08 augustus 2022
In de jaren tachtig van de vorige eeuw maakte de ontwikkeling van de ruimtevaart grote stappen. Het onderzoek van het zonnestelsel bracht via ruimtesondes een nieuw beeld van verre objecten in de huiskamer. In deze editie van de decenniumreeks neemt Jacob Kuiper je mee naar een absoluut hoogtepunt de jaren ’80: de Giotto-missie waarbij voor het eerst in de geschiedenis een komeet van zeer nabij werd geobserveerd.
De Europese ruimtesonde dankte zijn naam aan de Italiaanse Italiaanse schilder Giotto di Bondone. Die schilderde de “Aanbidding door de wijzen” waarop een komeet is afgebeeld. Waarschijnlijk werd de kunstenaar in 1304 geïnspireerd door de verschijning van een komeet, terugrekenend moet dat die van zijn latere naamgever zijn geweest, Halley. Op 2 juli 1985 werd de Giottosonde gelanceerd vanaf de lanceerbasis Kourou in Frans Guyana. Na een reis van acht en een halve maand bereikte de sonde zijn kometaire doelwit.
“Maak een foto van een piloot die in de cockpit van een Concorde zit en zorg dat in zijn gezicht nog details van 7 millimeter herkenbaar zijn. Die foto moet je maken terwijl het supersonische vliegtuig jou nadert op kruissnelheid van 2150 km/uur (bijna Mach 2) en op een afstand van 300 meter passeert.” Met deze vergelijking probeerde Professor Horst Uwe Keller een beeld te schetsen van het technisch hoogstandje waarmee de Giotto-sonde op 14 maart 1986 de kern van de komeet van Halley in beeld bracht, toen de komeet gedurende zijn 76-jarige omlooptijd rond de zon weer de binnenregionen van het zonnestelsel doorkruiste. De hoofdonderzoeker van het Max Planck Instituut voor Aeronomie in het Duitse Lindau was verantwoordelijk voor de bouw van de Halley Multicolour Camera. Het was dan ook geen wonder dat hij laaiend enthousiast reageerde toen de eerste foto’s van de komeetkern binnenkwamen in het vluchtleidingscentrum in Darmstadt.
De veelkleurige foto’s verschenen in rap tempo op de beeldschermen en werden tijdens een rechtstreekse televisie-uitzending aan de wereld getoond. Ook in Nederland was de live reportage op de avond van 13 maart 1986 te volgen. Het was al tien over één ’s nachts toen de sonde de komeet op zijn dichtst naderde. Met een duizelingwekkende snelheid van 245.000 km/uur (in ongeveer 1 minuut over de Atlantische Oceaan vliegen!) scheerde de sonde op een afstand van slechts 596 kilometer langs de komeetkern. Enkele seconden daarvoor viel het beeld dat de sonde naar de aarde stuurde weg. Een stofdeeltje van hooguit 1 gram was met en snelheid van ongeveer 70 km/sec tegen de sonde geknald en bracht het ruimtevaartuig uit zijn eigen spinrotatie. Het leek erop dat de missie abrupt was geëindigd, maar in de volgende 32 minuten wisten de stuurraketten de sonde weer in zijn oorspronkelijke positie te brengen. De grote communicatieantenne richtte zich weer op de aarde en meerdere instrumenten zonden daarna nog grote hoeveelheden data door. Dat gold niet voor de Halley Multicolour Camera. Die werd vlak na het moment van kortste nadering geraakt door een ander stofdeeltje en overleefde die inslag niet. Visuele beelden konden daarna niet meer worden gemaakt.
Fred Whipple
49 Minuten na het moment van dichtste nadering werden de laatste inslagen van stofdeeltjes op de sonde geregistreerd. In totaal werden 12.000 inslagen opgetekend, de eerste al 122 minuten vóór het moment van kortste nadering. Tijdens de dichtste nadering tot de komeetkern liep het aantal inslagen op tot zo’n 120 per seconde. Juist dat was het meest kritieke aspect van de hele missie. Hoe kon de sonde zijn werk vlak bij de komeetkern nog uitvoeren, zonder door de met enorme snelheid inslaande stofdeeltjes te worden uitgeschakeld?
In 1947, ver voor het begin van het ruimtevaarttijdperk, had de befaamde Amerikaanse astronoom Fred Whipple al een methode bedacht om toekomstige ruimtevaartuigen te beschermen tegen stofinslagen. Zorg dat het beschermende schild uit meerdere lagen bestaat, waardoor de bij de botsing vrijkomende kinetische energie in fasen wordt afgevoerd. Een stofdeeltje van 0,1 gram zou bij Giotto een aluminiumplaat van 8 millimeter dikte nog kunnen doorboren. Zo’n massief schild zou echter 600 kilo wegen, veel te zwaar uit oogpunt van lanceergewicht. Daarom werd voor Giotto een tweelaags beschermingsschild ontworpen. Dit zogenaamde Whipple-shield bestond uit een aluminiumplaat van 1 millimeter dikte, waarbij de meeste deeltjes tijdens een botsing zouden verdampen. Deeltjes tot 1 millimeter groot zouden de klap ten dele overleven maar stuitten daarna op een 12 millimeter dikke laag kevlar die 23 centimeter achter de aluminiumplaat was aangebracht.
Er werd veel informatie over de samenstelling van de komeetstaart verkregen. De meeste stofdeeltjes waren zeer klein, vergelijkbaar met die in sigarettenrook. Desondanks stootte de komeet bij de Giotto-passage toch iedere seconde zo’n drie ton aan materiaal uit. Giotto detecteerde in totaal zeven actieve stofbronnen – in de vorm van jets ̶ op het komeetlichaam. De samenstelling van het uitgestoten materiaal bestond voor 80 procent uit water, 10 procent uit koolmonoxide en voor 2,5 procent uit een mix van methaan en ammoniak. In zeer kleine hoeveelheden werden nog meerdere koolwaterstoffen, ijzer en natrium aangetroffen. Het oppervlak van de komeet bleek bijzonder donker te zijn. Metingen lieten zien dat de grotendeels uit ijs bestaande komeetkern bedekt is met een dikke laag stof die rijk is aan koolstof.
Staart en coma
De afmeting van de komeetstaart was indrukwekkend. Al op 12 maart 1986 detecteerde Giotto de eerste waterstofionen van de staart. Dat was op een afstand van 7,8 miljoen kilometer van de komeetkern. 22 uur later passeerde Giotto de ‘boeggolf’ van de komeetcoma, de plek waar zonnewinddeeltjes botsen op de komeetcoma en worden afgeremd tot subsone snelheden. De enorme komeetcoma belemmerde direct zicht op de komeetkern. Om de sonde toch zo dicht mogelijk langs de kern te laten scheren, werd gebruik gemaakt van waarnemingen van twee Russische komeetverkenners, Vega 1 en 2. De Vega 1-sonde maakte op 4 maart 1986 de allereerste opnamen van Halley’s komeetkern. Vega 2 passeerde vijf dagen later de komeet op bijna 9000 kilometer afstand.
Kleurrijk beeld
In de media kreeg de Giotto-missie veel aandacht. Nooit eerder was er een ruimtevaartuig geweest, dat gedetailleerde foto’s van de kern van een komeet had gemaakt. De beelden kwamen tot stand met een 16 cm-telescoop, gekoppeld aan de Halley Multicolour Camera. De camera kreeg opdracht om op het moment van comaboeggolfdetectie automatisch het helderste object in beeld te houden. Verondersteld werd dat dit de komeetkern zou zijn. Uit de beelden die Giotto doorstuurde, was echter niet direct te zien hoe de komeetkern er in detail uitzag. De in werkelijkheid zeer donkere komeetkern bleek aan de rand van het beeld te staan en de veel helderder komeetjets werden keurig in het beeld gecentreerd. Pas na bewerking kwam de werkelijke kern veel duidelijker uit de verf. De komeetkern heeft een pinda-achtige vorm, 15 km lang en 7 tot 10 km breed. Slechts 10 procent van het oppervlak was actief met ontsnappende gas- en stofstromen. Nadere analyse leverde op dat de komeet 4,5 miljard jaar geleden moet zijn gevormd door ijs dat zich afzette op interstellaire stofdeeltjes.
2008-TC3
Na de succesvolle missie naar de komeet van Halley, was de Giottosonde nog in staat om opnieuw een komeet te onderzoeken. Na een winterslaap van ruim 4 jaren, werd met een zwaartekracht-slingshot langs de aarde koers gezet naar de komeet Grigg-Skjellerup. Op 10 juli 1992 passeerde Giotto dat object op slechts 200 km afstand. Op 23 juli 1992 werd de apparatuur van de komeetverkenner definitief uitgezet en kwam een einde aan de zeer succesvolle missie. Professor Keller kon tevreden zijn met de resultaten van zijn project. Bij toeval ontmoette ik de gedreven wetenschapper in 2009 in Sudan. Hij was ook een van de deelnemers aan de zoektocht naar meteorieten in de Nubische woestijn, nadat daar op 7 oktober 2008 planetoïde 2008-TC3 de aardse dampkring binnendrong en grotendeels verbrandde. Gepassioneerd door buitenaardse objecten, wist ook hij enkele kleine meteorieten in het woestijnzand te vinden.
Terugblik op twaalf decennia onder hemel en dampkring – Op 1 september 1901 werd de Nederlandse Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde (NVWS) opgericht vanuit het idee dat wetenschap toegankelijk moest zijn voor iedereen. In 2021 bestaat de vereniging (inmiddels ‘Koninklijk’) 120 jaar en het is daarmee de oudste populair-wetenschappelijke vereniging in Nederland. Om stil te staan bij deze mijlpaal verschijnt er elke maand een ‘long read’ van bestuurslid Jacob Kuiper, met een terugblik op een markant weer- en/of sterrenkundig verschijnsel uit dat decennium. Deze artikelen worden ook in het maandblad Zenit gepubliceerd, hét maandelijkse magazine voor weer- en sterrenkunde (neem met KNVWS-korting een half jaar het magazine op proef).