Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

HAWC: Ein Observatorium für höchstenergetische Gammastrahlen

Autoren
Schoorlemmer, Harm; Hinton, Jim
Abteilungen
Abteilung Nichtthermische Astrophysik
Zusammenfassung
Das High Altitude Water Cherenkov Gammastrahlen-Observatorium HAWC besteht aus einer Anordnung von Teilchendetektoren an einem hochgelegenen Ort in Mexiko. Es beobachtet höchstenergetische Gammastrahlen aus dem All, indem es deren Wechselwirkung mit der Atmosphäre misst. Wir geben einen Überblick über die Detektionstechnik, jüngste Entdeckungen und eine kürzlich installierte Erweiterung für allerhöchste Energien.
Abb. 1: Das Gammastrahlen-Observatorium HAWC. Die kleinen Tanks im Vordergrund sind Teil der Hochenergie-Erweiterung, welche die dichte Anordnung von großen Tanks in der Mitte umgibt.

Auf dem 4100 Meter hoch gelegenen Sattel zwischen den Vulkanen Pico de Orizaba und Sierra Negra in Zentralmexiko steht ein eigenartig aussehendes astronomisches Observatorium. Eine dichte Anordnung von 300 großen Tanks enthält eine Wassermenge, die für fünf olympische Schwimmbecken ausreichen würde. Das ist das High Altitude Water Cherenkov Gammastrahlen-Observatorium HAWC (siehe Abb. 1).

HAWC ist ein Observatorium für das extreme Universum. Es untersucht die heftigsten Vorgänge im All und misst Photonen bis zu den höchsten bekannten Energien von etwa 1014 Elektronenvolt (hochenergetische Gammastrahlen; zum Vergleich: Sichtbares Licht hat Photonenenergien von wenigen Elektronenvolt). Zwar können geladene Teilchen in der Natur zu noch höheren Energien beschleunigt werden, aber anders als Gammastrahlen werden diese kosmischen Teilchenstrahlen von interstellaren und intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt, sodass wir sie nicht zu ihrem Ursprung zurückverfolgen können. Höchstenergetische Gammastrahlen entstehen, wenn relativistische, geladene Teilchen auf Strahlungsfelder oder Gas in der Nähe ihrer Beschleuniger treffen. Somit eröffnen Gammastrahlen die Möglichkeit, diese Beschleuniger und auch die Verteilung und den Einfluss der kosmischen Strahlung in unserer Galaxis und darüber hinaus zu studieren.

Beobachtungen rund um die Uhr

HAWC unterscheidet sich stark von anderen bodengebundenen Gammastrahlen-Observatorien wie zum Beispiel dem High Energy Stereoscopic System H.E.S.S. in Namibia, die mit Tscherenkow-Teleskopen arbeiten. HAWC erreicht zwar nicht die Auflösung von H.E.S.S., kann dafür aber 24 Stunden am Tag große Teile des Himmels beobachten.

Trifft ein hochenergetisches Photon oder ein energiereiches geladenes Teilchen auf die Erdatmosphäre, erzeugt es dort eine Kaskade von relativistischen Teilchen. Fliegen diese in einen der 300 Wassertanks von HAWC, verursachen sie darin kurze Blitze von Tscherenkow-Licht. Vier große Lichtsensoren am Boden der Tanks registrieren Intensität und Eintreffzeit der Lichtblitze mit einer Genauigkeit im Nanosekundenbereich. Aus den Daten aller Lichtsensoren des Observatoriums ergeben sich die Eigenschaften der Teilchenkaskade. Damit lässt sich feststellen, ob das Primärteilchen, das die Kaskade ausgelöst hat, ein Gammaphoton oder ein geladenes Teilchen war, welche Energie es hatte, und aus welcher Richtung es kam. Da die Wassertanks kein Licht von außen hereinlassen, können die Beobachtungen bei Tag und Nacht ohne Unterbrechung laufen.

HAWC hat dabei den gesamten Himmel über sich im Blick, denn es kann die Herkunftsrichtung aller Primärteilchen bestimmen, deren Kaskaden den Boden aus beliebiger Richtung erreichen. Dank der Erdrotation erfasst HAWC im Verlauf einer Erdumdrehung etwa zwei Drittel des gesamten Himmels. Die über die Betriebszeit des Observatoriums gesammelten Beobachtungen ergeben ein detailreiches Himmelsbild im höchstenergetischen Gammalicht.

Entdeckungen

Abb. 2: Der Gammastrahlen-Himmel gesehen von HAWC. Klar zu sehen sind zahlreiche Quellen entlang der Milchstraße sowie der Krebsnebel und die Geminga-Region. Außerdem sind zwei extragalaktische Quellen, die aktiven Galaxienkerne Markarian 501 und 421, deutlich erkennbar.

Seit Messbeginn Anfang 2015 gelangen mit HAWC einige wichtige wissenschaftliche Entdeckungen. Sein erster Katalog listet 14 zuvor unbekannte Quellen höchstenergetischer Gammastrahlen [1] (siehe Abb. 2). Dies hat weitere Untersuchungen mit anderen Observatorien angestoßen, um die Natur dieser kosmischen Teilchenbeschleuniger aufzuklären. Zwei der neuen HAWC-Quellen sind besonders interessant: Geminga und SS 433.

Ursprünglich eine mysteriöse Quelle niederenergetischer Gammastrahlen, entpuppte sich Geminga als außerordentlich naher Pulsar, ein schnell rotierender Neutronenstern als kompakter Überrest eines Sterntods. Aus den HAWC-Daten konnten wir auf einen riesigen, am Himmel zwanzigmal so groß wie der Vollmond erscheinenden Halo ultrarelativistischer Elektronen schließen, die aus der Umgebung des Pulsars in das interstellare Medium entkommen sind [2]. Die Verteilung der Elektronen ermöglichte uns die erste Messung der Diffusionsgeschwindigkeit von Teilchen mit derart hohen Energien. Diese stellte sich als hundertmal langsamer heraus als bisher angenommen.

Das zweite Objekt, SS 433, ist ein bekanntes galaktisches Doppelsternsystem, in dem ein schwarzes Loch Materie von seinem Begleitstern absaugt und zwei Materie-Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den interstellaren Raum ausstößt. HAWC konnte erstmals Gammastrahlen beobachten, die ihren Ursprung innerhalb der Jets haben. Dies bedeutet, dass in der Wechselwirkung der Jets mit der umgebenden Materie effiziente Teilchenbeschleunigung stattfinden muss [3].

Erweiterung des Detektorfeldes

Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg ist der HAWC-Kollaboration 2015 beigetreten. Seitdem spielt unsere Abteilung eine wesentliche Rolle bei der Erweiterung des Observatoriums zur verbesserten Detektion allerhöchster Energien. Da Gammastrahlen mit zunehmender Energie rasch immer seltener werden, sind große Sammelflächen erforderlich, um Beobachtungen bei den allerhöchsten Energien machen zu können. Andererseits nimmt mit der Energie der Gammastrahlen auch die Zahl der Teilchen in der Kaskade zu, die bei der Wechselwirkung in der Atmosphäre entsteht. Deshalb lassen sich energiereichere Gammastrahlen mit lockerer angeordneten, kleineren Wasser-Tscherenkow-Detektoren nachweisen. Auf diesem Prinzip beruht die „Outrigger Array“ genannte Erweiterung von HAWC. Sie besteht aus 350 deutlich kleineren Tanks mit jeweils einem Lichtsensor, die um die großen Tanks herum angeordnet sind (vgl. Abb. 1). Eine Ausleseelektronik digitalisiert die Signale jedes Lichtsensors 250 Millionen Mal pro Sekunde. Bei dieser Elektronik handelt es sich um eine angepasste Version derjenigen, die Elektroniker des MPIK für Kameras der mittelgroßen Teleskope des Cherenkov Telescope Array (CTA) entwickelt haben.

Das Outrigger Array ging im August 2018 in Betrieb und vervierfacht die instrumentierte Fläche des Observatoriums. Damit ist HAWC das weltweit empfindlichste Instrument für Beobachtungen im Bereich um 1013 bis 1014 Elektronenvolt und bietet vielversprechende Aussichten für weitere Entdeckungen an der oberen Grenze des elektromagnetischen Spektrums.

Literaturhinweise

1.
Abeysekara, A. U. et al. (The HAWC collaboration)
The 2HWC HAWC Observatory Gamma-Ray Catalog
The Astrophysical Journal, 843:40 (21pp), 2017 July 1
2.
Abeysekara, A. U. et al. (The HAWC collaboration)
Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth
Science 17 Nov 2017 Vol. 358, Issue 6365, pp. 911-914
3.
Abeysekara, A. U. et al. (The HAWC collaboration)
Very-high-energy particle acceleration powered by the jets of the microquasar SS 433
Nature 562, 82–85 (2018)
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