Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 23. November 2023.

Bochum, 23. November 2023 – Der größte Teil der Materie im Universum ist Dunkle Materie. Darauf richtet Dr. Elisa Pueschel vom Astronomischen Institut der Ruhr-Universität Bochum ihr Augenmerk in ihrem Projekt „Dark100″: Im Mittelpunkt steht ein noch unerforschter Massebereich Dunkler Materieteilchen. „Durch den Einsatz neuartiger, kosteneffizienter Teleskoptechnologie wird Dark100 eine Reihe von Teleskopen einsetzen, die in der Lage sind, die Auslöschung Dunkler Materie zu untersuchen und die Empfindlichkeit der derzeit betriebenen und geplanten Gammastrahlen-Instrumente um eine Größenordnung zu verbessern, und zwar mit einer noch nie dagewesenen Energie- und Winkelauflösung“, so Elisa Pueschel. Sie erhält für diese Arbeit einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC) und damit eine Förderung von 2,3 Millionen Euro für fünf Jahre.

Angetrieben von den jüngsten theoretischen Entwicklungen wird Elisa Pueschel nach Teilchen der Dunklen Materie zwischen 100 Teraelektronenvolt und einigen zehn Petaelektronenvolt suchen. Im Projekt Dark100 wird sie so einen einzigartigen Datensatz von tiefgehenden Gammastrahlenbeobachtungen von astrophysikalischen Systemen mit Dunkler Materie aufbauen. „Entweder werden wir Dunkle Materie nachweisen – oder falls nicht werden wir Grenzwerte für ihren geschwindigkeitsgewichteten Annihilationsquerschnitt festlegen“, plant die Wissenschaftlerin. Sollte sie nicht nachgewiesen werden, wird die Dunkle Materie für einen Teil des untersuchten Massenbereichs ausgeschlossen, und die theoretischen Modelle werden für den gesamten untersuchten Massenbereich eingegrenzt.

„Die Ergebnisse des Projekts Dark100 werden über die wissenschaftliche Gemeinschaft mit speziellem Interesse an Dunkler Materie hinaus spürbar sein“, ist Elisa Pueschel überzeugt. „Durch die Demonstration eines neuen Gammastrahlenteleskop-Paradigmas wird Dark100 eine Reihe möglicher astrophysikalischer Studien mit Gammastrahlen über 100 Teraelektronenvolt ermöglichen.“ Eingeschlossen sei ein sogenanntes galaktisches Pevatron, eine Teilchenschleuder im Zentrum der Milchstraße, und verschiedene vorübergehende Ereignisse.“ Das entstehende Datenarchiv wird Synergien mit anderen Gammastrahleninstrumenten fördern.

Zur Person
Elisa Pueschel schloss ihre Dissertation mit dem PhD im Jahr 2010 an der Carnegie Mellon University, USA, ab. Als Postdoktorandin arbeitete sie im Anschluss bis 2013 an der University of Massachusetts, Amherst, USA, und wechselte dann mit einem Stipendium des Irischen Forschungsrats und einem Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Union an das University College Dublin, Irland. Von 2017 bis 2022 leitete sie eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo sie bis zu ihrem Wechsel an die Ruhr-Universität Bochum im August 2023 fest angestellte Wissenschaftlerin blieb.

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Quelle: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. September 2023.

5. September 2023 – Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat Dr. Aditya Parthasarathy, einem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, im Rahmen des Förderprogramms „Horizon Europe“ einen renommierten und äußerst begehrten Starting Grant in Höhe von rund 1,6 Millionen Euro verliehen. Der Betrag wird es ihm und seinem Team ermöglichen, die genannten grundlegenden Fragen der Astrophysik im Rahmen des Projekts „A Gamma-ray Infrastructure to Advance Gravitational Wave Astrophysics“ (GIGA) zu untersuchen.

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Gravitationswellenforschung bei niedrigen Frequenzen. Mit GIGA werden wir den Stand der Technik für Pulsar-Timing-Arrays sowohl im Gammastrahlen- als auch im Radiowellenbereich vorantreiben“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy. Pulsare entstehen durch den finalen Gravitationskollaps massereicher Sterne, der einen kompakten Neutronenstern zurücklässt, der dichter als ein Atomkern ist und sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Neutronensterne senden bei jeder Umdrehung Strahlen aus, die wie ein Signal von kosmischen Leuchttürmen durch die Galaxis ziehen. Die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Pulse kann genutzt werden, um nach winzigen Schwankungen in ihrem Ticken zu suchen, die eine Fülle astrophysikalischer Informationen enthalten. Ein Pulsar-Timing-Array nutzt eine ganze Ansammlung solcher kosmischen Uhren, um das schwache Meer von Gravitationswellen zu entdecken, das das Universum durchdringt.

Es wird erwartet, dass dieser sogenannte Gravitationswellenhintergrund von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher stammt, die in den Zentren verschmelzender Galaxien zu finden sind. Ein signifikanter Nachweis dieses Signals wird unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien und der Eigenschaften des frühen Universums kurz nach dem Urknall verbessern. Kürzlich hat ein internationales Team von Astronomen den ersten überzeugenden Beweis für den Gravitationswellenhintergrund bekannt gegeben, wobei viele der empfindlichsten Radioteleskope der Welt und über 15 Jahre lang gesammelte Daten zum Einsatz kamen. Obwohl dieses bahnbrechende Ergebnis den ersten Schritt zur Erforschung niederfrequenter Gravitationswellen darstellt, bleibt noch sehr viel zum weiteren Verständnis zu tun.

„Eines der größten Hindernisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von Pulsar Timing Arrays ist unsere Kenntnis des interstellaren Mediums und der Modellierung seiner Auswirkungen auf die Beobachtungsdaten von Pulsaren“, sagt Dr. Parthasarathy. Wenn sich Radiowellen vom Pulsar zu unserem Planeten ausbreiten, werden sie von den Elektronen im interstellaren Medium abgelenkt, was direkte Messungen der Gravitationswellenparameter verfälscht. „GIGA wird diese große Einschränkung überwinden, indem es Gammastrahlen-Beobachtungen von Pulsaren mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA nutzt. Da Gammastrahlen nicht in gleicher Weise durch das interstellare Medium beeinflusst werden, wird ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array einen unabhängigen und direkteren Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen“, fügt er hinzu.

„GIGA ist eine aufregende Idee, die bahnbrechende Ergebnisse verspricht“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ des Instituts. „Eine Kombination von Gammastrahlen- und Radiodaten wird nicht nur die abgeleitete Empfindlichkeit für den Gravitationswellenhintergrund erhöhen, sondern auch dazu beitragen, dessen astrophysikalische Ursprünge besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Dr. Parthasarathy wird vor Ende 2023 zu ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, wechseln, wo er seinen ERC Starting Grant nutzen wird, seine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. „Ich freue mich sehr darauf, meine Forschungsgruppe aufzubauen, während ich weiterhin mit meinen MPIfR-Kollegen zusammenarbeite, und ich bin dem ERC für die Finanzierung dankbar“, sagt er abschließend.

Hintergrundinformation
Der Europäische Forschungsrat (ERC) gibt die Vergabe von 400 Starting Grants an junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa bekannt. Mit den Finanzhilfen in Höhe von insgesamt € 628 Mio. € – wird die Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen unterstützt, von Medizin und Physik bis hin zu Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Grants helfen Forschern am Anfang ihrer Laufbahn, ihre eigenen Projekte zu starten, Forschungsteams zu bilden und ihre besten Ideen zu verfolgen.

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• Ehrungen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 2. März 2023.

2. März 2023 – Mit einem zweitägigen Workshop, zugleich ein Kick-off Meeting, haben die Universitäten Mainz und Würzburg die deutsche Beteiligung am NASA-Satelliten COSI vorbereitet. Aus Mainz ist die Gruppe von Prof. Dr. Uwe Oberlack vom Exzellenzcluster PRISMA+ beteiligt, aus Würzburg die Gruppe um den Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

Das Gammastrahlenteleskop mit dem Namen Compton Spectrometer and Imager (COSI) wird die jüngste Geschichte der Sternentstehung, von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente in der Milchstraße untersuchen, die für die Entstehung der Erde selbst entscheidend waren. Es wird vom Space Sciences Laboratory der University of California Berkeley geleitet und soll 2027 als neueste „kleine Astrophysik-Mission“ (Small Explorer) der NASA starten. Im Oktober 2021 hatte die NASA COSI aus 18 eingereichten Vorschlägen als neues Weltraumteleskop ausgewählt.

COSI wird die Gammastrahlung radioaktiver Atome untersuchen, die bei der Explosion massereicher Sterne entstehen, um zu kartieren, wo in der Milchstraße chemische Elemente entstanden sind. Die Mission wird auch den mysteriösen Ursprung der Positronen in unserer Galaxie erforschen, die auch als Antielektronen bekannt sind – subatomare Teilchen, die die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive Ladung haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Suche nach Strahlung, die von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.

Die deutsche Beteiligung an COSI ist eine Kooperation des Lehrstuhls für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert. Besonders interessant an der Mission ist die neue Thematik der „Megaelektronenvolt (MeV)-Gammaastronomie“, denn sie erlaubt die Beobachtung des Himmels in einem Bereich der elektromagnetischen Strahlung, der noch weitgehend unerforscht ist. Frühere Missionen unter führender deutscher Beteiligung, wie das erste Compton-Teleskop COMPTEL auf dem Compton Gamma-ray Observatory der NASA in den 90er-Jahren und das europäische Teleskop INTEGRAL in den letzten 20 Jahren, haben im Hinblick auf die Empfindlichkeit der Himmelsdurchmusterung nur die hellsten Quellen sehen können. COSI wird hier deutlich empfindlicher.

Dieser Energiebereich ist aber nicht nur wenig erforscht, er ist auch besonders interessant, weil er den Bereich der Energieniveaus in Atomkernen darstellt, die Ruheenergie der Positronen umfasst, sowie die Suche nach Dunkler Materie in einem bisher nicht zugänglichen Bereich ermöglicht. Kürzliche Hinweise auf astrophysikalische Neutrinos könnten auf Quellen hindeuten, die im MeV-Energiebereich sichtbar sein könnten. „COSI wird dutzende Quellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße detektieren und dadurch den Weg frei machen für noch größere Weltraumteleskope”, sagt der Würzburger Astrophysiker Dr. Thomas Siegert.

„Die COSI Mission hat vielfältige Anknüpfungspunkte zum Forschungsprogramm von PRISMA+“, erläutert der Mainzer Experimentalphysiker Prof. Dr. Uwe Oberlack. „Einer von ihnen ist das Forschungsfeld der Antimaterie – mit Blick auf die Suche nach galaktischen Positronen -, ein anderer die Suche nach Dunkler Materie. Das ist deshalb spannend, da als Alternative zu schwereren hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie, sogenannten WIMPs, zunehmend auch Teilchen bei leichten Massen im MeV-Bereich als Kandidaten für diese exotische Materieform diskutiert werden. Hier wird COSI ein neues Beobachtungsfenster für die Suche nach Dunkler Materie mit Gammastrahlen öffnen. Auch die Multimessenger-Astronomie im Hinblick auf die Suche nach kosmischen Neutrinos, die wir bei PRISMA+ mit dem IceCube Experiment betreiben, könnte von der neuen Mission profitieren.“

Dr. Thomas Siegert ergänzt: „Der Würzburger Lehrstuhl für Astronomie ist mit seinen vielfältigen Arbeitsgruppen passgenau für dieses Vorhaben aufgestellt. Mit COSI können wir die Jets von Mikroquasaren untersuchen, also Doppelsterne mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch. So stellen wir fest, ob diese Quellen auch große Mengen an Positronen erzeugen. In Würzburg arbeiten wir gemeinsam an Jet-Modellen auf allen Größenskalen — von kleinsten schwarzen Löchern bis hin zu aktiven Galaxienkernen. Des Weiteren interessieren wir uns für die Bildung chemischer Elemente in Sternen und durch Supernovae. Diese kann mittels COSI besonders detailliert untersucht werden, da die radioaktiven Elemente charakteristische Gammastrahlen aussenden, die sich dank COSIs hoher spektraler Auflösung voneinander unterscheiden lassen. So lernen wir, warum die Verteilung der Elemente in der Milchstraße so ist, wie sie ist.“

Beim Workshop in Mainz wurden zunächst die COSI-Kollaboration und der Status der Vorbereitungen zum Beispiel im Hinblick auf die Datenanalyse vorgestellt. Anschließend diskutierten die Teilnehmer die geplanten Arbeitspakete, aktuelle Forschungsfragen und den momentanen Stand der Vorbereitung. Im Ergebnis war es ein sehr guter Start, um das COSI-Team in Deutschland zu formen und die nächsten Schritte abzusprechen. Eines ist jetzt schon klar: Der Start der Mission wird von allen Teilnehmenden mit großer Spannung erwartet.

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• Gammastrahlung

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Quelle: DESY.

2. März 2022 – Das wissenschaftliche Datenzentrum des internationalen Gammastrahlenobservatoriums CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) wird bald im Brandenburgischen Zeuthen stehen. Brandenburgs Wissenschaftsministerin Manja Schüle und Volkmar Dietz, Leiter der Unterabteilung Großgeräte und Grundlagenforschung im Bundesforschungsministerium, legten heute zusammen mit Federico Ferrini, dem geschäftsführenden Direktor der CTAO gGmbH, und DESY-Direktor Helmut Dosch den Grundstein für das Science Data Management Centre (SDMC) des Großprojekts der Astroteilchenphysik.

Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger teilte in einem Grußwort zur Grundsteinlegung mit: „Deutschland gehört in der Astrophysik weltweit zu den führenden Forschungsnationen. Diesen Anspruch untermauert die Ansiedlung des neuen Science Data Management Centre in Zeuthen auf eindrucksvolle Weise. Es soll Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt anziehen, die die Daten des CTAO analysieren und uns wichtige Erkenntnisse über unser Universum liefern. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung wird diesen Prozess weiter unterstützen und die Partner in Europa und der ganzen Welt weiter eng einbinden.“

Manja Schüle, Forschungsministerin des Landes Brandenburg, sagt: „DESY-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler sind seit Jahrzehnten an wesentlichen internationalen Forschungsprojekten der Astroteilchenphysik beteiligt. Die Entscheidung, das wissenschaftliche Zentrum des internationalen Gammastrahlenobservatoriums CTAO in Zeuthen anzusiedeln, wertet diesen mit Forscherinnen und Forschern aus über 30 Nationen international aufgestellten und gleichsam regional verwurzelten Forschungsstandort im Land Brandenburg enorm auf. Dort werden bald nicht nur gewaltige Datenmengen verarbeitet und koordiniert. Dort entstehen auch Räume für Vorträge, Schulungen und – wichtiger denn je – für Begegnungen. Ich bin überzeugt: Wissenschaft und Forschung werden auch künftig Menschen zusammenbringen. Doch seit dem Angriffskrieg Russlands auf die Ukraine ist eine vertrauensvolle institutionelle Zusammenarbeit mit russischen und belarussischen Institutionen nicht mehr möglich. Deshalb unterstützen wir die Entscheidung von DESY, alle wissenschaftlichen Kooperationen mit Russland und Belarus auszusetzen. Wissenschaft und Forschung bauen Brücken – doch diese müssen von beiden Seiten gebaut werden. Angesichts dieses Krieges in Europa darf und kann es kein einfaches ‚Weiter so‘ geben. Wir stehen voll und ganz an der Seite der friedens- und freiheitsliebenden Menschen in der Ukraine – und aller Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich gegen den Krieg ausgesprochen haben. Ich bin sicher: Das neue Science Data Management Centre wird ein Juwel der Brandenburger Forschungslandschaft – und neue Brücken bauen.“

Das Cherenkov Telescope Array Observatory wird ein einzigartiges, weltumfassendes Observatorium für Gammastrahlungsastronomie, das erste erdgebundene dieser Art. Aufbauend auf der Technologie der aktuellen Generation von Gammastrahlungsteleskopen wie H.E.S.S., MAGIC und VERITAS (an allen dreien sind DESY-Forschungsgruppen beteiligt) wird CTAO bis zu zehnmal empfindlicher sein und eine noch nie dagewesene Genauigkeit beim Nachweis hochenergetischer Gammastrahlen aufweisen. Wenn diese hochenergetische Strahlung aus dem Universum auf die Erdatmosphäre trifft, entstehen in der oberen Atmosphäre kurze Lichtblitze, sogenannte Cherenkovstrahlung, die mit Hilfe der CTAO-Teleskope detektiert und dann analysiert werden. Mit mehr als 60 Teleskopen verschiedener Größe, die in der ersten Bauphase an zwei Standorten in der nördlichen und südlichen Hemisphäre errichtet werden, wird das Observatorium einzigartige astronomische Beobachtungen ermöglichen und der Astroteilchenphysik einen bisher unerreichten Einblick in unser Universum geben. Das SDMC bildet das wissenschaftliche Tor zum Gammastrahlungsobservatorium CTAO.

„Mit dem neuen CTAO Science Data Management Centre macht DESY in Zeuthen einen weiteren großen Schritt auf dem Weg zu einem internationalen Zentrum für Astroteilchenphysik in Deutschland und zu einem der innovativsten Forschungszentren in der Region“, sagt Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums.

„DESY betreibt in Zeuthen eine der weltweit größten Forschungsgruppen in der Gammaastronomie. Mit dem SDMC stärken wir diese Kompetenz weiter und werden Gastgeber für viele, viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dieser Disziplin. Das wird unseren Campus für die nächsten Jahrzehnte entscheidend prägen“, erklärt Christian Stegmann, DESY-Direktor für Astroteilchenphysik und Leiter des DESY-Standorts Zeuthen.

Bereits jetzt zählt DESY in Zeuthen mit ca. 280 Angestellten zu den größten Wissenschaftseinrichtungen in Brandenburg. Durch die Errichtung des SDMC werden etwa 60 zusätzliche Arbeitsplätze entstehen. Darüber hinaus werden künftig weitere Gastwissenschaftlerinnen und Gastwissenschaftler das Institut besuchen. Perspektivisch werden bis zu 400 Personen auf dem Campus beschäftigt sein.

Federico Ferrini, geschäftsführender Direktor der CTA-Observatorium gGmbH, sagt: „Das CTA-Observatorium ist ein wahrhaft internationales Projekt. An seinen beiden Standorten in Chile und La Palma wird es große Mengen an kostbaren Messdaten generieren, die von der wachsenden weltweiten Community von Astrophysiker*innen und Astroteilchenphysiker*innen analysiert werden. Es ist großartig, das Science Data Management Centre hier in Zeuthen wachsen zu sehen; es ist eine der entscheidenden Komponenten für den Erfolg von CTAO.“

Über das CTAO SDMC
Dutzende von Petabyte (PB) an simulierten und gemessenen Daten, die an den beiden CTAO-Teleskopstandorten gesammelt werden, werden im SDMC gespeichert, weiterverarbeitet und zugänglich gemacht. Das CTAO-Rechenzentrum im SDMC wird dafür zuständig sein, Software Systeme zu entwickeln und implementieren, die die wissenschaftliche Aktivitäten unterstützen, von der Organisation von Beobachtungsvorschlägen/-anträgen über die Planung von Beobachtungen, die Steuerung der Teleskope, die Verarbeitung und Archivierung der Daten auf allen Ebenen bis hin zur Verbreitung von Datenprodukten und wissenschaftlichen Werkzeugen für die Öffentlichkeit unter Verwendung offener Standards und FAIR-Prinzipien (FAIR= findability, accessibility, interoperability, and reusability; Auffindbarkeit, Zugänglichkeit, Interoperabilität/Verknüpfbarkeit und Wiederverwendbarkeit). Im SDMC widmen sich die CTAO-Mitarbeitenden den Themen „wissenschaftliche Datenverarbeitung“, „Softwareentwicklung und -wartung“, „User Support & Training“, „Servicebetrieb (Daten und Wissenschaft)“, „Kontrolle der Datenqualität“ und „elektronischer Helpdesk“. Die Arbeit in der Datenverarbeitung und Softwareentwicklung erfordert Möglichkeiten hochkonzentrierten Arbeitens, als auch der spontanen oder gezielten Kommunikation für wissenschaftlichen Austausch und Wissenstransfer. Das neue direkt am Zeuthener See gelegene SDMC-Gebäude wird ca. 1200 Quadratmeter Nutzfläche in einem flachen Sockelgebäude und einem darüber liegenden, auskragenden Büroriegel zur Verfügung stellen. Vorgesehen sind außerdem ca. 500 Quadratmeter für eine neue Kantine, die der steigenden Anzahl der zukünftig auf dem Campus Beschäftigten gerecht wird.

Das Gebäude wird im Rahmen einer institutionellen Zuwendung an das Helmholtz-Forschungszentrum DESY mit Bundesmitteln von rund 9,9 Mio. Euro und Mitteln des Landes Brandenburg in Höhe von 1,1 Mio. Euro finanziert. Das SDMC-Gebäude soll nach dem Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) mit dem Prädikat Silber zertifiziert werden. Die Bauarbeiten begannen Ende 2021, der Einzug ist für 2023 vorgesehen.

Über das CTAO
Das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO; www.cta-observatory.org) wird das erste erdgebundene Gammastrahlen-Observatorium und das weltweit größte und empfindlichste Instrument für den Nachweis hochenergetischer Gammastrahlen sein. Die unvergleichliche Genauigkeit und der beispiellose Energiebereich (20 GeV – 300 TeV; GeV=Giga-Elektronenvolt, TeV=Tera-Elektronenvolt) des CTAO werden neue Einblicke in die extremsten und stärksten Ereignisse im Universum ermöglichen und Fragen in der Astrophysik und darüber hinaus aufgreifen, die sich auf drei Hauptthemen beziehen: das Verständnis des Ursprungs und der Rolle relativistischer kosmischer Teilchen, die Erforschung extremer Umgebungen (wie der Umgebung Schwarzer Löcher) und die Erforschung der Grenzen der Physik (inklusive der Erforschung Dunkler Materie). Zu diesem Zweck verfügt das CTAO über zwei Teleskopstandorte: Einen in der nördlichen Hemisphäre in La Palma, Spanien, und einen in der südlichen Hemisphäre in der Atacama-Wüste, Chile. Das Hauptquartier des CTAO befindet sich in Italien beim Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Bologna, und das wissenschaftliche Datenzentrum SDMC ist in Deutschland beim Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen angesiedelt. CTAO wird auch das erste Instrument seiner Art sein, das der weltweiten Gemeinschaft der Astronomie und Astroteilchenphysik Daten aus einzigartigen, hochenergetischen astronomischen Beobachtungen zur Verfügung stellt.

Die Vorbereitung des Designs und der Implementierung des CTAO werden von der CTAO gGmbH geleitet, für den Bau und den Betrieb des Observatoriums soll später das noch zu gründende CTAO ERIC (European Research Infrastructure Consortium) zuständig sein. Die CTAO gGmbH wird vom CTAO-Council geleitet, das sich aus Gesellschaftern aus 11 Ländern und einer zwischenstaatlichen Organisation (ESO) sowie aus assoziierten Mitgliedern aus zwei Ländern zusammensetzt. Die CTAO gGmbH arbeitet eng mit dem CTA-Konsortium (CTAC) zusammen, einer Gruppe von mehr als 1500 Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen aus 25 Ländern, die zur Definition des Instrumentendesigns und des wissenschaftlichen Programms beitragen.

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• Cherenkov Telescope Array

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Quelle: DESY.

Die vor knapp 50 Jahren entwickelte Methode der stellaren Intensitätsinterferometrie könnte eine vielversprechende Zweitnutzung von Gammastrahlen-Observatorien wie dem künftigen Cherenkov Telescope Array (CTA) erlauben, wie das von Astronomen des Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und der University of Utah geleitete Team, dem auch Wissenschaftler von DESY angehören, im Fachblatt „Nature Astronomy“ schreibt.

„Ein gutes Verständnis der Sternenphysik ist wichtig für eine ganze Reihe astronomischer Fachgebiete, von der Suche nach Exoplaneten bis hin zur Kosmologie“, erläutert Nolan Matthews von der University of Utah, einer der Autoren der Studie. „Allerdings werden Sterne wegen ihrer großen Entfernung von der Erde oft als Punktlichtquellen gesehen.“ Die Interferometrie habe sich als sehr erfolgreiche Technik erwiesen, wenn es darum gehe, eine ausreichende Winkelauflösung zur Untersuchung von Sternen zu erreichen. „Wir haben gezeigt, dass optische Intensitätsinterferometrie-Messungen mit einer Matrix aus vielen Teleskopen möglich sind, die wiederum unserem Verständnis von Sternsystemen helfen werden“, sagt Matthews.

Normalerweise spähen die VERITAS-Teleskope nach den schwachen blauen Blitzen des Cherenkov-Lichts, das entsteht, wenn kosmische Gammastrahlen auf die Erdatmosphäre treffen. Diese Beobachtungen sind jedoch auf dunkle mondlose Stunden beschränkt. Das Team nutzte für seine Studie im Dezember 2019 eine Zeit, als VERITAS seine normalen Beobachtungen nicht durchführen konnte. „Dank moderner Elektronik konnten wir die Lichtsignale der einzelnen Teleskope per Computer kombinieren. Das resultierende Instrument hat die optische Auflösung eines Reflektors von der Größe eines Fußballfelds“, erklärt Forschungsleiter David Kieda von der University of Utah. „Dies ist die erste Anwendung der ursprünglichen Hanbury-Brown-Twiss-Methode bei einer Matrix optischer Teleskope.“

Das Team beobachtete beide Sterne mehrere Stunden lang. Die Messungen ergaben Winkeldurchmesser von 0,523 Millibogensekunden für Beta Canis Majoris und 0,631 Millibogensekunden für Epsilon Orionis. Eine Millibogensekunde entspricht in etwa der Ausdehnung einer Zwei-Cent-Münze auf dem Eiffelturm in Paris von New York aus betrachtet. „Die Messwerte für beide Sterne stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit derselben Technik mit den Narrabri-Teleskopen in den 1970er Jahren durchgeführt wurden“, berichtet DESY-Forscher Tarek Hassan, der an der Auswertung der VERITAS-Messungen beteiligt war. Die von 1963 bis 1974 betriebenen Narrabri-Teleskope waren die ersten Instrumente, die Sterndurchmesser mit Hilfe der stellaren Intensitätsinterferometrie bestimmt haben. Das VERITAS-Team konnte jetzt erhebliche Verbesserungen der Empfindlichkeit der Technik zeigen und auch ihre Skalierbarkeit dank digitaler Elektronik.

Mit der Methode lassen sich auch Dutzende von Teleskopen kombinieren, betonen die Forscher. Das könnte sich als eine interessante Option für nicht nutzbare Beobachtungszeit am künftigen Cherenkov-Teleskop-Array erweisen. Es wird das größte Gammastrahlen-Observatorium der Welt sein. Das CTA wird Gammateleskope in drei Größenklassen umfassen, DESY ist für die mittelgroßen Teleskope verantwortlich. „Das CTA wird bis zu 99 Teleskope mit Kilometer-Basislinien auf der Südhalbkugel und 19 Teleskope mit mehreren hundert Metern Basislinien auf der Nordhalbkugel besitzen“, erläutert Hassan. „Stellare Intensitätsinterferometrie-Messungen mit dem CTA könnte uns künftig erlauben, Sterne mit beispielloser Winkelauflösung zu untersuchen.“

Die Intensitätsinterferometrie könnte es den Wissenschaftlern dabei nicht nur ermöglichen, die Durchmesser von Sternen zu bestimmen, sondern auch Sternenoberflächen abzubilden und die Eigenschaften von Systemen wie wechselwirkenden Doppelsternen, schnell rotierenden Sternen oder pulsierender sogenannter Cepheiden-Variablen zu messen. In einer früheren Studie hatten Forscherinnen und Forscher in einem innovativen Verfahren mit Gammateleskopen bereits die Größe von Sternen bestimmt, indem sie Asteroidenbedeckungen dieser Sterne beobachteten. Diese Untersuchungen zeigen, dass Gammateleskope und die Forschung mit ihnen vielseitiger sind als angenommen.

VERITAS ist ein System aus vier optischen Zwölf-Meter-Reflektoren für die Gammastrahlenastronomie am Fred-Lawrence-Whipple-Observatorium des CfA in Amado, Arizona. VERITAS wird durch das U.S. Department of Energy Office of Science, die U.S. National Science Foundation und die Smithsonian Institution, NSERC aus Kanada, sowie die Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt. An VERITAS arbeiten etwa 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 20 Institutionen in den Vereinigten Staaten, Kanada, Deutschland und Irland.

Oringinalveröffentlichung:
Stellar Intensity Interferometry with the VERITAS array; The VERITAS Collaboration; „NatureAstronomy“, 2020; DOI: 10.1038/s41550-020-1143-y

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• Cherenkov Telescope Array

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Quelle: DESY.

Juli 2020 – Mit einem Spezialteleskop in Namibia hat ein DESY-geführtes Forscherteam einen besonderen Doppelstern als neue Quelle für sehr energiereiche kosmische Gammastrahlung nachgewiesen: Eta Carinae liegt 7500 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schiffskiel (Carina) am Südhimmel und erzeugt den Messungen zufolge Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 Gigaelektronenvolt (GeV) – rund 100 Milliarden Mal mehr als die Energie von sichtbarem Licht. Das Team um Stefan Ohm, Eva Leser und Matthias Füßling von DESY stellt seine Beobachtungen am Gammastrahlenobservatorium High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Fachblatt „Astronomy & Astrophysics“ vor. Eine begleitend erstellte Multimedia-Animation erklärt das Phänomen. „Mit solchen Visualisierungen möchten wir die Faszination der Forschung erlebbar machen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann.

Eta Carinae ist ein Binärsystem der Superlative. Es besteht aus zwei blauen Riesensonnen: Die eine hat die rund hundertfache Masse unserer Sonne, die andere etwa die 30-fache. Beide umkreisen sich alle 5,5 Jahre auf stark elliptischen Bahnen. Ihr Abstand schwankt dabei in etwa zwischen der Entfernung von Sonne zu Mars und Sonne zu Uranus. Beide Riesensterne schleudern dichte, überschallschnelle Sternwinde aus geladenen Teilchen ins All. Der größere der beiden verliert dabei in nur rund 5000 Jahren soviel Masse, wie unsere Sonne insgesamt besitzt. Der kleinere treibt einen schnellen Sternenwind mit etwa elf Millionen Kilometern pro Stunde (rund ein Prozent der Lichtgeschwindigkeit) an.

Dort, wo die beiden Sternwinde aufeinandertreffen, entsteht eine gewaltige Schockfront, in der das Windmaterial extrem aufgeheizt wird. Bei rund 50 Millionen Grad Celsius leuchtet es hell im Röntgenlicht. Für die Emission von Gammastrahlung sind die Windteilchen allerdings nicht heiß genug. „Derartige Schockregionen sind jedoch typische Orte für die Beschleunigung subatomarer Teilchen durch die starken elektromagnetischen Felder, die dort herrschen“, erläutert Ohm, Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY. Solche stark beschleunigten Teilchen können auch Gammastrahlung aussenden. Tatsächlich haben die Satelliten „Fermi“ der US-Raumfahrtbehörde NASA und „Agile“ der italienischen Raumfahrtagentur ASI bereits 2009 energiereiche Gammastrahlung bis etwa 10 GeV von Eta Carinae nachgewiesen.

Energiereicher Teilchenhagel
„Für die Produktion dieser Gammastrahlung gibt es verschiedene Modelle“, berichtet Füßling. „Sie kann von stark beschleunigten Elektronen stammen oder von energiereichen Atomkernen.“ Welches von beiden Szenarien zutrifft, ist von entscheidender Bedeutung: Energiereiche Atomkerne stellen die Hauptkomponente der sogenannten Kosmischen Strahlung, die permanent von allen Seiten auf die Erde einprasselt. Obwohl die Kosmische Strahlung bereits vor mehr als 100 Jahren entdeckt wurde, sind die Quellen der energiereichen Atomkerne trotz intensiver Forschung noch immer nicht erschöpfend bekannt. Da sie elektrisch geladen sind, werden die Atomkerne auf ihrem Weg durch das Universum von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt. Ihre Ankunftsrichtung auf der Erde weist daher nicht mehr zu ihrem Ursprung zurück. Kosmische Gammastrahlung hingegen wird nicht abgelenkt. Wenn sich also nachweisen lässt, dass die Gammastrahlung von energiereichen Atomkernen stammt, wäre damit auch einer der gesuchten Beschleuniger der Kosmischen Teilchenstrahlung gefunden.

„Bei Eta Carinae haben es Elektronen besonders schwer, auf sehr hohe Energien beschleunigt zu werden, da sie während ihrer Beschleunigung gleichzeitig in Magnetfeldern abgelenkt werden und so wieder Energie verlieren“, sagt Leser. „Oberhalb von 100 GeV beginnt der Bereich der sehr hochenergetischen Gammastrahlung, die sich nur noch schwer durch Elektronenbeschleunigung erklären lässt.“ Rund um die jüngste Begegnung der beiden Riesensterne konnte H.E.S.S. nun Gammastrahlung bis zu einer Energie von 400 GeV nachweisen. Der Doppelstern ist damit das erste bekannte Beispiel für eine Quelle, bei der sehr energiereiche („very high energy“; VHE) Gammastrahlung durch kollidierende Sternwinde erzeugt wird.

„Die Analyse der von H.E.S.S. und den Satelliten gemessenen Gammastrahlung zeigt, dass sie sich am besten als Produkt hochbeschleunigter Atomkerne deuten lässt“, betont DESY-Doktorand Ruslan Konno, der zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg eine begleitende Studie veröffentlicht hat. „Damit wären die Schockregionen kollidierender Sternwinde auch ein neuer Typ natürlicher Teilchenbeschleuniger für die Kosmische Strahlung.“ Mit H.E.S.S., benannt nach dem Entdecker der Kosmischen Strahlung, Victor Franz Hess, und insbesondere mit dem Cherenkov Telescope Array (CTA), dem im chilenischen Hochland entstehenden Gammastrahlenobservatorium der nächsten Generation, hoffen die Forscherinnen und Forscher, dieses Phänomen genauer erforschen und weitere derartige Quellen entdecken zu können.

Kosmischer Roadtrip
Dank intensiver Beobachtungen von Eta Carinae in allen Wellenlängenbereichen lassen sich die Eigenschaften der Sterne, ihrer Umlaufbahn sowie der Sternwinde verhältnismäßig gut ableiten. So können sich Astrophysiker ein besseres Bild des Doppelsternsystems und seiner Geschichte machen. Um die neuen Beobachtung von Eta Carinae zu veranschaulichen, haben die DESY-Astrophysiker gemeinsam mit den Animations-Spezialisten des preisgekrönten Science Communication Lab eine Videoanimation produziert. Die computergenerierten Bilder sind nahe an der Realität, weil dafür die gemessenen Bahn-, Stern- und Windparameter verwendet wurden. Der international gefeierte Multimedia-Künstler Carsten Nicolai, der für seine musikalischen Werke das Pseudonym Alva Noto benutzt, kreierte eigens den Sound zur Animation.

„Wissenschaft und wissenschaftliche Forschung finde ich extrem wichtig“, sagt Nicolai, der in der kreativen Arbeit von Künstlern und Wissenschaftlern enge Parallelen sieht. Der Reiz dieser Arbeit lag für ihn auch in der künstlerischen Vermittlung von wissenschaftlichen Forschungsergebnissen: „Mir gefällt besonders gut, dass es kein Film-Soundtrack ist, sondern einen echten Bezug zur Realität hat“, betont der Musiker und Künstler. Gemeinsam mit dem exklusiv komponierten Sound ist aus dieser besonderen Kooperation zwischen Wissenschaftlern, Animationskünstlern und Musiker ein multimediales Werk entstanden, das Zuschauerinnen und Zuschauer auf eine außergewöhnliche Reise zu einem etwa 7500 Lichtjahre entfernten Doppelstern der Superlative mitnimmt.

Originalveröffentlichung:
Detection of very-high-energy γ-ray emission from the colliding wind binary η Car with H.E.S.S.; H.E.S.S. Collaboration (for DESY: Matthias Füßling, Eva Leser, Stefan Ohm); „Astronomy & Astrophysics“, 2020; DOI: 10.1051/0004-6361/201936761

Begleitveröffentlichung:
Gamma-ray and X-ray constraints on non-thermal processes in η Carinae; R. White, M.Breuhaus, R. Konno, S. Ohm, B. Reville, and J.A. Hinton; Astronomy & Astrophysics“, 2020; DOI: 10.1051/0004-6361/201937031

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: TU Dortmund.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der MAGIC-Kollaboration haben erstmals mit bodengebundenen Teleskopen höchstenergetische Strahlung von einem Gammastrahlenausbruch nachgewiesen. Damit gelang der Beweis physikalischer Theorien. An der Entdeckung waren auch Forscherinnen und Forscher der TU Dortmund maßgeblich beteiligt. Über ihre Erkenntnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift Nature.

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind rätselhafte kurze, aber helle Ereignisse, die etwa einmal pro Tag plötzlich am Himmel erscheinen. Man nimmt an, dass einige davon das Ergebnis der Explosion massereicher Sterne am Ende ihres Lebens sind – und damit sozusagen die Geburtsschreie von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Sie zeichnen sich durch einen anfänglich sehr hellen Blitz aus, der als prompte Emission bezeichnet wird und dessen Dauer zwischen einem Bruchteil einer Sekunde und Hunderten von Sekunden liegt. Darauf folgt das sogenannte Nachleuchten, eine schwächere, aber etwas länger anhaltende Lichtemission über einen weiten Wellenlängenbereich, die mit der Zeit verblasst. Die MAGIC–Teleskope haben nun die höchstenergetischen jemals von der Explosion massereicher Sterne empfangenen Photonen – also das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht – nachgewiesen.

Dieser Durchbruch liefert entscheidende neue Erkenntnisse für das Verständnis der immer noch rätselhaften physikalischen Prozesse, die für die GRBs verantwortlich sind. Am 14. Januar 2019 wurde ein GRB von zwei Satellitenobservatorien entdeckt: dem Neil-Gehrels-Swift-Observatorium und dem Fermi Weltraumteleskop der NASA. Das Ereignis erhielt nach dem Entdeckungsdatum den Namen GRB 190114C. Innerhalb von 22 Sekunden wurden die Koordinaten des Gammastrahlenausbruchs am Himmel als elektronischer Alarm an Astronomen weltweit verteilt, darunter an die MAGIC-Kollaboration, die zwei Gammastrahlen-Teleskope mit einem Durchmesser von 17 Metern auf La Palma, Spanien, betreibt. Da GRBs an unvorhersehbaren Stellen am Himmel erscheinen und dann schnell verblassen, erfordert ihre Beobachtung durch so große Teleskope wie MAGIC eine ausgefeilte Strategie.

„Ein automatisches System verarbeitet in Echtzeit die GRB-Warnungen von Satelliteninstrumenten und lässt die MAGIC-Teleskope schnell auf die Himmelsposition des GRB umschwenken“, sagt Prof. Wolfgang Rhode von der TU Dortmund. Die Teleskope wurden extra für die Jagd nach GRBs so konzipiert, dass sie sehr leicht und daher schnell drehbar sind: Trotz des Gewichts von je 64 Tonnen können sie sich in nur etwa 25 Sekunden um 180 Grad drehen. Daher konnte MAGIC im Fall von GRB 190114C die Beobachtung nur 50 Sekunden nach Beginn des GRB starten.

Die Analyse der Daten für die ersten zehn Sekunden zeigt, dass die Emission von Photonen des Nachleuchtens bis zu Energien reicht, die Billionen Mal größer sind als die des sichtbaren Lichts. Während dieser Zeit war GRB 190114C in diesem Energiebereich das mit Abstand hellste Objekt am gesamten Himmel. Wie bei GRB-Nachleuchten erwartet, verblasste die Emission. Die letzten Photonen von dem Objekt wurden eine halbe Stunde später von MAGIC gesehen.

Die Dortmunder Arbeitsgruppe ist insbesondere auf schnelle und effiziente Analysen und auf das Erstellen der für die Auswertung der Daten notwendigen Simulationen spezialisiert. Dies zahlte sich aus, denn nach sorgfältiger Überprüfung der Daten konnten die MAGIC-Resultate bereits wenige Stunden nach dem Ereignis der weltweiten Forschungsgemeinschaft mitgeteilt werden. Dies ermöglichte eine umfangreiche Kampagne von Nachbeobachtungen des GRB 190114C durch mehr als zwei Dutzend Observatorien oder Instrumente. Diese lieferten ein vollständiges Bild dieses GRB vom Radiobereich bis zur Gammastrahlung. Insbesondere optische Beobachtungen erlaubten eine Messung der Entfernung zum GRB 190114C. Sie beträgt rund fünf Milliarden Lichtjahre.

Photonen mit der höchsten Energie aus einem neu entdeckten Emissionsprozess
Obwohl die Hochenergie-Emission im Nachleuchten des GRBs in einigen theoretischen Studien vorhergesagt worden war, gestaltete sich die Jagd danach sehr schwierig und erforderte einen jahrelangen Prozess der stetigen Verbesserung der Strategien und der Effizienz der MAGIC-Teleskope. Der wissenschaftliche Lohn dieser geduldigen Arbeit ist jedoch beträchtlich: „Unsere Messungen legen nahe, dass die Hochenergie-Gammastrahlung des Nachleuchtens möglicherweise von einem anderen Prozess stammt als die Emission bei niedrigeren Energien“, erklärt Dr. Dominik Elsässer, der ebenfalls an der TU Dortmund an MAGIC beteiligt ist. „Wir vermuten, dass energiereiche Elektronen ihre Energie durch die sogenannte inverse Compton–Streuung auf Photonen übertragen und so die von MAGIC gemessene Leuchtkraft entsteht. Um diesen Verdacht zu erhärten oder aber zu entkräften, benötigen wir Beobachtungen, die über den elektromagnetischen Spektralbereich hinausgehen.“

So bleiben also auch nach mehr als 50 Jahren seit ihrer Entdeckung viele Rätsel der GRBs weiterhin ungelöst. Dies gilt insbesondere für die Frage, ob einige von ihnen auch energiereiche Neutrinos erzeugen. Das sind jene geisterhaften Elementarteilchen, nach denen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Wolfgang Rhode mit dem IceCube-Detektor am Südpol der Erde fahnden. „Die MAGIC–Resultate ermutigen uns, die Methoden weiter zu verfeinern und die Experimente auszubauen. Durch die Fortsetzung der für solche internationalen Forschungsprojekte sehr wichtigen Unterstützung des Landes NRW und des Bundes hoffen wir, den Weg für ein viel tieferes Verständnis dieser faszinierenden kosmischen Explosionen ebnen zu können“, schließt Rhode.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: DESY.

Die stärksten Explosionen des Universums strahlen noch energiereicher als bislang bekannt: Zwei internationale Teams haben mit Spezialteleskopen die energiereichstenGammastrahlen von sogenannten Gamma-Ray Bursts registriert, die jemals gemessen wurden. Sie besitzen rund 100 Milliarden Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der H.E.S.S.- und der MAGIC-Teleskope stellen ihre Beobachtungen in unabhängigen Veröffentlichungen im Fachjournal „Nature“ vor. Es handelt sich um die ersten Nachweise von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Gammastrahlenteleskopen. DESY ist an beiden Observatorien maßgeblich beteiligt, die federführend von der Max-Planck-Gesellschaft betrieben werden.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) sind plötzliche, kurze Ausbrüche von Gammastrahlung im Kosmos, die sich etwa einmal pro Tag irgendwo im sichtbaren Universum ereignen. Die Gammablitze stammen nach aktuellem Wissen von kollidierenden Neutronensternen oder aus Supernova-Explosionen von Riesensonnen, die zu einem Schwarzen Loch kollabieren. „Gammablitze sind die stärksten bekannten Explosionen im Universum und setzen typischerweise in wenigen Sekunden mehr Energie frei als unsere Sonne in ihrer gesamten Lebensdauer – sie können durch nahezu das gesamte sichtbare Universum leuchten“, sagt David Berge, Leiter der Gammastrahlenastronomie bei DESY.

Entdeckt wurde das kosmische Phänomen Ende der 1960er Jahre zufällig von Satelliten zur Überwachung des Atomteststopp-Abkommens auf der Erde. Seitdem untersuchen Astronomen die Gammastrahlenausbrüche mit Satelliten vom Erdorbit aus. Mit erdgebundenen Teleskopen ließen sich die Gammaquanten der Blitze bislang nicht beobachten, weil die Erdatmosphäre sie normalerweise schluckt.

Astronomen haben Spezialteleskope entwickelt, die das schwache, bläuliche Cherenkov-Licht registrieren, das kosmische Gammastrahlung in der Erdatmosphäre erzeugt. Diese Instrumente können jedoch nur sehr energiereiche Gamma-Photonen nachweisen, die Helligkeit von Gamma-Ray Bursts fällt aber mit steigender Energie steil ab. Cherenkov-Teleskope haben zwar zahlreiche Quellen kosmischer Gammastrahlung bei sehr hohen Energien identifiziert, ein Gamma-Ray Burst war bislang jedoch nicht darunter. Satelliten dagegen sehen zwar regelmäßig Gammablitze, haben aber viel zu kleine Detektorflächen, um für die sehr geringe Helligkeit der Gammastrahlenausbrüche bei sehr hohen Energien empfindlich zu sein. Daher war es bislang unklar, ob die Monster-Explosionen auch noch Gammastrahlung bei sehr hohen Energien aussenden.

Forscher haben seit vielen Jahren versucht, Gammablitze mit Cherenkov-Teleskopen zu erwischen. Zwischen Sommer 2018 und Januar 2019 haben nun gleich zwei internationale Teams, beide mit DESY-Beteiligung, erstmals Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Teleskopen nachgewiesen. Am 20. Juli 2018 konnte das 28-Meter-Gammastrahlenteleskop des High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia das schwache Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs mit der Katalognummer GRB 180720B beobachten. Am 14. Januar 2019 registrierten die Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) Teleskope auf der Kanareninsel La Palma helle Gammastrahlung aus der frühen Phase von GRB 190114C.

Beide Beobachtungen waren durch Gammastrahlen-Satelliten der US-Raumfahrtbehörde NASA ausgelöst worden, die den Himmel nach Gammablitzen absuchen und automatische Benachrichtigungen an Observatorien wie H.E.S.S. und MAGIC verschicken. „Wir konnten so schnell auf die Herkunftsregion schwenken, dass wir nur 57 Sekunden nach dem ursprünglichen Nachweis der Explosion mit der Beobachtung beginnen konnten“, berichtet DESY-Forscher Cosimo Nigro, der zu dieser Zeit die Beobachtungsschicht leitete. „In den ersten 20 Minuten der Beobachtung haben wir rund tausend Photonen von GRB 190114C registriert.“

MAGIC beobachtete Gammaquanten mit Energien zwischen 200 und 1.000 Milliarden Elektronenvolt (0,2 bis 1 Tera-Elektronenvolt). „Dies sind bei weitem die höchstenergetischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind“, sagt die Leiterin der MAGIC-Gruppe bei DESY, Elisa Bernardini. Zum Vergleich: Sichtbares Licht liegt im Energiebereich von etwa 1 bis 3 Elektronenvolt.

Die frühe Entdeckung ermöglichte, die weltweite Astronomengemeinde schnell zu informieren. Daraufhin haben mehr als 20 andere Teleskope in zahlreichen Wellenlängenbereichen einen genaueren Blick auf das Objekt geworfen. So ließen sich Details der physikalischen Mechanismen entschlüsseln, die für die Strahlung der höchsten Energien verantwortlich sind und von den Forscherinnen und Forschern des MAGIC-Konsortiums in einem zweiten Fachaufsatz in „Nature“ beschrieben werden. Die Nachbeobachtungen bestimmten auch die Entfernung von GRB 190114C zu mehr als vier Milliarden Lichtjahren. Sein Licht war also mehr als vier Milliarden Jahre zu uns unterwegs und damit rund ein Drittel des Alters des Universums.

GRB 180720B war mit einer Distanz von sechs Milliarden Lichtjahren noch weiter entfernt. Dennoch ließ sich seine Gammastrahlung im Bereich von 100 bis 440 Milliarden Elektronenvolt auch lange nach dem ursprünglichen Blitz nachweisen. „Überraschenderweise konnte das H.E.S.S.-Teleskop noch zehn Stunden nach der ersten Satellitenbeobachtung der Explosion einen Überschuss von 119 Gammaquanten aus der Richtung des Ausbruchs registrieren“, sagt der Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY, Stefan Ohm.

„Der Nachweis kam recht unerwartet, da Gammastrahlenausbrüche schnell an Helligkeit verlieren. Sie besitzen zwar ein Nachglühen, das noch Stunden oder manchmal sogar Tage in vielen Wellenlängenbereichen von Radiowellen bis zur Röntgenstrahlung beobachtet werden kann, aber nie zuvor in der sehr energiereichen Gammastrahlung nachgewiesen wurde“, erläutert DESY-Theoretiker Andrew Taylor, der an der H.E.S.S.-Analyse beteiligt war. „Dieser Erfolg ist auch einer verbesserten Nachbeobachtungsstrategie zu verdanken, bei der wir uns auch auf spätere Zeiten nach dem eigentlichen Sternkollaps konzentrieren.“

Der Nachweis von Gammastrahlenausbrüchen bei sehr hohen Energien liefert wichtige neue Einblicke in die gigantischen Explosionen. „Indem wir festgestellt haben, dass Gamma-Ray Bursts Photonen mit Energien produzieren, die hundertmilliardenfach höher sind als sichtbares Licht, wissen wir jetzt auch, dass sie in der Lage sind, Partikel innerhalb der Explosionswolke hocheffizient zu beschleunigen“, sagt DESY-Forscherin Konstancja Satalecka, eine der MAGIC-Koordinatorinnen für die Suche nach Gammastrahlenausbrüchen. „Außerdem stellt sich heraus, dass uns bisher etwa die Hälfte ihres Energiebudgets entgangen ist. Denn unsere Messungen zeigen, dass die im Bereich der sehr energiereichen Gammastrahlung freigesetzte Energie vergleichbar ist mit der Energie, die bei allen anderen Wellenlängen zusammen abgestrahlt wird. Das ist bemerkenswert!“

Die Erzeugung dieser sehr energiereichen Gammastrahlung physikalisch zu erklären, ist eine Herausforderung. Beide Teams gehen von einem zweistufigen Prozess aus: Zunächst werden schnelle elektrisch geladene Teilchen in den starken Magnetfeldern der Explosionswolke abgelenkt und senden dabei sogenannte Synchrotronstrahlung aus, wie sie sich durch den gleichen Prozess auch in irdischen Teilchenbeschleunigern – etwa bei DESY – erzeugen lässt. Allerdings kann diese Synchrotronstrahlung nur unter Extrembedingungen die beobachteten sehr hohen Energien erreichen. Stattdessen nehmen die Forscherinnen und Forscher an, dass diese Photonen in einem zweiten Schritt wiederum mit den schnellen elektrisch geladenen Teilchen zusammenstoßen und dadurch auf die beobachtete sehr hohe Energie gebracht werden. Diesen zweiten Schritt nennen Wissenschaftler inverse Compton-Streuung.

„Die beiden Instrumente haben zum ersten Mal Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts vom Erdboden aus gemessen“, fasst Berge zusammen. „Diese beiden bahnbrechenden Beobachtungen haben Gamma-Ray Bursts als Quellen für erdgebundene Gammstrahlenteleskope etabliert. Das hat das Potenzial, unser Verständnis dieser gewaltigen Phänomene deutlich voranzubringen.“ Die Forscher schätzen, dass sich mit dem Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation, dem geplanten Cherenkov Telescope Array (CTA), bis zu zehn solche Ereignisse pro Jahr beobachten lassen werden. Das CTA wird aus mehr als 100 Einzelteleskopen bestehen, die an je einem Standort auf der Nord- und der Südhalbkugel aufgebaut werden. DESY ist an dem Observatorium maßgeblich beteiligt und unter anderem für die Konstruktion der mittelgroßen CTA-Teleskope verantwortlich. Außerdem wird das wissenschaftliche CTA-Datenzentrum am DESY-Standort Zeuthen gebaut. CTA soll voraussichtlich 2023 mit den ersten Beobachtungen beginnen.

Hintergrundinformationen
Der Nachweis der sehr energiereichen Gammaquanten auf der Erde gelang mit Spezialteleskopen, die nicht die kosmischen Gammaquanten direkt beobachten, sondern deren Wirkung auf die Erdatmosphäre: Wenn ein energiereiches kosmisches Gammaquant die Erdatmosphäre trifft, zerschmettert es dort Moleküle und Atome. Dieser Prozess erzeugt eine ganze Lawine von Folgeteilchen, die Luftschauer genannt wird. Die Schauerteilchen bewegen sich schneller durch die Luft als das Licht – aber nicht schneller als das Licht im Vakuum, was gemäß Albert Einsteins Relativitätstheorie die absolute Geschwindigkeitsobergrenze darstellt. Dadurch entsteht ein bläuliches Leuchten, eine Art optisches Pendant zum Überschallknall. Dieses nach seinem Entdecker benannte Cherenkov-Licht können Spezialteleskope wie jene der H.E.S.S.- und MAGIC-Observatorien oder des geplanten CTA beobachten.

Die H.E.S.S.-Beobachtungen von GRB 180720B wurden zuerst bei einem wissenschaftlichen CTA-Symposium im Mai 2019 verkündet. Die MAGIC-Beobachtungen wurden direkt am 14. Januar 2019 in einem „Astronomers‘ Telegram“ (ATel) verbreitet.

Das H.E.S.S.-Konsortium besteht aus mehr als 250 Forscherinnen und Forschern von 41 Instituten in 12 Ländern. Das MAGIC-Konsortium vereint 280 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 37 Instituten in 12 Ländern. Die MAGIC-Gruppe bei DESY wird zum Teil durch eine Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft für exzellente Wissenschaftlerinnen finanziert.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: space.com/raumfahrer.net. Vertont von Peter Rittinger.

Wissenschaftler vom Fermi National Accelerator Laboratory und von der New York University haben aus den frei zugänglichen Daten des Fermi-Teleskopes die Gammastrahlung aus dem galaktischen Zentrum unserer Milchstraße genauer untersucht. Eine offizielle Auswertung der Daten durch das Fermi-Team steht noch aus. Dieser zentrale Punkt wird auch als Massenzentrum unserer Milchstraße bezeichnet. Es liegt im Sternbild Schütze, wo auch das sichtbare Band der Milchstraße am dichtesten erscheint. Das galaktische Zentrum enthält das nächste uns bekannte supermassereiche Schwarze Loch und zeigt andere ungewöhnliche astrophysikalische Phänomene. Denn exakt in diesem Bereich ist die Dichte der Dunklen Materie am höchsten und somit auch die Zerfallsrate der Teilchen der Dunklen Materie.

Erste Hinweise auf Gammastrahlung durch den Zerfall dieser seltsamen Materie hatte bereits das Spektrometer SPI im Weltraumteleskop Integral geliefert. Die damals festgestellte Strahlung wurde aber falsch interpretiert und dann nicht weiter untersucht.

Die Frage, warum man explizit dort solch eine intensiver Strahlung vorfindet erklären die Experten jetzt damit, dass dies dem Zerfall von Teilchen mit einer Masse im Bereich von 7,3 bis 9,2 GeV (Gigaelektronenvolt) zuzurechnen ist. Diese Strahlungskomponente, die sich nicht auf herkömmliche Weise erklären lässt, zeigt sich im innersten Bereich, etwa 570 Lichtjahren um den Mittelpunkt der Milchstraße. Und dies bedeutet für die Experten, dass es sich hierbei zweifelsfrei um den Zerfall von Teilchen der mysteriösen Dunklen Materie handelt. Die Masse der zerfallenden Partikel schätzen die Wissenschaftler auf etwa das Achtfache der Protonenmasse. Dieser Wert liegt im Bereich sogenannter WIMPs. Befürworter der Dunklen-Materie-Theorie zählen diese schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen zu den wichtigsten Kandidaten um das kosmologische Problem der Anteile von Materie im Weltraum zu lösen.

Somit wäre auch der Beweis erbracht, dass es die bisher noch nicht nachgewiesene Materieart doch gibt. Diese hypothetische Form von Materie, die zu wenig sichtbares Licht oder andere elektromagnetische Strahlung aussendet oder reflektiert, um direkt beobachtbar zu sein, wird ja nicht von allen Wissenschaftlern anerkannt. Für sie ist die Zusammensetzung der Dunklen Materie nicht schlüssig und deshalb nicht existent. Und der Gelehrtenstreit hört somit nicht auf, denn jede Partei reklamiert für sich den Alleinerklärungsanspruch.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

In den bisher vier Monaten des wissenschaftlichen Einsatzes von Fermi mit seinem Hauptinstrument, dem Large Area Teleskop (LAT), wurden 12 bisher unbekannte Pulsare entdeckt, die ausschließlich auf Grund ihrer Gammastrahlenaussendung gesehen wurden, meldete die US-amerikanische Weltraumbehörde am 6. Januar 2009. Außerdem konnte Fermi Gammastrahlung von 18 weiteren Pulsaren auffangen, die man bisher nur im Radiowellenbereich beobachtet hatte. Gammasstrahlung von 6 bereits als im Gammastrahlenbereich aktiv erkannten Pulsaren, die schon vom Weltraumteleskop Compton der NASA beobachtet wurden, wurde ebenfalls empfangen.
Eine Darstellung des Himmels, so wie er von Fermi bisher durchmustert wurde, zeigt die Positionen verschiedenartiger Pulsare:

Die 13 orange dargestellten Pulsare wurden bei einer Suche ohne besondere Vorgaben gefunden. Die 7 magentafarben eingezeichneten Pulsare sind Millisekundenpulsare, die bisher im Bereich der Radiostrahlung beobachtet wurden, die 11 hellblau markierten sind junge Radiopulsare, und die 6 grün gekennzeichneten solche, die das Compton-Teleskop mit dem Instrument EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) beobachten konnte.

Geladene Teilchen werden vom wirbelnden Magentfeld eines Pulsars fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, dabei entsteht die Gammastrahlung, vermutet man. Dieser Prozess läuft abhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Pulsars in mehreren hundert Kilometern über seiner Oberfläche, etwa im Abstand des zehn- bis zwanzigfachen seines Durchmessers, ab.

Von allen durch Fermi bisher beobachteten Pulsaren drehen sich 7 so schnell um sich selbst, dass sie zur ungewöhnlichen Klasse der Millisekundenpulsare gezählt werden. In einer Sekunde drehen sich diese mehrere hundert Mal um sich selbst.

Die im Radiowellenbereich empfangene Strahlung von Pulsaren hält man mittlerweile hinsichtlich der Strahlungsleistung von Pulsaren nur für die Spitze des Eisbergs. Die eigentlich leistungsmäßig maßgebliche Strahlung der Pulsare vermutet man nun im Bereich der Gammastrahlung. Um zu verstehen, was innerhalb und in der Umgebung von Pulsaren abläuft, ist eine Beobachtung im Gammastrahlenbereich angezeigt, so wie sie jetzt von Fermi durchgeführt wird.

Die breiter gefächerten Gammastrahlenimpulse und die unerwartet große Anzahl von strahlenden Objekten auch in Regionen, aus denen man keine Radiostrahlung empfängt, legen nahe, dass die Plusare die Gammastrahlung in einem deutlich breiteren Abstrahlwinkel (etwa 60 Grad) aussenden, als sie es im Fall der Radiostrahlung tun (etwa 10 Grad).

In der Animation ist die Radiostrahlung grün dargestellt, der Bereich der Gammastrahlungsentstehung violett, die Magnetfeldlinien um den Pulsar blau.

Nimmt man an, man sei ein Beobachter auf der Erde und blickt in Richtung Pulsar, so wird klar, dass es durchaus möglich ist, dass man zwar die die Erde immer wieder streifende Gammastrahlung wird messen, aber die möglicherweise abgestrahlten Radiowellen auf der Erde nicht wird auffangen können.

Aus der Feststellung, dass die Spitzen der Radio- und der Gammastrahlung bei Pulsaren, von welchen man beide Strahlungsarten empfängt, nicht regelmäßig aufeinander folgen, schließt man, dass unterschiedliche Prozesse an unterschiedlichen Orten für die jeweilige Strahlung verantwortlich sein sollten.

Millisekundenpulsare in der jetzt gefundenen Anzahl zu entdecken, stellt einen entscheidenden Durchbruch dar. Diese Art von Pulsaren war bisher nur anhand ihrer Radiowellen- und Röntgenstrahlaussendung und durch vom mittlerweile abgeschalteten Compton-Teleskop empfangener Gammastrahlung gefunden worden. Die Millisekundenpulsare haben ihre hohe Umdrehungsgeschwindigkeit erst nach ihrer Entstehung aufgebaut, indem sie Gas von einem Begleitstern, mit dem sie einen Doppelstern bilden bzw. bildeten, abziehen, vermutet man. Alleinstehende Pulsare verlangsamen ihre Rotation allmählich.

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Raumcon:

• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

Pulsare sind sich sehr schnell drehende Neutronensterne, die entstehen, wenn sehr massereiche Sterne nach wenigen Millionen Jahren in einer Supernova explodieren. Materieteilchen in der Nähe solcher Objekte bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien und sorgen anschließend für eine gerichtete Aussendung von Strahlung. Durch die Drehung ergibt sich das leuchtturmartige Blinken. Bei den meisten Pulsaren wurden bisher mehrere Umdrehungen pro Sekunde festgestellt. Die Bezeichnung Pulsar resultiert aus dieser besonderen Art, wie die Strahlungsabgabe die Erde bzw. Beobachtungssatelliten wie Fermi im Erdorbit erreicht.

Bisher haben Astronomen fast 1.800 Pulsare katalogisiert. Das Alter der Mehrzahl dieser Objekte wird auf etwa eine Million Jahre geschätzt. Die meisten der Pulsare wurden auf Grund ihrer Radiowellenabstrahlung aufgefunden. Einige Pulsare strahlen Energie jedoch auch in anderen Formen ab, so z. B. als sichtbares Licht oder als Röntgenstrahlung. Die Abstrahlung von Energie führt zu einer langsamen Herabsetzung der Umdrehungsgeschwindigkeit eines Pulsares.

In den Überresten der Supernova (SNR = supernova remnant) CTA 1 im Sternbild Cepheus (dt. Kepheus) wurde von Fermi nun ein Pulsar gefunden, der nur auf Grund seiner Gammastrahlenaussendung detektiert werden konnte. Möglicherweise strahlt dieser Pulsar auch auf anderen Wellenlängen. Der entsprechende Strahl ist vielleicht stärker gerichtet und zielt nicht direkt in Richtung Erde, so dass irdische Messinstrumente bzw. solche auf Erdsatellitenbahnen ihn niemals feststellen können.

Die Strahlung des Gamma-Pulsares erreicht uns alle 316,86 Millisekunden, also etwas öfter als jede drittel Sekunde. Die Zeit für eine Umdrehung des von Fermi entdeckten Pulsares dürfte alle 87.000 Jahre um etwa eine Sekunde zunehmen. Der wahrscheinlich vor etwa 10.000 Jahren entstandene, also vergleichsweise junge Pulsar, strahlt 1.000-mal mehr Energie ab als unsere Sonne.

Fermi tastet alle drei Stunden den gesamten Himmel ab. An Bord des Satelliten sind zwei zentrale Instrumente, das Large Area Telescope (LAT), welches die Strahlung des Gamma-Pulsares empfing, und der GLAST Burst Monitor (GBM), der vom Deutschen Max-Planck-Institut entwickelt wurde.

Fermis Mission ist es, nach der für das bloße Auge unsichtbaren Gammastrahlung aus Quellen wie vergangenen Sternen, schwarzen Löchern und der sogenannten dunklen Materie zu suchen.

Raumcon

• Fermi

Verwandte Weblinks

• Wikipedia: Neutronenstern
• Wikipedia: Pulsar

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: ESO.

Am 19. März 2008 hatte der auf Gammastrahlenblitze spezialisierte Satellit Swift einen Ausbruch von ungeheurer Intensität entdeckt. Er erhielt die offizielle Bezeichnung GRB 080319B. Gammastrahlenblitze künden vom Ende großer Sterne und sind die energiereichsten Ereignisse im Universum – und dieser Blitz war derart intensiv, dass er, obwohl er sich ein halbes Universum entfernt ereignete, kurzzeitig sogar für das bloße Auge sichtbar war. In einem Bericht, der vor wenigen Tagen in der aktuellen Ausgabe von „Nature“ erschien, berichten nun Judith Racusin von der Penn-State-Universität in Pennsylvania/USA und 92 Co-Autoren von den Beobachtungen quer durch das elektromagnetische Spektrum, die 30 Minuten vor der Explosion begannen und noch Monate lang fortgesetzt wurden.

„Wir gehen davon aus, dass die außerordentliche Helligkeit des Bursts daher rührte, dass einer der von dem Stern ausgestoßenen Gas-Jets fast genau in Richtung Erde verlief. Dabei erreichte er fast die Lichtgeschwindigkeit; die Differenz betrug nur 0,00005 Prozent.“ sagte Guido Chincarini, ein Mitglied des Teams.

Die meisten Gammastrahlenausbrüche ereignen sich, wenn alten Sternen der Brennstoff ausgeht und sie in sich zusammenbrechen. Durch Prozesse, die noch nicht voll verstanden sind, werden dabei sehr schnelle Gas-Ströme, genannt „Jets“, ausgestoßen. Wenn diese Jets in den Raum schießen, treffen sie auf Gaswolken, die der Stern zuvor im Todeskampf ausgestoßen hat, heizen sie auf und erzeugen so ein noch lange Zeit anhaltendes Nachglühen. Je nach Größe bleibt von dem Stern ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern übrig.

Das Team glaubt, dass der Jet, der auf die Erde gerichtet war, sich aus zwei Komponenten zusammensetzte: Einem ultraschnellen inneren Jet von nur 0,4 Grad Öffnungswinkel (das ist noch etwas schmaler als die Scheibe des Vollmonds), umfasst von einem etwas weniger energetischen und etwa 20-mal weiteren, äußeren Jet.

Die weite Komponente kennt man schon von früheren Ausbrüchen. „Vielleicht hat jeder Gammastrahlenblitz so einen inneren Jet, aber meistens haben wir keinen beobachtet“, sagte Teammitglied Stefano Covino. Durch den glücklichen Zufall, dass der Jet so genau auf die Erde „zielte“, konnte der sehr enge, energiereiche innere Jet diesmal gut beobachtet werden. Die Chance für eine so genaue Ausrichtung dürfte sich nur einmal in zehn Jahren bieten. Natürlich kommt es der Menschheit dann durchaus gelegen, wenn das gefeierte Ereignis das halbe Universum entfernt statt findet, anstelle zum Beispiel in der nächsten stellaren Nachbarschaft.

Als GRB 080319B im März von dem NASA/STFC/ASI-Satelliten Swift im Sternbild Bärenhüter entdeckt wurde, reagierte prompt eine ganze Schar von erdbasierten Teleskopen, um das neue Himmelsobjekt zu studieren. Darunter auch das Very Large Telescope der ESO, dem als Erstem die Messung der Entfernung des Objekts gelang: 7,5 Milliarden Lichtjahre.

Das sichtbare Licht des Ausbruchs wurde weltweit von einer Handvoll von Observatoriumskameras mit sehr weitem Sichtfeld aufgezeichnet, die ständig einen großen Ausschnitt des Himmels beobachten. Eine davon war die TORTORA-Kamera, die am 0,6-Meter-REM-Teleskop des La Silla-Obervatoriums der ESO montiert ist. TORTORAs schneller Bildfolge war die detaillierteste Messung des sichtbaren Lichtes von GRB 080319B zu verdanken. „Wir haben lange auf so etwas gewartet“, sagte der leitende TORTORA-Wissenschaftler Grigory Beskin von Russlands Astrophysikalischem Observatorium. Die Daten, die TORTORA und Swift simultan aufgezeichnet haben, dienten den Forschern als Grundlage zur Aufklärung dieses astronomischen Großereignisses.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Integral kreist nun alle 72 Stunden auf einer elliptischen Bahn mit einem Apogäum (erdfernster Punkt) von 153.657 km Höhe und einem Perigäum von 9.050 km Höhe bei einer Inklination von 52,25° um die Erde. Damit ist die wichtigste Voraussetzung für den erfolgreichen Verlauf der Mission erfüllt, denn erst diese stark elliptische Umlaufbahn gewährleistet, dass sich Integral den größten Teil der 72-stündigen Umlaufzeit außerhalb des Strahlungsgürtels der Erde befindet – nur außerhalb dieses Gürtels hochenergetischer Strahlung können die Beobachtungsinstrumente des Forschungssatelliten ihre Leistungsfähigkeit voll entfalten.

Die kommenden Wochen werden nach der endgültigen Aktivierung aller Instrumente und Sensoren an Bord von Integral vor allem mit Kalibrierungsmessungen angefüllt sein. Hierzu werden bekannte Strahlungsquellen wie Cygnus X-1 anvisiert und die Messergebnisse der Integral-Instrumente mit bekannten Daten über diese Strahlungsquelle verglichen. Auch das genaue Ausmaß des „Eigenrauschens“ der einzelnen Detektoren wird in dieser Phase ermittelt, um spätere Messfehler so klein wie möglich zu halten. Der Start der Operationsphase – also der geplanten Beobachtungsprogramme – ist für Ende Dezember 2002 vorgesehen, allerdings kann sich dieser Termin je nach Verlauf der Test- und Kalibrierungsphase noch etwas nach hinten verschieben.
Mittlerweile wurden bereits die ersten beiden so genannten Gamma Ray Bursts (GRBs) vom SPI-Instrument (= SPectrometer on Integral) entdeckt. Am 27. Oktober und am 2. November registrierte das SPI diese kurzen, unvorstellbar energiereichen Gammastrahlenblitze während erster Testaufnahmen – die Gewinnung neuer Informationen über diese kosmischen Blitze wird eine der wichtigen Aufgaben von Integral während der nächsten Jahre sein.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Nach fast zehn Jahren Vorbereitung, Planung und Entwicklung des neuesten und bisher leistungsfähigsten Gammastrahlenteleskops der Forschungsgeschichte ist mit dem problemlos verlaufenen Start der Proton-Trägerrakete am Donnerstag um 06:41 Uhr (MESZ) vom Weltraumbahnhof Baikonur (Kasachstan) aus der erste Meilenstein auf dem Weg zum Erreichen der endgültigen Erdumlaufbahn passiert worden. Die unentgeltliche Bereitstellung der Trägerrakete wurde 1997 vertraglich von der ESA mit Russland vereinbart, im Gegenzug erhalten wissenschaftliche Einrichtungen in Rußland dafür einen garantierten Anteil an der (im Vorfeld bereits fast zwanzigfach „überbuchten“!) Beobachtungszeit von INTEGRAL (= „International Gamma Ray Astrophysics Laboratory„). Der Bilderbuchstart konnte im Internet live verfolgt werden, im europäischen Raumfahrtkontrollzentrum ESOC in Darmstadt waren darüber hinaus während des Starts viele Medienvertreter anwesend.

Die weiteren Aktivitäten der nächsten Stunden sehen wie folgt aus: Das Triebwerk der vierten Raketenstufe wird von 07:43 bis 07:50 Uhr aktiviert, um INTEGRAL in den so genannten Transferorbit zu befördern. Danach ist für 08:13 Uhr die Trennung des Satelliten von der vierten Stufe der Proton-Rakete geplant. Um 08:31 Uhr sollen dann schließlich die beiden Solarpaneele des Satelliten ausgefahren werden, um die Stromversorgung von INTEGRAL sicherzustellen, bevor nach und nach die Systeme und Instrumente des Satelliten eingeschaltet werden (alle Zeitangaben jeweils in MESZ).

Parallel dazu wird durch mehrfache Zündung des bordeigenen Triebwerks von INTEGRAL in den kommenden Wochen die Umlaufbahn des Weltraumteleskops solange angehoben, bis der vorgesehene Orbit mit einem erdnächsten Punkt (Perigäum) von rund 9.000 km und einen erdfernsten Punkt (Apogäum) von ca. 153.000 km erreicht ist. Erst einige Wochen vor dem Start war entschieden worden, das Perigäum gegenüber den ursprünglichen Planungen um 1.000 km abzusenken und dadurch Treibstoff einzusparen, der dann zusätzlich für notwendige Kurskorrekturen während der Betriebsphase zur Verfügung steht, was eine längere Betriebsdauer des Satelliten möglich macht. Der Beginn des regulären Beobachtungsbetriebs ist nach Inbetriebnahme und Kalibrierung der Beobachtungsinstrumente für Anfang nächsten Jahres geplant.
Sobald die ESA den erfolgreichen Eintritt von INTEGRAL in den Transferorbit bestätigt hat, werden wir Sie darüber informieren. Weitergehende Informationen können Sie in unserem Special-Newsletter über die INTEGRAL-Mission am kommenden Samstag nachlesen – abonnieren Sie noch heute den kostenlosen Newsletter von Raumfahrer.net. In den nächsten Tagen wird darüber hinaus ein INTEGRAL-Special auf Raumfahrer.net online gehen, dass Sie zukünftig über die neuesten Aktivitäten und wissenschaftlichen Erkenntnisse der Mission auf dem Laufenden halten wird.

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