2022-03 MIRA Ceti sprak met... David Berghmans

Misschien ver van huis, maar intussen is ons landje toch wel weer goed bezig in de ruimte: de Solar Orbiter draait immers elliptische banen rond de Zon, waarbij de ruimtesonde op zijn dichtst tot op een dikke veertig miljoen km van die gigantisch grote hete bol gas passeert. En aan boord van deze zonnetelescoop zit een instrument om het extreem ultraviolette licht van de Zon te bestuderen: de Extreme Ultraviolet Imager.

Naast een aantal andere Europese instituten zijn daar het Centre Spatial uit Luik bij betrokken, de universiteit van Leuven en de Koninklijke Sterrenwacht van België. Daar werkt sinds ettelijke jaren astronoom David Berghmans (°1971) en hij is de Principal Investigator van dit instrument. Met deze enthousiaste wetenschapper hadden we een gesprek over het recente zonneonderzoek en over de Solar Orbiter.

 

 

Copyright afbeelding: Volkssterrenwacht MIRA vzw

 

Hallo David, hoe ben jij op de Koninklijke Sterrenwacht terecht gekomen?

Ik heb aan de universiteit in Leuven natuurkunde gestudeerd. Ik was niet meteen een held bij praktische toestanden in het labo, ik verkoos eerder de theoretische kant van de zaak. Professor Goossens had een aantal interessante fysische modellen ontwikkeld en was heel enthousiasmerend, en zo kwam ik met zonnefysica in contact, een onderwerp dat mij heel erg kon boeien. Via de internationale contacten van professor Goossens kon ik tijdens mijn periode in Leuven naar Schotland op Erasmus.

En na mijn doctoraat in 1997 over de invloed van bewegingen in de fotosfeer bij het verhitten van coronale lussen kon ik meteen op de Sterrenwacht aan de slag. Er was immers een positie vrij voor een postdoc om mee onderzoek te verrichten met de eerste ruimtewaarnemingen waar ze hier mee werkten, vanop de Solar and Heliospheric Observatory van ESA, beter bekend als SOHO. Zo ben ik hier terecht gekomen, en ik ben nooit meer weggeraakt.

Ik werkte toen met de EIT, de Extreme ultraviolet Imaging Telescope. Dat instrument is een rechtstreekse voorloper van de telescoop waar ik nu mee bezig ben op de Solar Orbiter.

 

Door professioneel met de Zon bezig te zijn kijk jij natuurlijk anders naar de Zon dan de meeste mensen dat doen. Blijf je dan ook die verwondering houden over die magistrale bol heet gas op 150 miljoen km afstand?

Jazeker, die verwondering blijf ik zeker koesteren. Als ik bijvoorbeeld aan het fietsen ben terwijl de Zon opkomt of ondergaat, zet ik me soms even aan de kant om van dat schouwspel te genieten, vaak ook om een foto te maken van dat prachtige en toch zo gewone fenomeen.

Maar ik heb ook die verwondering voor de technische kant van ons onderzoek: als je zo’n hoog resolutiebeeld van de Zon en de zonneatmosfeer binnen krijgt en je weet dat nooit eerder iemand dit soort dingen zo gedetailleerd gezien heeft, dat raakt mij ook wel. Dat krijg je het gevoel van ‘Wow, kijk eens wat wij als team hier hebben bereikt!’

En ik ben ook heel erg onder de indruk en verwonderd over de fantastische resultaten die amateurastronomen met hun apparatuur en skills behalen, dat is gewoonweg fenomenaal.

 

Het onderzoek naar de Zon heeft de laatste decennia een enorme vlucht gekend. Wat zijn zo de meest essentiële nieuwe inzichten i.v.m. de werking van de Zon?

Wat betreft de zonnefysica waar ik onderzoek naar doe, is er een echte doorbraak gekomen dankzij SOHO i.v.m. wat wij nu ruimteweer of in het Engels 'Space Weather' noemen.

 

 

Copyright afbeelding: ESA - Ruimteweer

 

Voordien bestond er al wel iets wat we 'Solar Terrestrial Physics' noemden. Maar het was eigenlijk pas door de EIT-telescoop en door LASCO – wat staat voor Large Angle and Spectrometric Coronagraph, ook een instrument op SOHO met daarin drie coronagrafen – dat men zich echt is gaan realiseren dat we in real time metingen kunnen doen van wat er zich aan de buitenkant van de Zon afspeelt en dat we zodoende ook voorspellingen kunnen doen van het effect van zonne-uitbarstingen op Aarde zien met de daaraan gekoppelde geomagnetische stormen.

Dat is een heel interessante ontwikkeling geweest waar we hier op de Koninklijke Sterrenwacht sterk hebben op ingezet en waardoor we ook serieus zijn gegroeid omwille van onze betrokkenheid bij de instrumenten EIT en LASCO. Maar ook dankzij ons internationaal erg gewaardeerde ruimteweervoorspellingscentrum.  

Dat is één domein binnen de zonnefysica dat heel erg gegroeid is. Het andere domein betreft de kleinste fenomenen die zich aan het zonsoppervlak afspelen. Zoals je weet is de Zon de enige ster waarbij we iets of wat detail kunnen zien in de atmosfeer, en naarmate we steeds betere telescopen ter beschikking hebben kunnen we ook steeds dieper en fijner observeren.

De reusachtige corona rond de Zon is natuurlijk superinteressant, maar doorheen de jaren hebben we vastgesteld dat als je naar kleinere fenomenen gaat zien die zich laag in de atmosfeer afspelen, dan merken we dat in de transitielaag tussen de corona en de chromosfeer zoals we zeggen het gebied is waar ‘the magic is happening’. Wij concentreren ons met onze instrumenten op het onderste laagje van de corona waar we de allerkleinste coronale lusjes kunnen zien. We zijn er immers van overtuigd dat alles wat er gebeurt met de zonnewind en eigenlijk met de hele heliosfeer een gevolg is van massa en energie die door dat dunne laagje is gekomen. En als we dus dat dunne laagje begrijpen, begrijpen we hopelijk ook alle rest van het ruimteweer en van wat er zich afspeelt binnen de heliosfeer.

Dat zijn dus twee aspecten: enerzijds zicht krijgen op het ruimteweer en daaraan gekoppeld voorspellen welke de impact daarvan is op onze planeet, en anderzijds een gedetailleerd zicht krijgen op de atmosfeer van de Zon en proberen te achterhalen wat de oorzaak is van alle fenomenen die zich daarin voordoen.

 

Waarom is de corona zo heet?

Dat is een vraag die niet zo gemakkelijk te beantwoorden is. Ik zou als antwoord kunnen geven dat de corona zo heet is omdat er magnetische energie gedissipeerd wordt, dat wil zeggen omgezet in thermische energie.

Maar hoe en waar en waarom dat precies gebeurt, dat is nog niet echt duidelijk. Er is al herhaaldelijk geclaimd dat dit vraagstuk opgelost is, maar de eerlijkheid gebiedt om te zeggen dat het toch nog niet helemaal duidelijk is hoe het mechanisme precies in mekaar zit. Dus om het positief te stellen: we gaan nog vele jaren plezier beleven aan dit onderzoek.

Er zijn natuurlijk nog andere takken van de zonnefysica waar men de laatste decennia baanbrekend werk heeft verricht, zoals het beter leren kennen van het binnenste van de Zon, het neutrinoprobleem, het ontstaan van de magneetvelden, de elfjarige cyclus, enzovoort. Dat zijn allemaal kwesties waarbij men heel wat vooruitgang heeft geboekt. Maar ik ben daar persoonlijk niet bij betrokken en ga er dus ook geen grote uitspraken over doen. Mijn expertise begint aan het oppervlak van de Zon.

 

Wat heb je hier allemaal op de site van de Koninklijke Sterrenwacht op gebied van zonneonderzoek? Je hebt het SIDC, het STCE, het SILSO…

Het is ingewikkeld, dat klopt. Persoonlijk zou ik graag alles in één structuur zien terecht komen, maar om welbepaalde redenen is de toestand momenteel wat hij is.

We hebben hier op de site in Ukkel drie instituten: de Koninklijke Sterrenwacht of KSB, het KMI en het BIRA. Binnen de KSB hebben we vier wetenschappelijke departementen en het planetarium, dat bevindt zich op de Heizel. Van die vier wetenschappelijke departementen is er eentje dat zonnefysica doet, dat is het SIDC of voluit het Solar Influences Data Analysis Center. Binnen het SIDC is er een subgroep die zich bezighoudt met zonnevlekken, en dat is SILSO of voluit Sunspot Index and Long-term Solar Observations. En om het nu helemaal ingewikkeld te maken is er een samenwerkingsverband tussen de drie instituten, dus KSB, KMI en BIRA voor alles i.v.m. zonnefysica en ruimteweer in de breedst mogelijke zin: dat is het STCE of voluit Solar-Terrestrial Centre of Excellence.

Maar er zijn natuurlijk overlappingen, want omdat bijvoorbeeld op de KSB zo’n grote groep zonnefysici zit, is een groot deel van het STCE eigenlijk het SIDC… Het belangrijkste is natuurlijk dat er bij ons goed werk geleverd wordt, onafhankelijk onder welke vlag dat dit gebeurt.

 

 

 

Copyright afbeelding: Solar-Terrestrial Centre of Excellence

 

Een tijd geleden hadden we een uitgebreid interview met prof. Stefaan Poedts van de KU Leuven, hij ontwikkelt modellen om steeds beter het ruimteweer te kunnen voorspellen. Valt zijn werk ook onder één van die instituten?

Neen, hij werkt op de KU Leuven en het onderzoek daar valt buiten onze koepel. Nu is het wel zo dat iedereen die zonnefysica doet op de KSB en Nederlands spreekt oorspronkelijk in Leuven gestudeerd heeft. En dus zijn de banden heel sterk, is er een hechte samenwerking en doen we veel projecten samen. Maar strikt genomen is dat een ander instituut.

 

De Koninklijke Sterrenwacht is ook betrokken bij het project Solar Net. Wat is dat precies?

Er is zoiets als de European Solar Telescope of EST, een telescoop van de volgende generatie met een spiegel van 4,2 m die men op de Canarische Eilanden wil bouwen. Het is een lange termijn project dat maar moeilijk van de grond geraakt wegens financiële beslommeringen.  

Als voorbereiding op die EST is er Solar Net met als doel alle Europese hoge resolutietelescopen op de grond – dus niet in de ruimte – te verenigen in een netwerk om zo een gemeenschap te creëren die dan vervolgens die EST zal bouwen. Het eerste Solar Net is intussen afgerond, maar er is een tweede nu, en daar is onze groep van de KSB bij betrokken. Niet dat onze telescopen in Ukkel hoge resolutie zijn, maar enerzijds vanwege de ruimtetelescopen waar wij mee werken en anderzijds vanwege de software die wij voor Solar Net ontwikkelen.

Ik hoop natuurlijk dat de EST ooit gebouwd zal worden, maar het is een zware opgave om iedereen te overtuigen dat er daarvoor voldoende middelen moeten vrijgemaakt worden. De EST gaat in concurrentie met andere grote projecten zoals bijvoorbeeld de Einsteintelescoop, dat is natuurlijk ook een heel erg interessant project dat kan rekenen op veel enthousiasme binnen en ook buiten de wetenschappelijke gemeenschap. En bovendien helpt het zeker ook niet dat ze in Amerika op basis van min of meer hetzelfde idee ondertussen de Inouye Solar Telescope hebben, op die manier staan ze daar vijftien jaar voor op ons.

Misschien is het gewoon best dat we nog een aantal jaren wachten om te zien wat de beperkingen zijn van die grote Amerikaanse zonnetelescoop om dan pas een volgende stap te zetten.

 

Kan je het project Solar Orbiter even voorstellen? En ook iets zeggen over de samenwerking met de Parker Solar Probe?

Het idee van de Solar Orbiter gaat al een tijdje mee. De eerste keer dat ik in een meeting zat waar er  echt heel concreet over het project gesproken werd was eind de jaren 1990. Ik heb het heel lang slechts van aan de zijlijn gevolgd, omdat ik zelf druk bezig was met PROBA-2. Andere collega’s hier op ons instituut waren toen de voortrekkers van de Solar Orbiter. Maar toen zij er niet meer mee bezig waren en de hoofdmissie van PROBA-2 gedaan was, ben ik overgestapt naar het Solar Orbiter project en ben ik op de Extreme Ultraviolet Imager beginnen werken.

Het zijn eigenlijk drie telescopen die in een grote schoendoos zitten. De Extreme Ultraviolet Imager of afgekort de EUI is door vijf instituten gebouwd: een instituut in Frankrijk, in Duitsland, in Zwitserland, in het Verenigd Koninkrijk en in ons land. De hoofdbouwer was het Centre Spatial in Luik, en tijdens de bouw was Pierre Rochus de Principal Investigator. Die is op pensioen gegaan en sindsdien ben ik de PI, de teamleider van het instrument.

En zoals onze EUI zijn er op de Solar Orbiter nog drie andere telescopen die aan remote sensing doen, dus waarnemingen vanop afstand, zonder direct contact met wat bestudeerd wordt. Daarnaast zijn er zes andere instrumenten die in situ waarnemingen doen, dus rechtstreekse metingen van het plasma, het magneetveld, de temperatuur, enzovoort. De hele missie is ontstaan als een soort compromis tussen remote sensing en in situ waarnemingen.

Uiteindelijk heeft men beide types instrumenten op één satelliet gezet, wat op zich heel interessant is, maar ook behoorlijk wat moeilijkheden geeft. Want zo zal elke elektromagnetische verstoring die één van onze telescoopmechanismen veroorzaakt ook gemeten worden in de plasmawaarnemingen die men doet. Maar goed, men heeft hiervoor gekozen en het grote voordeel is dat we met de Solar Orbiter zowel kunnen waarnemen wat er op de Zon zelf gebeurt, als wat de gevolgen zijn in de zonnewind.

 

 

Copyright afbeelding: ESA Science Exploration

 

En dan heb je nog de link  met de Amerikaanse Parker Solar Probe, dat maakt het allemaal nog veel interessanter. Die circuleert ook in de buurt van de Zon. Op momenten dat beide ruimtetuigen op dezelfde lijn staan, in een hoek van negentig graden ten opzichte van elkaar of beide eenzelfde magnetisch veld volgen, kan je allerhande verbanden proberen te ontdekken. Dat is eigenlijk superleuk en bijzonder fascinerend.  

 

Werken jullie nauw samen met de Amerikaanse instituten die bij de Parker Solar Probe betrokken zijn?

Er is zeker samenwerking, maar die kan nog veel beter. Je moet het zien als een groeiproces. Er zijn nu al wekelijks teleconferenties waarbij onderzoekers hun resultaten bespreken en gegevens delen, dus uiteindelijk komt alles wel dik in orde. Maar je begrijpt dat als een ruimtemissie nieuw is en de eerste coronale massa-uitstoot  doet zich voor, die befaamde CME’s, dat iedereen daarover dan wil publiceren. En dat is telkens zo voor de eerste dit of de eerste dat. Iedereen wil immers laten zien dat men goed bezig is. Eens we een tijdje verder zijn en iedereen zijn of haar naam wel op een of andere paper heeft staan, kunnen we echt beginnen samenwerken.

 

De Extreme Ultraviolet Imager is een heel gesofisticeerd toestel.

Dat mag je wel zeggen. Het gaat om drie telescopen, waarvan er twee beelden maken in heel hoge resolutie en de andere maakt opnames waarbij steeds de hele Zon te zien is. Ook als we heel dicht bij de Zon vliegen en ook als de opening niet rechtstreeks naar de Zon gericht is. Als we niet superdicht bij de Zon vliegen, krijg je natuurlijk een beeldveld dat over gedimensioneerd is: je hebt dan een klein zonnetje in het midden van een heel groot beeld. Net dat maakt het heel interessant, omdat we op die manier heel veel corona zien rond de Zon. De SWAP-telescoop op PROBA-2 had al een groot beeldveld omdat we op het laatste moment de sensor vervangen hadden door een grotere sensor. Dat was al heel interessant omdat je op die manier meer structuren kon zien in het gebied rond de Zon. En deze Full Sun Imager of FSI op de Extreme Ultraviolet Imager zorgt voor een nog groter, zeg maar een gigantisch beeldveld.

Met de twee High Resolution Imagers kunnen we zoals de naam aangeeft beelden maken in heel hoge resolutie. De ene doet dat in extreem ultraviolet, dat is de EUV, en dit instrument produceert de hoogste resolutiebeelden van de zonnecorona die enig ander ruimte-instrument momenteel kan maken. Op elk beeld dat die camera maakt ontdekken we nieuwe dingen. De derde telescoop, de Lyman Alpha High Resolution Imager, doet waarnemingen aan de waterstof-alfalijn aan de top van de chromosfeer, maar dat instrument werkt helaas niet zo goed, de resolutie ervan valt tegen. We zijn momenteel volop bezig om dat probleem op te lossen.

 

 

Copyright afbeelding: Max Planck Institute for Solar System Research

 

Ik werk hier ondertussen toch al meer dan twintig jaar en heb al aan verschillende mooie projecten kunnen meewerken. Maar de Solar Orbiter is toch wel het leukste dat ik al gedaan heb. Het is ook het beste instrument tot nog toe waar ik mee gewerkt heb. Bovendien mag ik me volledig focussen op enkel dit en heb ik momenteel minder managementverplichtingen, wat toch zeker ook goed is voor mijn wetenschappelijk werk.

Wat ook nog speciaal is in verband met de Solar Orbiter is dat de lancering plaatsvond in februari 2020, ongeveer tegelijkertijd met het begin van de corona-pandemie. Dat was een gelukkig toeval, want als de lancering wat later was geweest, zou alles veel ingewikkelder geweest zijn. Maar de hele inbedrijfstelling, het uittesten, het opstarten, alle mogelijke vergaderingen die daarmee samenhangen zijn allemaal van het ene moment op het andere online gepland. Dat was nooit eerder gedaan, en daar zit natuurlijk veel risico in, want overleg is heel belangrijk in die fase van de ruimtevlucht. Maar dat is allemaal fantastisch verlopen. En we hebben daar heel veel tijd mee bespaard: al de tijd die je anders op luchthavens of op de trein zit te wachten om mekaar te ontmoeten. Nu kon je gewoon thuis zitten werken, je Skype aanzetten en je zat meteen in de meeting.

 

Misschien opent dit ook perspectieven voor de toekomst?

We moeten er de juiste conclusies uit trekken. Als je met een vast team waarbij je iedereen goed kent aan een heel concreet project bezig bent, werkt dat geweldig. Maar als je moet brainstormen met andere wetenschappers, mensen die je nog niet zo goed kent, dan heb je echt wel een conferentie nodig waar je mekaar in levende lijve ziet, zeker ook met koffiepauzes waar je ongedwongen met mekaar kan staan praten en waar vaak spontaan interessante ideeën ontstaan, dat missen we nu wel. Dus sommige dingen werken heel goed online, en andere dingen veel minder.            

 

In onze tentoonstellingsruimte op MIRA staat een maquette op ware grootte van PROBA-2. Dat is een goeie gelegenheid om onze bezoekers te wijzen op de kwaliteit van de Vlaamse ruimtevaartindustrie en van wetenschappelijke projecten die met deze satelliet gerealiseerd werden en nog steeds worden. Filmpjes over de Zon in extreem ultraviolet licht, gemaakt door SWAP, het instrument dat jullie ontwikkelden voor PROBA-2, tonen de Zon in volle activiteit. Wat is momenteel de waarde van PROBA-2 voor de wetenschappelijke wereld? Zijn de data die blijven doorgestuurd worden nog nuttig voor het zonneonderzoek?

Je mag gerust stellen dat SWAP aan zijn derde leven bezig is. SWAP staat voor Sun Watcher using Active Pixel System detector and Image Processing en is een instrument dat we baseerden op de EIT aan boord van SOHO.

Het eerste leven was dat het eigenlijk om een technologiedemonstratie ging. Allerhande onderdelen die ook op Solar Orbiter zitten zijn voor het eerst uitgetest op SWAP. De Belgische detectors die erin zitten, de sensors en ook het off-axis design, dat was allemaal nieuw voor dit type telescoop. Na een paar maanden in de ruimte wisten we dat alles naar wens verliep en dat het dus technologie is die ook in volgende generaties ruimtetelescopen kon gebruikt worden.

Dan begon het tweede leven van SWAP en zijn we begonnen met wetenschappelijke waarnemingen te doen. Maar PROBA-2 kan maar één soort beelden nemen, dus na één volledige zonnecyclus van elf jaar heb je al gezien wat er gezien kan worden met PROBA-2.

Daarom zou ik zeggen dat we nu in zijn derde levensfase zitten. Vergelijk het met wat een thermometer voor het KMI is: na een tijd heb je wel al een mooie reeks waarnemingen, maar toch wil je de temperatuur blijven registreren om uiteindelijk lange tijdsreeksen te kunnen maken. En dat geldt uiteraard ook voor waarnemingen van de Zon en het ruimteweer. Maar je hoeft niet te verwachten dat de telescoop, in dit geval PROBA-2/SWAP, iets gaat waarnemen dat we nooit eerder gezien hebben.

 

 

Copyright afbeelding: ESA

 

Is het dan nuttig om de satelliet in bedrijf te houden? Want dat kost geld dat dan niet beschikbaar is voor andere projecten?

Het team in het grondstation in Redu maakt bij elk overvliegen contact, en moet de computersystemen waarover men beschikt ook in orde houden, dat kost inderdaad allemaal geld. Maar dat is hetzelfde team dat naast PROBA-2 ook PROBA-1 en PROBA-V opvolgt en binnenkort ook PROBA-3 zal doen. Dus naarmate er meer van die PROBA’s zijn, daalt de kost per individueel project want het is telkens hetzelfde team dat alles opvolgt.

Maar dat PROBA-2 operationeel blijft is ook een keuze van Belspo, het federale wetenschapsbeleid, omdat zij dit project beschouwen als een Belgisch vlaggenschip dat ze in stand willen houden.

 

Hoe zit het met PROBA-3?

Goed, die is aan zijn laatste reviews bezig, de instrumenten zijn intussen gemonteerd op  het ruimtetuig. Ik moet eigenlijk zeggen ruimtetuigen, want het gaat om twee satellieten die in formatie gaan vliegen op ongeveer 150 m van elkaar. Men is momenteel bezig met de laatste tests. De lancering zou voor eind 2023 zijn. Er is een contract met de raketbouwer uit India, dat ziet er allemaal goed uit.

Natuurlijk zijn er allerhande kleine technische problemen waarop mijn collega’s aan het werken zijn, maar dat is doorgaans het geval bij de voorbereiding van ruimtemissies en globaal gezien denk ik dat alles volgens plan verloopt.

 

Dank voor het boeiende gesprek, David, en we wensen jou nog veel en meer prachtig beeldmateriaal toe om de atmosfeer van de Zon steeds beter te kunnen bestuderen. Veel succes!

 

 

Tekst: Francis Meeus, juni 2022