Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. 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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Quelle: Universität Innsbruck.

Radiogalaxien gehören zur Klasse von Galaxien mit einem aktiven und hell leuchtenden Zentrum, aus dem riesige, gerichtete Materieströme ausgestoßen werden, die als Jets bezeichnet werden. Als Energiequelle dieser Jets werden extrem massereiche Schwarze Löcher mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen vermutet. Jets aus aktiven Galaxienkernen können durch den Einfall von Materie auf ein solches supermassives schwarzes Loch erklärt werden. Sie werfen Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit über Hunderte bis Tausende von Lichtjahren weit ins Weltall. Durch die große Entfernung zu diesen Objekten können ihre Strukturen jedoch nur für die nächsten von ihnen aufgelöst werden.

Im Fall der – auf astronomischen Skalen – nur rund 12 Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A, einer der hellsten Galaxien des Südhimmels, wurde der Jet bislang vom Radiobereich bis hin zu Röntgenenergien vermessen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Dr. Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. Ob die höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder aber vom Jet emittiert wird, konnte man daher bis dato nicht feststellen. Hier setzt ein wichtiger Beitrag der Innsbrucker Astrophysiker zur kollaborativen Studie an: Wie kürzlich bei der erfolgreichen Vermessung des Krebsnebels verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Olaf Reimer auch für die Untersuchung der Strukturen von Centaurus A eine neuartige Simulationsumgebung. Diese ermöglichte eine weitaus präzisere Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit mit den H.E.S.S.-Teleskopen.

„Die Simulationen, die wir für die Auswertung benötigten, werden üblicherweise vor den Beobachtungen generiert. In unserer Simulationsumgebung gibt es aber für jede Beobachtung in der Analyse eine maßgeschneiderte Simulation“, erklärt Astrophysiker Markus Holler. So ist es gelungen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen. „Wir können also nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen.” Die gemessene Ausdehnung des Jets von über 2 Winkelminuten (siehe Abbildung) im Gammastrahlenlicht enthüllt dabei ein spannendes Geheimnis: Nämlich die Antwort auf die Frage, wo und wie die höchstenergetische Gammastrahlung von Centaurus A entsteht.

Rückschlüsse auf Teilchenbeschleunigung im Jet
Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente – v.a. Radio- und Röntgenstrahlenbeobachtungen – gewonnenen Informationen über Centaurus A sowie die von H.E.S.S. vermessene Emission des Jets in einer Modellierung, so lässt sich letztere nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären. „Die alleinige Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen”, verdeutlicht die Theoretikerin Prof. Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ein zentrales Ergebnis der Studie. „Inwieweit ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist, die nicht durch extreme Radiohelligkeit wie Centaurus A auffallen, ist eine Frage, die das künftige Cherenkov Telescope Array (CTA) beantworten sollte”, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau des Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert. Ob Centaurus A also als generisch für viele weitere Galaxien betrachtet werden kann, wird sich in weiteren Forschungsvorhaben zeigen.

Indirekte Messung von Gammastrahlung
Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied, Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck leitet die österreichische H.E.S.S.-Gruppe.

Publikation:
The H.E.S.S. Collaboration: “Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A”

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Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: physorg/uni-mainz.

IceCube ist ein Hochenergie-Neutrino-Observatorium, das im Eis des Südpols nach knapp sechs Jahren Bauzeit am 18. Dezember 2010 fertiggestellt wurde. In einem Volumen von 1 km³ sollen Hochenergie-Neutrinos registriert werden, die mit den Elementarteilchen des Eises reagieren, wobei Elektronen, Myonen oder Tauonen erzeugt werden, welche mit Hilfe von hochempfindlichen optischen Sensoren nachgewiesen werden können.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr kleiner Masse. Sie sind sehr schwer nachweisbar, wurden bereits 1930 vorhergesagt, jedoch erst 1956 wirklich festgestellt. Bei Zusammenstößen der Neutrinos mit Materie finden, anders als bei den anderen bekannten Elementarteilchen, nur Prozesse der Schwachen Wechselwirkung statt. Ein Strom von Neutrinos geht daher auch durch große Schichtdicken, sogar durch die ganze Erde, fast ungeschwächt hindurch.

1987 wurden Neutrinos nachgewiesen, die von der Supernova 1987A aus der Großen Magellanschen Wolke stammten.

IceCube ist im Eis unter der US-amerikanischen Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol installiert. IceCube besteht aus 86 Kabeltrossen, an denen in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 km jeweils 60 Glaskugeln angebracht sind. Die Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das schwache bläuliche Leuchten auffangen, das bei Neutrinoreaktionen entsteht. Die Trossen sind in 125 m Abstand voneinander angeordnet, sodass insgesamt ein Volumen von einem Kubikkilometer mit 5.000 Lichtsensoren bestückt ist. Zu den Forschungsobjekten zählen Schwarze Löcher, die im Zentrum von Galaxien sitzen und Materie wie in einem Mahlstrom in sich hineinziehen, sowie die rätselhafte Dunkle Materie, die unser Universum erfüllt, aber bisher nicht identifiziert werden konnte.

Der Aufbau von IceCube hat es erlaubt, schon vor seinem endgültigen Bauabschluss Messungen durchzuführen. In jedem Jahr seit 2005 wurden mit der jeweils fertiggestellten Konfiguration von Trossen, 2005 = 1, 2006 = 9, 2007 = 22, 2008 = 40, 2009 = 59, 2010 = 86 Stück, Daten genommen. Mit den wachsenden Detektoren wurden die Daten von Jahr zu Jahr detaillierter und haben bereits erste Ergebnisse geliefert.

Bis jetzt wurden fast 100.000 Neutrinos registriert, die in der Erdatmosphäre erzeugt wurden, darunter solche mit Energien bis zu 400.000 Milliarden Elektronenvolt (400 TeV). Das ist etwa tausendmal höher als die Energien von Neutrinos, die an Beschleunigern auf der Erde erzeugt werden. Da IceCube seine volle Empfindlichkeit erreicht hat, hoffen die Wissenschaftler auf die Explosion einer Supernova in unserer Milchstraße und die Entdeckung einer noch weit entfernteren Quelle dieser hochenergetischen Himmelsboten. Die Voraussetzungen dafür sind gut.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: SpaceRef.

Die Irregularität besteht darin, dass die kosmische Strahlung aus bestimmten Richtungen stärker ist als aus anderen. Eine ähnliche Zweiteilung des Himmels bzgl. hochenergetischer Partikel (vorwiegend Protonen und Elektronen) aus den Tiefen des Weltalls hatte man vor Jahren mit anderen Detektoren bereits über der Nordhalbkugel der Erde festgestellt. Eine Erklärung für dieses Phänomen steht noch aus.

IceCube ist ein im Aufbau befindlicher Neutrinodetektor, der im Endausbau aus 86 Reihen mit 5.160 lichtempfindlichen Sensoren bestehen soll. Mit ihnen kann man seltene Wechselwirkungen zwischen den geisterhaften Neutrinos und den Atomen des Eises feststellen. Insgesamt erfassen die Detektoren Ereignisse aus etwa einem Kubikkilometer Rauminhalt.

Neutrinos entstehen bei Kernumwandlungsprozessen, beispielsweise im Inneren von Sternen, insbesondere aber bei energetischen Großereignissen wie Supernovae. Obwohl jeder Quadratmeter der Erde ständig von unzähligen Neutrinos bombardiert wird, kommt es nur selten zu Wechselwirkungen mit anderen Teilchen, die Neutrinos fliegen fast immer einfach durch uns und die Erde hindurch. Deswegen muss ein großes Volumen eines durchsichtigen Mediums (Wasser oder Eis) überwacht werden, um wenigstens einige der charakteristischen Lichtblitze aufzeichnen zu können, die bei den seltenen Kollisionen entstehen. Die optischen Sensoren und Verstärker von IceCube wurden und werden an Kabeln hängend in das Eis der Antarktis eingeschmolzen. Die meisten anderen energiereichen Teilchen, die aus dem All zu uns gelangen oder auf der Erde erzeugt werden, gelangen gar nicht bis in diese Tiefen unterhalb von 1.450 Metern. Bisher sind 79 der geplanten 86 Reihen installiert. Danach konzentrieren sich die Messungen auf Neutrinos, die über die Nordhalbkugel der Erde zum Detektor gelangen, also einen Großteil unseres Planeten ungehindert durchquert haben.

Die durch die kosmische Strahlung verursachten Daten stammen allerdings von der Südhemisphäre und werden von den Neutrinodetektoren eigentlich nur als Nebenprodukt erfasst. Für die Neutrinountersuchungen sind sie sogar störend und werden herausgerechnet. Rasha Abbasi und Paolo Desiati von der Universität Wisconsin-Madison (USA) haben aber gerade diese Daten ausgewertet und in ihnen eine Richtungsabhängigkeit der Intensität der kosmischen Strahlung gefunden.

Über die Ursache kann bisher nur spekuliert werden. Zum einen könnte diese Unregelmäßigkeit durch einen oder mehrere, astronomisch gesehen in der Nähe gelegene Supernova-Überreste verursacht werden. Eine Beeinflussung der kosmischen Strahlung wäre aber auch durch interstellare Magnetfelder denkbar, über die wir bisher nur wenig wissen.

Falls sich letzteres bestätigt, könnte man aus erweiterten Daten viel über die Struktur der durch sich zwischen den Sternen bewegenden Gas- und Staubwolken verursachten, interstellaren Magnetfelder lernen. Die bisherigen Feststellungen beruhen auf Daten mit nur 22 Detektorreihen aus den Jahren 2007 und 2008. Die Wissenschftler wollen nun Daten des letzten Jahres bei Verwendung von bis zu 59 Detektorreihen auswerten.

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Ein Beitrag von Michael Stein.

Einleitung
Rund anderthalb Fahrtstunden von Windhoek, der Hauptstadt Namibias, entfernt können Afrika-Urlauber im rund 1.800 Meter hoch gelegenen Khomas-Hochland nahe dem Gamsberg seit Anfang 2002 ein futuristisches Ensemble von ungewöhnlich aussehenden Spiegelkonstruktionen entdecken. Die roten Stahlträger der vier je 60 Tonnen schweren Gebilde heben sich markant von dem Hintergrund der afrikanischen Savanne ab und lassen den Beobachter zunächst darüber im Unklaren, ob er in dieser kaum besiedelten Landschaft auf ein neuartiges Projekt zur alternativen Energiegewinnung oder eine astronomische Einrichtung gestoßen ist.

Tatsächlich handelt es sich bei diesen Stahlkonstruktionen, die jeweils einen aus über 380 einzelnen Segmenten gebildeten Spiegel von 13 Metern Durchmesser tragen, um so genannte Tscherenkow-Teleskope, die die erste Phase des H.E.S.S.-Projekts (= High Energy Stereoscopic System) bilden. Dieses internationale Projekt von wissenschaftlichen Instituten aus acht Ländern unter maßgeblicher deutscher Beteiligung nutzt die idealen klimatischen und optischen Bedingungen im namibischen Khomas-Hochland, um nach dem Auftreten des Tscherenkow-Lichts Ausschau zu halten: extrem kurze und lichtschwache bläuliche Blitze, die vom Eintreten hochenergetischer Gammastrahlung in die Erdatmosphäre künden.

Das Tscherenkow-Licht
Die wissenschaftliche Bedeutung des nach dem russischen Physikers P.A. Tscherenkow benannten optischen Phänomens liegt darin, dass es eine indirekte Beobachtung von hochenergetischer kosmischer Gammastrahlung auf der Erde möglich macht. Die 1912 von dem österreichischen Physiker und Nobelpreisträger Victor Hess entdeckte kosmische Strahlung kann auf der Erde nicht direkt gemessen werden, da sie von der Erdatmosphäre blockiert wird – eine enorme Hürde für die Erforschung dieser Strahlung, aber gleichzeitig ein Glück für das Leben auf unserem Planeten.

Treffen Photonen der hochenergetischen kosmischen Gammastrahlung auf Moleküle der Erdatmosphäre, wird dadurch ein kaskadenartiger Prozess ausgelöst: Zunächst entstehen aufgrund der enormen Energiemenge der Gammastrahlung (deren Photonen rund eine Milliarde mal mehr Energie als die Photonen des sichtbaren Lichts besitzen!) eine Vielzahl von Teilchen – überwiegend Elektronen und Positronen, ihre Antiteilchen. Diese Teilchen dringen in Form so genannter „Luftschauer“ sehr schnell in die unteren Atmosphärenschichten ein und erzeugen dabei das sichtbare Tscherenkow-Licht, ultrakurze bläuliche Lichtblitze mit einer Dauer von nur wenigen Milliardstel-Sekunden. Die Formulierung „sehr schnell“ ist übrigens schon beinahe britisches Understatement: Die Teilchen des „Luftschauers“ bewegen sich kurzfristig mit einer Geschwindigkeit, die die Lichtgeschwindigkeit in der Atmosphäre übersteigt!

Die aus den auch so genannten Sekundärteilchen bestehenden „Luftschauer“ erreichen in einer Höhe von etwa zehn Kilometern ihr Maximum und klingen in tieferen Atmosphärenschichten aus. Das von ihnen aufgrund der extrem schnellen Bewegung der Sekundärteilchen erzeugte Tscherenkow-Licht kann am Boden für einige Nanosekunden in einem kreisförmigen Gebiet von ungefähr 250 Metern Durchmesser registriert werden. Im Verhältnis zur Energie der kosmischen Gammastrahlung, die Verursacher des ganzen Phänomens ist, kann jedoch nur ein kleiner Bruchteil davon als sichtbares Licht wahrgenommen werden: Ein Photon der Gammastrahlung mit einer Energie von einer Billion Elektronenvolt erzeugt letzten Endes nur etwa 100 Photonen sichtbaren Lichts pro Quadratmeter Bodenfläche, und genau diese winzige Lichtmenge wollen die Wissenschaftler mit den zunächst vier Teleskopen messen.

Die Tscherenkow-Teleskope
Beim H.E.S.S.-Projekt handelt es sich um ein stereoskopisches Teleskopsystem, bei dem mehrere Teleskope denselben Luftschauer registrieren. Die zunächst vier Teleskope des Projekts sind in Form eines Quadrats mit 120 Metern Seitenlänge angeordnet, ein Kompromiss zwischen dem Wunsch nach großem Abstand zwischen den einzelnen Teleskopen zur möglichst genauen Ermittlung der Geometrie des Luftschauers (und damit der Herkunft der kosmischen Gammastrahlung) und der Notwendigkeit, alle Teleskope innerhalb der etwa 250 Meter durchmessenden Fläche anzuordnen, die von dem Tscherenkow-Licht eines Luftschauers maximal „ausgeleuchtet“ wird.

Die Teleskope sind drehbar und in der Vertikalen beweglich angeordnet, um jeden Punkt des Himmels anvisieren zu können. Die Konstruktion besteht aus einem Stahlrahmen und einem 108 Quadratmeter großen Spiegel mit 13 Metern Durchmesser, der sich aus 382 einzelnen, kreisrunden Segmenten mit 60 cm Durchmesser zusammensetzt. Durch diese Bauweise konnten die Kosten für die Spiegel reduziert werden, deren einzelne Spiegelsegmente übrigens aus mit Aluminium beschichtetem Glas bestehen. Jedes der 382 Segmente reflektiert mindestens 80 Prozent des einfallenden Lichts und ist mit Hilfe zweier ferngesteuerter Motoren individuell ausrichtbar. Die Spiegelkonstruktion ist entsprechend der typischen Distanz der Lichtschauer-Maxima so entworfen, dass sie Objekte in einer Entfernung von rund 10 Kilometern optimal fokussiert.

Bei Inbetriebnahme der Teleskope wird jedes Spiegelsegment einmal separat justiert. Dieser Vorgang geschieht durch das Anvisieren eines einzelnen Sterns, wobei die Lage des jeweiligen Spiegelsegments solange verändert wird, bis das von diesem Segment produzierte Spiegelbild des Sterns exakt auf einen definierten Punkt im CCD-Element der Teleskopkamera trifft. Der gesamte Justierungsvorgang geschieht vollautomatisch und benötigt einige Nächte pro Teleskop.

Im Fokus jedes Teleskopspiegels ist eine hochempfindliche elektronische Kamera montiert, deren Kern 960 lichtempfindliche Detektoren bilden. Jeder einzelne Detektor ist so empfindlich, dass schon das Auftreffen von nur fünf Photonen („Lichtteilchen“) ausreicht, um registriert zu werden. Um nicht durch Hintergrundlicht des nächtlichen Himmels gestört zu werden, melden die Detektoren nur dann Photonen weiter, wenn eine Mindestanzahl von Detektoren zeitgleich (und das bedeutet hier: innerhalb von nur 1,5 Milliardstel-Sekunden!) einen Lichteinfall registriert haben. Erst wenn mindestens zwei Teleskope zeitgleich einen Lichteinfall melden, werden die Daten zur späteren Auswertung aufgezeichnet.

Für den Betrieb der Teleskope kommen aufgrund der lichtempfindlichen Kameras nur mondlose Nächte in Frage. Das relativ hoch gelegene Gelände, die klare Luft und die Abwesenheit von Streulicht menschlicher Siedlungen sind sehr gute Bedingungen für die Jagd nach dem Tscherenkow-Licht.

Wissenschaftliche Ziele

Mit Hilfe der Tscherenkow-Teleskope soll die Herkunft und Intensität kosmischer Gammastrahlung ermittelt werden. Nur wenige Quellen kosmischer Gammastrahlung mit Energien im Tera-Elektronenvolt-Bereich konnten bisher identifiziert werden, meistens handelte es sich dabei um Galaxien mit hochaktiven Kernen, Supernova-Überreste und Pulsarnebel.

Das H.E.S.S.-Projekt soll mehr Licht in das Dunkel des so genannten Nicht-Thermalen Universums bringen. Unter diesen Begriff fallen alle Mechanismen der Erzeugung und Verteilung hochenergetischer Strahlungsarten, die nicht durch thermale Prozesse, wie beispielsweise die im Inneren von Sternen ablaufenden Kernfusionen, erklärt werden können. Die enormen Energien der von dem H.E.S.S.-Projekt indirekt registrierten kosmischen Gammastrahlung können nur durch Akkumulationsprozesse entstehen, bei denen große Energiemengen einer Quelle in relativ kleinen Partikelmengen konzentriert werden. Es gibt zwar wissenschaftliche Spekulationen und Theorien über hochenergetische Partikel, aber kaum experimentelle oder empirische Daten über Quellen und Beschleunigungsprozesse.

Die Tscherenkow-Teleskope sollen so auch bei der Identifizierung von kosmischen Superbeschleunigern helfen, in denen vorwiegend geladene Teilchen wie Elektronen und Ionen durch elektrische oder magnetische Felder beschleunigt werden. Dabei kann es sich entweder um eine kurzfristige, heftige Beschleunigung handeln, wie sie Elementarteilchen beispielsweise durch das gigantische elektrische Feld eines rotierenden Neutronensterns erfahren können, oder aber um schwächere, dafür aber lang anhaltende Prozesse der Energieakkumulation, wie sie Partikel durch jahrtausendlange Reisen in durch Supernova-Explosionen erzeugten magnetischen Feldern erfahren. Die hochenergetische Gammastrahlung ist dann meistens ein Sekundärprodukt des jeweiligen kosmischen Beschleunigers, die entsteht, wenn die beschleunigten Teilchen mit Umgebungsmaterie kollidieren.

Für die wissenschaftliche Forschung sind die auf diese Weise erzeugten Gammastrahlen von höherem Wert als die geladenen Partikel, die unmittelbar durch die beschriebenen Beschleunigungsprozesse entstehen. Gammastrahlen erfahren auf ihrem Weg zur Erde keine Ablenkung durch elektrische oder magnetische Felder und weisen somit direkt in Richtung ihrer Quelle. Die meisten Quellen für die Strahlung des Nicht-Thermalen Universums sind extreme kosmische Objekte wie Supernovae, Pulsare, kannibalistische Doppelsternsysteme, Schwarze Löcher oder Galaxienhaufen. Auch extrem exotische Objekte wie kosmische Strings als Relikte des Urknalls sind Quellen der Gammastrahlung, die die Wissenschaftler des H.E.S.S.-Projekts nachzuweisen hoffen.

Ausblick
Nachdem das erste der vier Teleskope im Juni 2002 mit den Messungen begonnen hat, werden im Laufe der nächsten 18 Monate nach und nach auch die anderen drei Tscherenkow-Teleskope in Betrieb gehen. Wenn die Pilot-Anlage die in sie gesetzten Erwartungen erfüllen sollte, werden in den nächsten Jahren noch zwölf weitere baugleiche Teleskope im namibischen Khomas-Hochland gebaut werden. Angesichts der bisher wenigen Anlagen weltweit, die sich in vergleichbarer Weise mit der Messung und Auswertung der kosmischen Strahlung befassen, erwarten die am Projekt beteiligten Wissenschaftler durch die Anlage auf dem Gelände der Göllschau-Farm eine Vielzahl neuer und für zukünftige Forschungen wegweisender Erkenntnisse.

Verwandte Webseiten:

• Homepage des H.E.S.S.-Projekts (englisch)
• Astroteilchenphysik in Deutschland

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