COMIS - een röntgen-groothoekcamera
aan boord van de Mir

Jean in 't Zand en Wim Mels, 19 februari 2001 --

Geschreven voor SRONieuws, het personeelsblad van Stichting RuimteOnderzoek Nederland

Het heeft veel voeten in de aarde gehad, maar eind vorig jaar heeft het Russische kabinet dan toch het plan goedgekeurd om het Mir ruimtestation in de Stille Oceaan te dumpen. Het station is nu niet meer bemand en de voorbereidingen voor een gecontroleerde neergang zijn in volle gang. Op 27 januari werd de benodigde 2 ton brandstof afgeleverd d.m.v. een Progress bevoorradingsschip. De meest recente planning voor de neergang is midden maart. Dat zal een flinke plons geven, want met een gewicht van 140 ton is hij bijna tien maal zwaarder dan het Compton Gamma-Ray Observatory dat juni vorig jaar gedumpt werd.

Wat misschien weinig mensen zich realiseren, is dat met de Mir ook SRON-hardware ten grave wordt gebracht. Het betreft de door SRON gebouwde röntgentelescoop 'COMIS'. COMIS kan worden beschouwd als de voorloper van de Wide Field Camera's op BeppoSAX, en is een groot succes. Vooral wegens de technische prestatie dat COMIS maar liefst gedurende 12 jaar operationeel was! Hier volgt een kort historisch overzicht van dit project.

In 1980 werd op ons lab begonnen met de ontwikkeling van grootoppervlak meerdraads proportionele telbuizen met een ruimtelijk oplossend vermogen van 1 mm of kleiner. De motivatie hiervoor was primair een mogelijk derde Nederlandse satelliet, na ANS en IRAS, die als werktitel kreeg 'Timing and Imaging X-ray Transients Explorer' of TIXTE. Al snel bleek dat een derde satelliet financieel niet haalbaar was. Het gelukkige toeval wilde dat begin 1981 de directeur van het Moskouse Space Research Institute IKI, Roald Sagdeev, aan de toenmalige voorzitter van de COSPAR, Kees de Jager, de vraag voorlegde of hij suggesties had voor experimenten ter invulling van een nieuw te lanceren Russisch ruimtestation. We realiseerden ons dat dit een snel en goedkoop platform zou bieden voor de toepassing van de grootoppervlak detector. Het idee werd voorgesteld aan het bestuursorgaan van ons lab, de Commissie voor Geofysica en Ruimteonderzoek ("GROC", de voorloper van SRON). Daar was men nogal huiverig voor samenwerking met het oostblok, maar het vooruitzicht van een snelle en goedkope realisatie (men sprak van een gratis lancering eind 1984 / begin 1985) bracht een stemming in het voordeel van het project, al was het met de kleinst mogelijke marge! Het project werd gedoopt "COded Mask Imaging Spectrometer" of COMIS. Het concept bestond uit een gecodeerd masker op 2 meter afstand van een grootoppervlak detector, waarmee een schaduwmaskercamera gecreeerd zou worden. Naast SRON en IKI werd een derde partner erbij betrokken, die verantwoordelijk werd voor het bouwen van het masker en van een optische startracker camera: de Universiteit van Birmingham (VK).

In de zomer van 1981 was het eerste model van een experimentele grootoppervlak detector gereed om te worden getest. De tests toonden aan dat we met de gekozen configuratie van meer dan duizend draden in de detector op de goede weg zaten. Eind 1981 werd het COMIS project opgestart met de bedoeling begin 1985 een instrument naar Rusland te verschepen voor integratie en tests. Dit was een ambitieuze planning, want er moest nog erg veel gebeuren voordat SRON een vluchtwaardige detector zou hebben gemaakt met de vereiste performance. Niet alleen de detector vormde een uitdaging, maar ook de electronica voor uitlezing en verwerking van de detectorsignalen vormde een huzarenstuk. Er moest een groot aantal (34) uitleeskanalen worden gerealiseerd. Bovendien moest de grote hoeveelheid detector informatie worden gereduceerd in verband met de beperkte telemetrie-capaciteit. COMIS werd het eerste SRON instrument met een microprocessor aan boord. Deze berekent van ieder gedetecteerd foton de positie binnen het gevoelig oppervlak en de energie. De geplande drie jaar ontwikkel- en productietijd zijn uiteindelijk bijna vier jaar geworden wat nog steeds een grote prestatie is. Eind 1985 werd het eerste vluchtmodel, zie Fig.1, definitief naar IKI gestuurd. Na een periode van integratie en tests werd het instrument in april 1987 gelanceerd aan boord van de eerste Mir-module genaamd 'Kvant'. COMIS maakte deel uit van een set van 4 instrumenten die in dezelfde richting keken. De andere instrumenten kwamen uit Duitsland (Tuebingen), ESA (ESTEC) en Rusland.


COMIS, met daarop de in Birmingham gebouwde star tracker

De lancering van COMIS leek op geen gelukkiger moment te komen. Twee maanden daarvoor was een supernova explosie waargenomen op relatief korte afstand, in een naburig sterrenstelsel van onze eigen Melkweg. Zoiets gebeurt zelden, men schat gemiddeld eens per honderd jaar, en het was de eerste keer dat met moderne waarneemtechnieken zo'n verschijnsel kon worden geobserveerd. De supernova was SN1987a in de Grote Magelhaense Wolk. Een van de vragen was of er röntgenstraling vandaan kwam en, zo ja, waardoor die veroorzaakt werd. Theoretici hadden hier ideeen over, en nu was de tijd aangebroken om die te toetsen. De eerste paar maanden keek COMIS naar haast niets anders dan SN1987a. Er was nog een andere röntgensatelliet actief, de Japanse "Ginga", en ook daarmee werd lang naar SN1987a gekeken. Echter, COMIS was het enige afbeeldende instrument dat operationeel was. De ogen van de wereld waren gericht op de resultaten van COMIS. Veel inspanningen werden in Utrecht gedaan om het onderste uit de kan te halen met het nieuwe instrument. Dat viel niet mee, omdat een schaduwmaskercamera geen directe maar gecodeerde opnamen aflevert, die via - zeker in die tijd - langdurige berekeningen in een computer gedecodeerd moeten worden. De ervaring hiermee was miniem en allerlei andere aanloopproblemen maakten het analyse proces moeizaam. Ondanks de inspanningen was het resultaat teleurstellend: COMIS detecteerde SN1987a niet (zie Fig.2). Een beetje zuur was dat andere instrumenten aan boord van Kvant hem wel detecteerden, maar bij kortere golflengten. Nog zuurder was dat het Ginga team ook een detectie meldde, en ditmaal wel bij dezelfde golflengten als COMIS en met een flux die hoger was dan de bovenlimiet van COMIS. Dat kon alleen verklaard worden door variabiliteit en het feit dan COMIS en Ginga niet precies op hetzelfde tijdstip maten.


Perspectivische weergave van een COMIS opname gericht op SN 1987a (uit Sunyaev et al., 1987, Nature 330, p.227)

In augustus 1987 sloeg het noodlot toe: door een defect aan de high-voltage converter werd het instrument onbruikbaar. Een grote teleurstelling voor alle betrokkenen. Gelukkig ging die snel over in hoop, want de Russen boden aan de detector te vervangen door de reserve detector waarover SRON nog beschikte. De Russen zagen er een mooie kans in hun kunnen in lange ruimtewandelingen aan de wereld te tonen. Vaak werd de locatie van COMIS op het ruimtestation vervloekt, omdat we erg afhankelijk waren van andere aktiviteiten aan boord, maar nu kwam het bijzonder goed uit dat er twee paar handen in de buurt waren die het project konden redden! De reparatie vereistte veel organisatie want zowel het instrument als de kosmonauten waren niet voorbereid op een reparatie. Zo werd het reservemodel voorzien van een ander type high voltage converter, werd er speciaal gereedschap voor de kosmonauten ontworpen en gebouwd, en oefenden de kosmonauten met dit gereedschap in het welbekende simulatie-zwembad in Star City. Op 30 juni 1988 was het dan zover. In een ruimtewandeling van ongeveer 5 uur (een record toen) werd een eerste poging gedaan de detector te verwisselen. De Telegraaf kopte ermee op de voorpagina, zie Fig.3. Helaas mislukte de poging, maar een tweede poging op 20 oktober, die 4 uur duurde, was wel succesvol. En zo was het project gered. Dit keer definitief: in de twaalf jaar dat COMIS operationeel is geweest, heeft de sensor zonder mankeren gewerkt. Uit de pulshoogteverdeling van de Fe-55 calibratiebron (zie Fig.4) blijkt dat de detectorversterking en de energieresolutie in al die jaren niet zijn gedegradeerd.


Voorpagina Telegraaf 30 juni 1988

Vanaf oktober 1988 werd een relatief druk waarneemprogramma aangehouden. Tussen 1988 en 1999 werden 1722 waarnemingen uitgevoerd. De drukste jaren waren 1989 (waarin 36% van alle waarnemingen werden uitgevoerd), 1992 (17%) en 1994 (15%). Een belangrijk detail bij de uitvoering van de waarnemingen is dat voor het richten van de instrumenten op een doel het hele 100 tot 140 ton zware ruimtestation herorienteerd moest worden. Dat vereist veel aandacht, en energie. Toen eind 1990 de Mir werd uitgebreid met twee modulen ("Kvant-2" en "Kristall") was het station zo zwaar geworden dat de zonnecelpanelen niet genoeg energie meer konden leveren om het station regelmatig te herorienteren voor onze waarnemingen. De waarnemingen werden twee jaar lang stop gezet vanwege de uitbreiding met de twee modules en de uitbreiding daarna van het aantal panelen.


Twee Fe-55 in-flight calibratie spectra, de een 11 jaar na de andere gemeten

Het waarneemprogramma werd grotendeels samengesteld door de Russen. Er was geen guest observer programma, zoals gebruikelijk is voor grote Europese, Amerikaanse en Japanse projecten. Dat zou niet gemakkelijk geweest zijn vanwege de relatief geringe beschikbare exposuretijd en de tamelijk moeilijke lange-termijn planning op het multifunctionele Mir platform. De totale netto exposure tijd behaald door COMIS is ongeveer 19 dagen. De laatste waarneming was op 29 juli 1999. Ter vergelijking: de WFC's op BeppoSAX hebben op dit moment een totale netto exposure tijd behaald van ongeveer 600 dagen. Het zwaartepunt van het programma lag op de omgeving van het centrum van de Melkweg (24% van het programma) en de Grote Magelhaense Wolk (9%).

In Utrecht hadden we formeel recht op alle data van COMIS. En die hebben we ook gekregen, tot 1993. Toen begon de politieke omwenteling in Rusland invloed te krijgen op het runnen van COMIS en de andere instrumenten aan boord van de Kvant module: de Russische ruimtevaartorganisatie RSA begon niet onaanzienlijke bedragen geld te vragen voor het uitvoeren van nieuwe waarnemingen. Vanuit Utrecht en Birmingham probeerde men de Russen te houden aan hun afspraken voor de vrije distributie van de data onder de hardware teams, helaas zonder succes. Naderhand werd duidelijk dat dit betekende dat de data van alle instrumenten exclusief terecht kwam bij de Russische wetenschappers. De vraag voor geld was een politieke daad; de waarnemingen bleven gewoon door gaan. Uiteindelijk is maar ongeveer 40% van alle COMIS data in Utrecht en Birmingham aangekomen. Het is dan ook niet verwonderlijk, dat het instrument meer bekend werd onder zijn Russische alias 'TTM' (is afkorting van 'Telescoop met Schaduw Masker').

Voor zulk een geringe exposure tijd is de oogst erg rijk. Er werden 7 nieuwe röntgendubbelsterren ontdekt, die gelocaliseerd konden worden met een nauwkeurigheid van 1 boogminuut of beter. Van drie van deze dubbelsterren kon worden aangetoond dat een van de begeleiders een neutronenster is, omdat er hetzij thermonucleaire explosies werden gezien, die alleen kunnen plaats vinden op het oppervlak van een neutronenster, dan wel pulsaties werden ontdekt, die alleen via een sterk magnetisch veld van een neutronenster kunnen onstaan. De pulsar was de enige nieuwe bron die buiten het veld van het Melkwegcentrum werd ontdekt. COMIS heeft helaas nooit een gamma-ray burst gezien, maar dat is niet verwonderlijk. Als je de frequentie van burstdetecties met de WFC's als leidraad neemt, dan is de kans dat COMIS 1 of meer gamma-ray bursts gedetecteerd heeft slechts 30%. Er zijn in totaal 66 wetenschappelijke verhandelingen gepubliceerd over COMIS data, waarvan 29 in refereed journals, en 17 IAU telegrammen. Negen mensen zijn tussen 1986 en 2000 geheel of gedeeltelijk gepromoveerd op COMIS data (1 in Nederland, 4 in Engeland, en 5 in Rusland).

De conclusie is dat COMIS een klein maar succesvol project was, waar de samenwerking met de onbekende Russische ruimtevaartwereld tot een vruchtbare kruisbestuiving heeft geleid. Voor de Russen betekende het dat ze voor het eerst een serieus wetenschappelijk samenwerkingsverband kregen met de westerse wereld in de hoge-energie astrofysica, en dat ze ervaring opbouwden voor hun grote "Granat" project, dat werd gelanceerd in 1989. Voor ons betekende het dat de op het lab in ontwikkeling zijnde groot-oppervlak meerdraads proportionele telbuizen snel en goedkoop tot een wetenschappelijke toepassing gebracht konden worden, en dat we leerden om te gaan met de niet triviale datareductie van schaduwmaskercamera's. Dit was een uiterst nuttige voorbereiding op het WFC project voor BeppoSAX.

met dank aan Vadim Arefiev, Kees de Jager, en Rieks Jager


Jean in 't Zand, SRON, February 19, 2001