernerne. Det vil blandt andet kunne give ny indsigt i de processer, der foregår på og i stjernerne,” siger seniorforsker Jérôme Chenevez på DTU Space.

Han skal blandt andet undersøge et særligt fænomen kaldet X-ray bursts som finder sted på nogle typer neutronstjerner. Her sker voldsomme termonukleare eksplosioner, og der dannes nye grundstoffer på en neutronstjernes overflade i forbindelse med, at almindelige stjerner kredser omkring den. Neutronstjernen trækker også stof bort fra de almindelige stjerner.

Et hop i ISS forstyrrer målinger

Hvis en astronaut ombord på ISS sætter af fra en af dens vægge, er det nok til at sætte en bevægelse i gang, som får rumstationen til at bevæge sig en lille smule i sin bane omkring Jorden og dermed forstyrre NICER’s fokus på neutronstjernerne.

Derfor skal instrumentet kunne styres lynhurtigt og med uhyre høj præcision uafhængigt af rumstationen, så det hele tiden kan pege præcist mod den del af universet, hvor strålingen fra neutronstjernene i form af fotoner skal indfanges fra. Det sker med ny teknologi udviklet på DTU Space i form af et modificeret stjernekamera.

DTU Space har i årenes løb leveret disse stjernekameraer til en lang række internationale missioner for såvel NASA som den europæiske søsterorganisation ESA. Men stjernekameraet på NICER-missionen er en ny og markant anderledes generation, som der ikke tidligere har været fløjet med.

Ved at bygge et stjernekamera sammen med en inertiel sensor - en kombineret accelerometer- og gyroskop-sensor - i en navigationspakke opnås en meget pålidelig og præcis bestemmelse af orienteringen, som bruges til at styre NICER’s røntgenteleskop med.

Stjernekameraet tager et digitalt billede af stjernehimlen og sammenligner med et kort i dens computer. På den måde bestemmes orienteringen af instrumentet. Accelerometeret registrerer små afvigelser fra en kendt position, mens gyroskopet foretager retningsbestemmelse ved hjælp af inerti. Lægges disse egenskaber sammen fås en enhed, der kan positionere røntgen-teleskopet med hidtil uset præcision.

Selve teleskopet sidder på en bevægelig arm fastgjort til rumstationen. Informationerne fra navigationsudstyret bruges så til at sørge for, at teleskopet hele tiden peges i den rigtige retning.

”Det er første gang, vi bygger denne type navigationspakke, og nu ser vi frem til at afprøve den i rummet. Den er selvfølgelig  gennemtestet på Jorden, og resultaterne har været så gode, at teknologien allerede indgår i en række fremtidige rummissioner, som ESA og NASA står for. Så det er en stærk løsning, vi har udviklet, som vi forventer os meget af i fremtiden, fortæller John Leif Jørgensen.

Nogle af de neutronstjerner, der skal undersøges, kaldes pulsarer. De roterer med flere tusinde omdrejninger i minuttet og har magnetfelter, der er mange gange kraftigere end Jordens.

Den heftige aktivitet i neutronstjernerne resulterer blandt andet i røntgenstråling, som altså kan opfanges af NICER.  Så det er på alle måder nogle af universets mest ekstreme fænomener, forskerne fra DTU og deres kolleger skal undersøge med NICER-missionen de kommende år.

Neutronstjerner: Det tætteste stof, der kan observeres, før det bliver til sorte huller

• Over 2.000 neutronstjerner er kendte, men der er stadig meget, man ikke ved om dem.

• En neutronstjerne er en kollapset stjerne, hvor stoffet er presset sammen til en ekstremt stor tæthed samlet i en form for kugle, der blot er 10-20 kilometer i diameter og samtidig har en masse cirka 1-3 gange større end Solens. Her på Jorden ville en teskefuld af materiale fra en neutronstjerne veje cirka 100 milliarder ton.

• Stjernens stof er det mest komprimerede materiale, der kendes og kan observeres. Næste stadie af tæthed vil være et sort hul. Neutronstjernerne udgør dermed grænsen for den tilstand, stof kan optræde i, uden at blive til et sort hul.

• Atomerne i en neutronstjerne er blevet presset sammen og skilt ad, så stjernen hovedsagelig udgøres af subatomare partikler i form af neutroner i forskellige fysiske tilstande, men muligvis også i endnu mere elementariske partikler som kvarker.

• Blandt andet vil forskerne forsøge at fastslå neutronstjerners radius og masse mere præcist for på den måde at få mere detaljeret indsigt i de processer, der finder sted i og omkring stjernen, når en masse udsættes for så ekstrem sammenpresning.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.