Quelle: DESY.

10. März 2022 – Mit Spezialteleskopen haben Forscherinnen und Forscher so detailliert in einen kosmischen Teilchenbeschleuniger geblickt wie nie zuvor. Die Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Observatorium H.E.S.S. in Namibia zeigen erstmals den zeitlichen Ablauf des Beschleunigungsprozesses in einer sogenannten Nova. Dabei handelt es sich um starke Eruptionen auf der Oberfläche eines Weißen Zwergsterns. Dabei entsteht eine Schockwelle, die sich durch das Umgebungsmedium pflügt, subatomare Teilchen mitreißt und diese auf extreme Energien beschleunigt. Erstaunlicherweise scheint die beobachtete Nova RS Ophiuchi aufgrund idealer Voraussetzungen Teilchenbeschleunigung am theoretischen Limit zu bewerkstelligen, wie das Team im Fachblatt „Science“ berichtet.

Weiße Zwerge sind ausgebrannte, alte Sterne, die in sich zusammengefallen sind und sehr kompakte Objekte bilden. Novae entstehen zum Beispiel, wenn ein Weißer Zwerg mit einem großen Stern in einem Doppelsystem kreist und aufgrund seiner Gravitation Materie von seinem massiven Begleiter aufsammelt. Überschreitet die aufgesammelte Masse eine kritische Grenze, kommt es zu einer thermonuklearen Explosion auf der Oberfläche des Weißen Zwergs. Manche Novae treten in regelmäßigen Abständen immer wieder auf. RS Ophiuchi ist eine solche wiederkehrende Nova; alle 15 bis 20 Jahre gibt es eine Explosion auf der Sternoberfläche. „Die Sterne, die das System bilden, haben in etwa den gleichen Abstand wie Erde und Sonne“, erklärt Alison Mitchell, Wissenschaftlerin an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Leiterin des H.E.S.S.-Nova-Programms. „Als die Nova im August 2021 wieder explodierte, konnten wir mit den H.E.S.S.-Teleskopen zum ersten Mal eine galaktische Explosion in sehr hochenergetischer Gammastrahlung beobachten.“

Dabei registrierte die Forschungsgruppe, dass die Teilchen auf mehrere hundertmal höhere Energien beschleunigt wurden als bei zuvor beobachteten Novae. Außerdem wurde die von der Explosion freigesetzte Energie höchst effizient in die Beschleunigung von Protonen (Wasserstoffatomkerne) und schwererer Kerne umgewandelt. Dabei erreichte die Teilchenbeschleunigung die Maximalgeschwindigkeiten, wie sie in theoretischen Modellen berechnet werden. „Die Beobachtung, dass in kosmischen Schockwellen in der Realität das theoretische Limit der Teilchenbeschleunigung erreicht werden kann, hat enorme Auswirkungen für die Astrophysik“, sagt Ruslan Konno, einer der Hauptautoren der Studie und Doktorand bei DESY in Zeuthen. „Sie legt nahe, dass der Beschleunigungsprozess genauso effizient bei noch viel extremeren kosmischen Explosionen – den sogenannten Supernovae – sein könnte.“

Bei der Eruption von RS Ophiuchi konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Nova in Echtzeit mitverfolgen und so zum ersten Mal die kosmische Teilchenbeschleunigung wie einen Film beobachten und studieren. H.E.S.S. konnte höchstenergetische Gammastrahlen noch bis zu einen Monat nach der Explosion messen. „Diese Art der Beobachtung ist neu und erlaubt in Zukunft noch genauere Einblicke in die Funktionsweise kosmischer Explosionen“, sagt Dmitry Khangulyan, Theoretiker an der Rikkyo Universität in Tokyo, Japan. „So könnte es zum Beispiel sein, dass Novae zur allgegenwärtigen Kosmischen Strahlung beitragen und damit die Dynamik ihrer unmittelbaren Umgebung wesentlich beeinflussen.“ Bei der sogenannten Kosmischen Strahlung handelt es sich um einen Hagel energiereicher subatomarer Teilchen, der aus allen Richtungen des Weltalls gleichmäßig kommt, und dessen genaue Ursprünge noch nicht vollständig geklärt sind.

Das Observatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) in Namibia besteht aus fünf sogenannten Cherenkov-Teleskopen, die zur Untersuchung von Gammastrahlung aus dem Weltraum eingesetzt werden. Im größten Teleskop wurde eine neue, hochsensible Kamera installiert, eine sogenannte FlashCam, die dem neusten Stand der Technik entspricht. Solche FlashCams werden derzeit auch für das Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation weiterentwickelt, das Cherenkov Telescope Array (CTA). „Die neue Kamera ist seit Ende 2019 in Betrieb. Diese Messung zeigt, welches Potenzial in den Kameras der neuesten Generation steckt“, betont Simon Steinmaßl, Doktorand am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der mit der Analyse der Kameradaten betraut ist.

Die Teleskope wurden schnellstmöglich auf die Nova ausgerichtet, nachdem das Ereignis von einem Hobbyastronomen gemeldet wurde. Auch diese schnelle Reaktion trug zum Erfolg der Beobachtung bei und ermöglichte umfangreiche Nachbeobachtungen. „In den nächsten Jahren wird sich durch Forschung mit CTA-Teleskopen zeigen, ob diese Art von Novae besonders sind“, erklärt H.E.S.S.-Direktor Stefan Wagner, Professor an der Landessternwarte in Heidelberg. Zudem wissen Beobachtende nun genauer, wonach sie suchen müssen. Somit ergeben sich eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten, die Geschehnisse im Zusammenhang mit Novae besser zu verstehen und beschreiben, betont Wagner. „Diese Messung stellt einen weiteren Erfolg in der Gammaastronomie dar und lässt uns hoffen, noch viele weitere kosmische Explosionen mit H.E.S.S. und zukünftigen Gammastahlen-Teleskopen zu studieren.“

Über HESS
Das High Energy Stereoscopy System H.E.S.S. ist ein System von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Erforschung der kosmischen Gammastrahlung. Das Observatorium wird in einer internationalen Kooperation betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, einer Gegend, die für ihre hervorragende optische Qualität bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das viel größere fünfte Teleskop – H.E.S.S. II – ist seit Juli 2012 in Betrieb, erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. An H.E.S.S. sind mehr als 230 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 41 Instituten aus 15 Ländern beteiligt.

Originalveröffentlichung
Detection of TeV gamma-ray emission from the recurrent nova RS Oph in its 2021 outburst; The H.E.S.S. collabroation; „Science“, 2022; DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0567

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• H.E.S.S. Teleskope

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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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