IV Future Missions and Prospects
De ontwikkeling van elke nieuwe telescoop heeft als hoofddoel een verhoging van de gevoeligheid, gecombineerd met een verbeterde angulaire en spectrale resolutie. In het gamma-ray regime vertaalt dit zich steevast in een verbeterde bepaling van foton-interactie posities en energie-deposities binnen het detecterende medium. Een nauwkeuriger bepaling van de eigenschappen van interagerende gammastralen leidt rechtstreeks tot een lager achtergrondpercentage, aangezien echte hemelgebeurtenissen minder kans lopen te worden verward met achtergrondinteracties. Vrijwel elke gammastralingtelescoop die momenteel wordt ontwikkeld, tracht deze interactiemetingen te verbeteren door gebruik te maken van nieuwe detectortechnologieën. Ruimtelijke en energieresolutie binnen detectormaterialen zijn bijvoorbeeld sterk verbeterd door het gebruik van nieuw ontwikkelde halfgeleiderstrip- en pixeldetectoren (zoals silicium, germanium en CdZnTe). De uitdaging blijft om dergelijke gevoelige kleinschalige apparaten in voldoende grote en betrouwbare hoeveelheden te vervaardigen om te worden ingebouwd in nieuwe instrumenten voor grote oppervlakken, tegen kosten die redelijkerwijs kunnen worden opgebracht. Een ander gemeenschappelijk kenmerk van hoge-energietelescopen is het grote aantal gegevenssignalen dat moet worden verwerkt en opgenomen in meerkanaalsdetectorsystemen. Een toenemend gebruik van aangepaste toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC’s), waarbij gebruik wordt gemaakt van VLSI-technieken (Very Large Scale Integration), is absoluut noodzakelijk voor een efficiënte werking van hoge-energie-instrumenten. Gelukkig blijven de berekeningssnelheid en de gegevensopslagcapaciteit in een gestaag tempo toenemen, en experimentologen maken snel gebruik van deze nieuwe mogelijkheden in hun instrumentontwerpen.
Op het moment van schrijven (2001) is een aantal gammastralingsmissies gepland voor lancering in de nabije toekomst (zieTabel II). De belangrijkste daarvan is het International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL), een missie van het Europees Ruimte-Agentschap (ESA) met deelname van Rusland en de NASA. INTEGRAL wordt in 2002 gelanceerd en zal zich toeleggen op spectroscopie met hoge resolutie (E/ΔE ∼ 500) en beeldvorming (∼ 12″ FWHM) over het energiegebied van 15 kev tot 10 MeV. INTEGRAL heeft twee gammastraalinstrumenten, de SPI spectrometer en de IBIS imager, die beide werken als gecodeerde-apertiatietelescopen voor nauwkeurige bronidentificatie. De SPI maakt gebruik van hoogzuivere germaniumdetectoren, terwijl de IBIS twee detectorvlakken gebruikt, een voorlaag van CdTe-elementen en een tweede laag die bestaat uit CsI-pixels. Met het oog op de behoefte aan breedbanddekking beschikt de INTEGRAL ook over twee röntgenmonitoren met gecodeerde opening (JEM-X), alsmede over een optische bewakingscamera (de OMC). Het belangrijkste wetenschappelijke doel van de INTEGRAL instrumenten is het uitvoeren van hoge-resolutie spectroscopische studies van bronnen in het kernlijngebied van het spectrum.
De Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), waarvan de lancering door NASA in 2005 is gepland, zal de vervolgmissie zijn op het zeer succesvolle CGRO EGRET experiment. De gevoeligheid van GLAST, van 20 MeV tot 300 Gev, zal veel groter zijn dan die van EGRET, waardoor het weinig waargenomen Gev-gebied van het spectrum veel beter bestreken zal worden. Een modernere deeltjes-volg-technologie (silicium strip detectoren) zal worden gebruikt in GLAST in plaats van de vonk-chambers roosters gebruikt in eerdere paar-productie telescopen. GLAST zal een groot gezichtsveld hebben (∼ 2 sr) en een verbetering met een factor 30 in fluxgevoeligheid en een factor 10 in de mogelijkheid om puntbronnen te lokaliseren in vergelijking met EGRET. GLAST zal ook een monitor voor gammastraaluitbarstingen aan boord hebben.
Missies die speciaal zijn ontworpen voor onderzoek naar gammastraaluitbarstingen zijn HETE-2 en Swift. Het High-Energy Transient Experiment-2 (HETE-2) werd in 2000 gelanceerd en werd begin 2001 operationeel. Deze satelliet heeft drie wetenschappelijke instrumenten aan boord: een bijna-omnidirectionele gammastralenspectrometer, een breedveld röntgenmonitor, en een set zachte röntgencamera’s. Een belangrijk doel van de HETE-2-missie is de snelle identificatie en nauwkeurige lokalisatie van gammastraaluitbarstingen, waarvan de coördinaten binnen enkele seconden zullen worden doorgegeven aan observatoria op de grond voor het zoeken naar diepe tegenhangers. De onlangs geselecteerde Swift-missie (gepland voor lancering in 2003) zal ook op verschillende golflengten gammastraaluitbarstingen bestuderen, op dezelfde manier als BeppoSAX en HETE-2. Net als zijn vogelachtige naamgenoot zal Swift “zich vliegend voeden” door snel gammastraaluitbarstingen te lokaliseren met een precisie van ∼ 1-4′, en de coördinaten binnen ∼ 15 s naar de grond te zenden voor vervolg-onderzoek naar tegenhangers. Swift kan ook snel worden geheroriënteerd om waarnemingen uit te voeren met zijn röntgen-en ultraviolet/optische telescopen die zullen worden gebruikt om afterglow eigenschappen te bestuderen, posities vast te stellen op boogseconde niveaus, en afstanden te bepalen via roodverschuiving spectrale metingen.
De High-Energy Solar Spectroscopic Imager (HESSI) is een door NASA gefinancierde missie om de kenmerken van deeltjesversnelling in zonnevlammen te bestuderen via de röntgen-en gammastraal-emissie die wordt geproduceerd in deze energieke gebeurtenissen. HESSI, dat in 2001 gelanceerd zal worden op het hoogtepunt van de zonnecyclus, zal spectroscopische metingen met hoge resolutie uitvoeren van kernlijnen en het onderliggende bremsstrahlung continuüm over het energiebereik van 3 kev tot 20 MeV met een set gekoelde hoogzuivere germanium detectoren. HESSI zal met behulp van roterende modulerende collimatoren Fourier-transformatiebeelden maken van de volledige zon met een resolutie van ∼ 2″-36″ over het gevoelige gebied. Aangezien HESSI niet afgeschermd is, kan het ook andere niet-zonnewaarnemingen verrichten, waaronder metingen van de Galactische diffuse lijnen ten gevolge van radioactieve 26Al (bij 1,809 MeV) en positron-annihilatie (bij 0,511 MeV).
Op het gebied van planeetstudies is ook de Mars Odyssey-missie van de NASA gepland voor lancering in 2001. Het instrumentarium omvat onder meer een gammastralenspectrometer en twee neutronendetectoren. Deze zullen worden gebruikt om het Marsoppervlak volledig in kaart te brengen en de elementaire samenstelling ervan te bepalen. De combinatie van neutronen- en gammastralingmetingen zal ook worden gebruikt om een schatting te maken van het watergehalte van het Martiaanse oppervlak.
Andere gammastralingsexperimenten en -missies zijn als hoge prioriteit aangemerkt door de Gamma-Ray Astronomy Program Working Group, een adviesorgaan van de NASA bestaande uit wetenschappers uit de hoge-energiegemeenschap. Een van hun aanbevelingen voor toekomstige ontwikkeling is een geavanceerde Compton-telescoop die gebruik maakt van de nieuwste detectortechnologieën voor toepassing in het MeV-gebied van het spectrum.
Het op grote hoogte oplaten van wetenschappelijke ballonnen heeft lang gediend als een testbed voor nieuwe instrumentatie. Gammastralingstelescopen vereisen lange belichtingen vanwege de relatief lage bronfluxen en de hoge instrumentele achtergronden, terwijl de duur van een typische ballonvlucht helaas vaak vrij beperkt kan zijn (hooguit enkele dagen). Om dit nadeel te ondervangen heeft de NASA onlangs het Ultra-Long Duration Balloon (ULDB) project opgezet, waarvan de geplande 100-daagse ballonvluchten rond de wereld de tijd in de lucht voor wetenschappelijke instrumenten aanzienlijk zullen verlengen. Het ULDB-programma zal de broodnodige mogelijkheden bieden voor ballonvluchten met langere blootstellingsduur, alsmede een aantrekkelijk goedkoop alternatief voor grootschalige ruimtemissies.
Onder de samenwerkingsverbanden die zich actief bezighouden met lucht-Cherenkov-studies op de grond van TeV-gammastralen, zijn er ook een aantal pogingen gaande om bestaande faciliteiten te verbeteren, voornamelijk door vergroting van het optische verzameloppervlak. De meest ambitieuze zijn wellicht die van de VERITAS-groep, met een geplande reeks van zeven 10-m telescopen in de VS, de Duits-Frans-Italiaanse HESS-groep met 4 tot 16 12-m telescopen die in Namibië moeten worden gebouwd, het Duits-Spaanse MAGIC-project met een telescoop met een opening van 17 m, en de Japanse SuperCANGAROO-reeks van vier 10-m telescopen in Australië. In een verwante inspanning bouwt de MILAGRO-samenwerking een water-Cherenkov-detector met een breed gezichtsveld in New Mexico in de VS voor TeV-metingen. Als overdekte lichtdichte detector heeft MILAGRO het bijkomende voordeel dat hij 24 uur per dag operationeel kan blijven.