Aktive Galaxienkerne, Super Novae und andere hochenergetische Phänomene im Universum

Die Gamma-Astronomie beobachtet Quellen von Photonen der höchsten Energien oberhalb von etwa einigen hunderttausend Elektronenvolt (zum Vergleich: sichtbares Licht hat eine Energie von einigen wenigen Elektronenvolt). Es gibt eine ganze Reihe von galaktischen und extragalaktischen Objekten, die als Quellen von Gamma-Strahlung in Frage kommen und bereits als solche identifiziert worden sind:

• Überreste von Sternexplosionen
• Kompakte Überreste (schwarze Löcher, Neutronensterne)
• Schockfronten an der abgestoßenen Sternenhülle
• Molekülwolken
• Starburst Galaxien
• Galaxienhaufen
• Aktive Kerne von Galaxien
• Gamma-Ray Bursts
• Annihilation dunkler Materie

Es gibt zwei verschiedene Nachweistechniken, die verwendet werden:

• Direkter Nachweis mit satellitengestützten Instrumenten (z.B.: Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) (1991-2000) und Gamma Ray Large Area Space Telescope(GLAST) (2003-)
• Indirekter Nachweis mit bodengestützten Observatorien (z.B.: HEGRA)

Einer der wesentlichen Unterschiede der beiden Methoden ist die Nachweisfläche, die zur Verfügung steht. Während die Größe eines Satelliten auf etwa 1 m² beschränkt ist, erreichen die bodengestützten Instrumente, die den Luft-Cherenkoveffekt ausnutzen, Nachweisflächen von etwa 100 000 m². Gleichzeitig ist die Präzision, mit der die Richtung und die Energie einzelner Photonen bestimmt werden kann, bei beiden Techniken zumindest vergleichbar. Überraschenderweise ist die Winkelauflösung der indirekten Methode besser ist als die der direkten Methode. Ein weiterer wichtiger Unterschied der beiden Methode ist ein etwas anderer Energiebereich, der von den jeweiligen Techniken abgedeckt wird.

Nachweistechnik: Luft-Cherenkoveffekt und Schnappschüsse von Luftschauern

Die Atmosphäre ist ein nahezu undurchdringbares Hindernis für Photonen mit sehr hohen Energien. Bereits Photonen mit nur wenig höherer Energie als der des sichtbaren Lichts werden in der Atmosphäre stark absorbiert. Satellitenexperimente sind in der Lage, außerhalb der Atmosphäre diese Photonen nachzuweisen. Photonen mit Energien von einigen GeV lösen in der Atmosphäre eine Lawine von Teilchen aus, die die bodengestützte Gamma-Astronomie überhaupt erst ermöglicht: Luftschauer. Die geladenen Teilchen erzeugen mittels des Luft-Cherenkoveffekt einen nur wenige ns lang anhaltenden Lichtblitz. Große Spiegelflächen zum Sammeln des einfallenden Cherenkovlichts und schnelle Detektoren in der Fokalebene erlauben den Nachweis der Luftschauer. Mittels einer aufwendig konstruierten Kamera aus einer Vielzahl von Vakuumröhren lässt sich ein Schnappschuss des Luftschauers erzeugen.

Aus der Orientierung, Form und der Lichtmenge des Bildes kann auf die Richtung, die Sorte des Primärteilchens (Photon oder geladener Kern) und die Energie geschlossen werden.

Zukunftsprojekte: Spiegelteleskope mit 13 und 17 m Durchmesser

Die derzeit betriebenen abbildenden Luft-Cherenkovdetektoren HEGRA, CAT, Whipple, CANGAROO und PACT haben eindrucksvoll bewiesen, dass mit dieser Nachweistechnik eine ganze Reihe von Objekten als Quellen von TeV-Photonen identifiziert werden können.

Die nächste Generation von Cherenkovteleskopen ist derzeit in Bau. Insbesondere werden mit deutscher Beteiligung zwei wegweisende Experimente errichtet,

• H.E.S.S. (4 Teleskope mit 13 m Spiegeldurchmesser)
• MAGIC (1 Teleskop mit 17 m Spiegeldurchmesser)

die mithilfe deutlich größerer Spiegelflächen, empfindlicherer Lichtdetektoren und schnellerer Ausleselektronik in der Lage sein werden, den Nachthimmel nach neuen Quellen von Photonen mit Energien oberhalb von 10-50 GeV zu untersuchen. Erstmals ist es dann auch möglich, eine Überlappung der Energiebereiche von satelliten- und bodengestützten Instrumenten zu schaffen. Beide Instrumente (H.E.S.S. und Magic) werden im Laufe des Jahres 2002 ihren Betrieb aufnehmen und erste physikalisch relevante Ergebnisse liefern.

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