Stel je voor dat je een superheldenvisie hebt en een hele nieuwe wereld van fascinerende fenomenen kunt zien die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope geeft astrofysici analoge bevoegdheden. Het legt beelden van het universum vast in gammastralen, de meest energetische vorm van licht.

Op 12 april, een van de instrumenten van het ruimtevaartuig - de Large Area Telescope (LAT), die werd bedacht en geassembleerd in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy - detecteerde zijn miljardste buitenaardse gammastraling.

Aangezien gammastralen vaak in gewelddadige processen worden geproduceerd, hun observatie werpt licht op extreme kosmische omgevingen, zoals krachtige sterexplosies, hogesnelheidsdeeltjesstralen uitgespuwd door superzware zwarte gaten, en ultradichte neutronensterren die onvoorstelbaar snel ronddraaien. Gammastralen kunnen ook veelbetekenende tekenen zijn van donkere materiedeeltjes – hypothetische componenten van onzichtbare donkere materie, die goed is voor 85 procent van alle materie in het universum.

"Sinds de lancering van Fermi in 2008 de LAT heeft een aantal belangrijke ontdekkingen gedaan van gammastraling uit exotische bronnen in onze melkweg en daarbuiten, " zegt Robert Cameron, hoofd van het LAT Instrument Science Operations Center (ISOC) bij SLAC. De LAT heeft al honderden keren meer gammastraling verzameld dan het EGRET-instrument van de vorige generatie op NASA's Compton Gamma-ray Observatory - een vooruitgang die het inzicht in de productie van deze energetische straling enorm heeft verdiept.

Ontdekking inschakelen

Onder de LAT-ontdekkingen bevinden zich meer dan 200 pulsars – snel roterende, sterk gemagnetiseerde kernen van ingestorte sterren die tot 30 keer massiever waren dan de zon. Voor de lancering van Fermi, van slechts zeven van deze objecten was bekend dat ze gammastraling uitzenden. Terwijl pulsars om hun as draaien, ze zenden "stralen" van gammastraling uit zoals kosmische vuurtorens. Veel pulsars roteren honderden keren per seconde - dat is tientallen miljoenen keren sneller dan de rotatie van de aarde.

"Het begrijpen van pulsars vertelt ons over de evolutie van sterren omdat ze een mogelijk eindpunt zijn in het leven van een ster, " zegt Cameron. "De LAT-gegevens hebben ons ertoe gebracht ons begrip van de manier waarop pulsars gammastralen uitzenden totaal te herzien."

De LAT heeft ook voor het eerst aangetoond dat novae - thermonucleaire explosies op het oppervlak van sterren die materiaal van naburige sterren hebben verzameld - gammastraling kunnen uitzenden. Deze gegevens bieden nieuwe details over de fysica van brandende sterren, wat een cruciaal proces is voor de synthese van chemische elementen in het universum.

Nog meer exotische bronnen van gammastraling die door de LAT worden gedetecteerd, zijn microquasars. Deze objecten zijn analogen ter grootte van een ster van actieve galactische kernen, met gas dat rond een zwart gat in het centrum draait. Terwijl het zwarte gat materie uit zijn omgeving verslindt, het werpt stralen van geladen deeltjes uit die bijna net zo snel als het licht de ruimte in reizen, het genereren van bundels van gammastraling in het proces.

Op galactische schaal, zo'n uitwerpmechanisme zou de zogenaamde Fermi-bellen hebben kunnen produceren - twee gigantische gebieden boven en onder het midden van de schijf van ons Melkwegstelsel die in gammastraling schijnen. Ontdekt door de LAT in 2010, deze bellen suggereren dat het superzware zwarte gat in het centrum van onze melkweg ooit actiever was dan nu.

Onderzoekers gebruiken de LAT ook om te zoeken naar tekenen van donkere materiedeeltjes in de centrale regio's van de Melkweg en andere sterrenstelsels. Theorieën voorspellen dat de hypothetische deeltjes gammastralen zouden produceren wanneer ze vervallen of botsen en elkaar vernietigen.

"Met de gevoeligheid die we hebben bereikt met de LAT, we zouden in principe zulke donkere materie-signaturen moeten kunnen zien, " zegt Seth Digel van SLAC, die de Fermi-groep leidt aan het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), een gezamenlijk instituut van Stanford University en SLAC. "Maar we hebben nog geen afdoende signalen gevonden, en tot nu toe kunnen de LAT-gegevens ook worden verklaard met andere astrofysische bronnen."

Eindelijk, de LAT heeft bronnen van gammastraling dichter bij huis onderzocht, inclusief gammastraling geproduceerd door onweersbuien in de atmosfeer van de aarde, door zonnevlammen en zelfs door geladen deeltjes die het oppervlak van de maan raken.

Naalden in een hooiberg zoeken

Vanaf de locatie op Fermi op een hoogte van 330 mijl, de LAT ziet op elk moment 20 procent van de lucht. Elke twee banen – elk duurt ongeveer 95 minuten – verzamelt het instrument de gegevens die nodig zijn voor een gammastralingskaart van de hele hemel.

Maar het identificeren van de juiste signalen voor de kaart is een beetje als het zoeken naar spelden in een hooiberg:voor elk gammastraalfoton, de LAT ziet veel meer hoogenergetische geladen deeltjes, kosmische straling genoemd. De meeste van deze achtergrondsignalen worden meteen afgewezen door hardwaretriggers en softwarefilters in de LAT op Fermi, die de snelheid van signalen vermindert van 10, 000 tot 400 per seconde.

De overige gegevens worden gecomprimeerd, teruggestuurd naar de aarde en verzonden naar NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, waar ze worden gescheiden in drie verschillende datasets voor de LAT, de GBM (Fermi's tweede wetenschappelijke instrument, die kortstondige gammastraaluitbarstingen bewaakt) en ruimtevaartuiggegevens.

De LAT-gegevens worden overgedragen aan de LAT ISOC bij SLAC, waar 1, 000 computercores analyseren automatisch de datastroom en filteren nog meer achtergrondsignalen. 70 procent van alle gedetecteerde gammastraling komt uit de atmosfeer van de aarde, waardoor er slechts twee tot drie buitenaardse gammastralingssignalen per seconde van de 10 overblijven, 000 initiële detectorgebeurtenissen. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

Volgend jaar, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, bijvoorbeeld, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, evenals agentschappen en instituten in Frankrijk, Italië, Japan en Zweden.