Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Physik

Licht ins Dunkel durch Cherenkov-Teleskop Array

Autoren
Schweizer, Thomas
Abteilungen
MAGIC Gruppe und CTA Gruppe; Abteilung „Advanced Mathematical Methods for Particle Physics” (Masahiro Teshima)
Zusammenfassung
Die aktuelle Generation von Cherenkov-Teleskopsystemen wie z. B. MAGIC haben uns aufregende Erkenntnisse in der Gammastrahlungsastronomie beschert. MAGIC ist ein bodengebundener Detektor, bestehend aus 2 abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen mit einem Spiegeldurchmesser von je 17 m. Standort ist das Observatorium Roque de los Muchachos auf der kanarischen Insel La Palma. Ein Detektor der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array, befindet sich in der Planungsphase. Der Baubeginn ist für Anfang 2016 geplant. Die Sensibilität wird ca. zehnmal so hoch sein wie die von MAGIC.

Einleitung

Die Astroteilchenphysik und die Gammastrahlungsastronomie sind ein relativ neues Feld der Astrophysik. Die erste Gammastrahlenquelle im hochenergetischen Gammastrahlenbereich (>1 TeV) wurde erst 1989 vom Whipple Teleskop (ein sogenanntes Cherenkov-Teleskop) in den Vereinigten Staaten entdeckt. Damit wurde ein neues Forschungsgebiet eröffnet. Die Basis auf der diese Wissenschaft steht, ist die Messung von sogenannter Cherenkov-Strahlung. Diese entsteht wenn hochenergetische kosmische Strahlung in unsere Atmosphäre eintritt, auf Luftatome und -moleküle trifft und eine kaskadenartige Lawine aus relativistischen Teilchen auslöst, einen sogenannten Luftschauer. Die relativistischen Elektronen und Positronen im Schauer emittieren bläuliches Licht wenn sie die Atmosphäre durchqueren, das sogenannte Cherenkov-Licht. Die Entwicklung der Technologie, die die „fotografische” Aufzeichnung der sehr kurzen, nur einige Nanosekunden andauernden Lichtblitze der Luftschauer mit hochsensiblen Photosensoren erlaubt, hat diese neue astronomische Wissenschaft erst möglich gemacht.

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Abb. 1: Die Abbildung illustriert die Cherenkov-Strahlung eines Luftschauers, der von einem Teilchen kosmischer Strahlung initiiert wurde. Das Cherenkov-Licht wird von den Teleskopen aufgefangen und auf einer Kamera abgebildet. Durch Triangulation kann die Richtung des Teilchens bestimmt werden. Aus Form und Intensität des Bildes kann die Energie und die Art des Teilchens (Gamma oder Hadron) festgestellt werden.

 

Abbildung 1 zeigt das Prinzip eines Cherenkov-Teleskops. Unsere Erde wird permanent von kosmischer Strahlung bombardiert. Der Großteil davon besteht aus ionisierten Atomkernen quer durch das Periodensystem, wobei im niederenergetischen Bereich von einigen zehn Gigaelektronenvolt bis zu einigen hundert Terraelektronenvolt am häufigsten Wasserstoffkerne und weniger häufig Heliumkerne auf der Erde ankommen. Zusätzlich zu den ionisierten Kernen erreicht uns auch hochenergetische Gammastrahlung, welche in den energiereichsten und gewaltigsten Prozessen im Universum erzeugt wird. Diese Gammastrahlung erreicht uns in Form von einzelnen Gammaphotonen, die sich wegen ihrer hohen Energie wie einzelne Teilchen verhalten. Die Gammastrahlungsastrophysik befasst sich mit den physikalischen Bedingungen, die hinter den Quellen der Gammastrahlung stehen, und der Erforschung der Mechanismen, die den jeweiligen Quellen zugrunde liegen. Das Besondere an der bildgebenden Cherenkov-Telekoptechnologie ist, dass man aus der fotografierten Form des Luftschauers schließen kann, welcher Schauer einen hadronischen Ursprung hat (ionisierter Kern) und welcher ein Gammateilchen war. Da die Intensität des hadronischen Untergrundes tausendfach größer ist als das zu untersuchende Gammasignal von einer mögliche Quelle, ist ein Herausfiltern des Gammasignals von größter Bedeutung.

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Abb. 2: Dargestellt sind mehrere Quellen hochenergetischer Gammastrahlung.

Die wichtigsten Gammastrahlenquellen sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Quellen der Gammastrahlung entlang der galaktischen Ebene (der Milchstraße) sind zum großen Teil Supernovae-Überreste, deren Explosionswolken sich mit vielfacher Überschallgeschwindigkeit in die interstellare Materie ausbreiten. In der Schockfront werden Elektronen und Hadronen in einem Ping-Pong-Mechanismus (der sogenannten FERMI Beschleunigung) auf eine sehr hohe Energie beschleunigt. Bei diesem Prozess entsteht auch Gammastrahlung. Ein ebenfalls häufiger Quellentyp sind Pulsare und Pulsarwindnebel. Pulsare sind sehr schnell drehende Neutronensterne, die gepulste Strahlung im gesamten Lichtspektrum von Radio- bis höchstenergetischer Gammastrahlung abstrahlen. Pulsare emittieren auch einen starken Pulsarwind, der wiederum bei seinem Auftreffen auf interstellare Materie dort Schockfronten bildet und ebenfalls Gammastrahlung erzeugt. Bei vielen Pulsaren wird Gammastrahlung auch direkt im extrem starken mitrotierenden Magnetfeld (108−1010) Tesla des Neutronensterns produziert. Sehr interessante Quellen sind sogenannte Binärsysteme, in denen ein Stern um ein kompaktes Objekt kreist, z. B. um ein schwarzes Loch oder einen Neutronenstern. Diese Objekte haben ein periodisches Verhalten, welches mit der Umdrehungsfrequenz der beiden Objekte zusammenhängt. Die häufigsten extragalaktischen Quellen sind die sogenannten aktiven galaktischen Kerne (AGN) − das sind Kerne von Galaxien, die aus überdimensionalen schwarzen Löchern bestehen (106−1010 Sonnenmassen). Die Schwarzen Löcher saugen die Materie aus der Galaxie ein in Form einer riesigen Akkretionsscheibe. Senkrecht zur Akkretionscheibe stoßen sie sogenannte Jets in den intergalaktischen Raum, viele Hunderttausend Lichtjahre weit. Die Gammastrahlung entsteht in Schockfronten innerhalb solcher Jets. Besondere Quellen, die noch wenig verstanden sind, sind die sogenannten Gammastrahlungsblitze. Das sind sehr kurze Gammastrahlungsausbrüche von unvorstellbar großen Energiemengen (vielfach größer als die tausendfache Leuchtkraft einer Galaxie) in Zeitskalen von Bruchteilen einer Sekunde bis zu etwa einer Minute. Ein Kernthema der Astroteilchenphysik beschäftigt sich immer noch mit der sehr alten Frage nach den Quellen der kosmischen Strahlung.

In einer internationalen Kollaboration (Deutschland, Spanien, Italien, Schweiz, Polen, Finnland, Bulgarien, Kroatien und Japan), unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Physik in München, wurde 2004 das erste MAGIC Teleskop errichtet und 5 Jahre später auch das zweite. Mit MAGIC konkurrierende Experimente sind H.E.S.S in Namibia und VERITAS in den USA. Das zukünftige CTA-Observatorium − noch in Planung − ist die Kulmination der Astroteilchenphysik, der Erforschung der Gammastrahlungsquellen im Universum. Das CTA-Observatorium ist ein Großprojekt, an dem mehr als hundert Institute mit mehr als tausend Physikern beteiligt sind. Die Größenordung der zur Verfügung stehenden Investitionsmittel beträgt etwa 200 Mio Euro.

DAS MAGIC Experiment

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Abb. 3: Die beiden MAGIC Teleskope auf dem Roque de Los Muchachos in La Palma.

Abbildung 3 zeigt die beiden MAGIC Teleskope in La Palma auf dem Roque de Los Muchachos in 2.200 m Höhe. Der Spiegeldurchmesser beider Telekope beträgt je 17 m. Damit ist MAGIC das größte Stereoteleskopsystem der Welt. Der Spiegelträger wurde in Leichtbauweise aus Karbonfaserrohren hergestellt, um ein schnelles Drehen des Teleskops zu ermöglichen. Der Unterbau besteht aus Stahl. Wenn sich nun ein Gammastrahlungsblitz ereignet, kann das Teleskop innerhalb von 20 Sekunden jeden Punkt am Himmel erreichen. Jede der beiden Kameras umfasst rund 1.000 Pixel, die aus hochempfindlichen Photomultipliern bestehen. Eine schnelle Auslese ermöglicht die Aufnahme und Verarbeitung von 2 Milliarden Bildern pro Sekunde. Der Energiebereich von MAGIC liegt zwischen 50 GeV und etwa 50 TeV. In den vergangenen Jahren hat MAGIC wichtige Beiträge zur hochenergetischen Gammastrahlungsastrophysik geleistet. Eine beachtliche Anzahl neuer Quellen wurde entdeckt, und bedeutende astrophysikalische Ergebnisse von zahlreichen sowohl galaktischen als auch extragalaktischen Quellen wurden erzielt.

CTA

Abbildung 4 zeigt eine Ansicht des CTA-Observatoriums. Es umfasst ein Array aus Telekopen mit unterschiedlichen Spiegeldurchmessern (4 x 23 m, 25 x 12,70 x 6 m). Das große 23m-Teleskop ist optimiert für den Energiebereich zwischen 30 GeV und 1 TeV. Die 12m-Teleskope sollen zwischen 100 GeV und 50 TeV arbeiten, und die 6m Teleskope sind für den höchsten Energiebereich zuständig.

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Abb. 4: Eine Illustration des CTA--Observatoriums mit den vier großen 23m-Teleskopen im Vordergrund.

Von CTA wird eine zehnfache Verbesserung der Sensitivität im Vergleich zu MAGIC erwartet. Es sind zwei Standorte geplant, die im März 2014 festgelegt werden sollen. Es wird einen Standort auf der Südhalbkugel geben und einen zweiten auf der Nordhalbkugel, um so den ganzen Himmel abzudecken. Das Max-Planck-Institut für Physik in München ist federführend für das Design des großen 23m-Teleskops tätig, welches eine besondere technische Herausforderung darstellt. Dieses Teleskop wird komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt. Dies ist eine neue Technologie, welche zum Teil erst noch entwickelt werden musste. Die Leichtbauweise stellt sicher, dass das Teleskop schnell drehen kann, wenn Gammalichtblitzereignisse auftreten.

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