Gammastrahlung

Was ist Gammastrahlung?

Gammastrahlung ist, unsichtbar für das menschliche Auge, die höchstenergetische Form elektromagnetischer Strahlung oder Licht. Unter Licht verstehen wir im allgemeinen das sichtbare Licht, das aber nur einen winzigen Teil des elektromagnetischen Spektrums ausmacht. Der Fachausdruck elektromagnetisches Spektrum beschreibt die Gesamtheit aller Formen elektromagnetischer Strahlung. Radiowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung und Röntgenstrahlung gehören ebenso dazu wie Gammastrahlung. Die Erzeugungsprozesse dieser Strahlungsarten sind verschieden, aber alle diese Formen elektromagnetischer Strahlung sind physikalische gesehen das Gleiche, eben Licht. Sie unterscheiden sich nur in der Energie der Strahlung.

Wie beobachten wir Gammastrahlung? - Die Instrumente von GLAST

Aufgrund der hohen Energie können wir Gammastrahlung nicht mit einer Linse oder einem Spiegel fokussieren, wie wir es in optischen Teleskopen tun. Ein Gammastrahlungsteleskop benutzt statt dessen Detektoren. Das nächste grosse Satellitenexperiment der NASA zur Gammaastronomie, GLAST, wird mit zwei solchen Instrumenten ausgestattet sein, einem Large Area Telescope (LAT) und dem GLAST Burst Monitor (GBM).

Das LAT ist das Primärinstrument für GLAST. Es hat ein sehr grosses Gesichtsfeld von etwa einem Viertel des Gesamthimmels und wird Gammastrahlung mit Energien von etwa zwanzig Millionen eV (20 MeV) bis zu dreihundert Milliarden eV (300 GeV) messen. Zum Vergleich: das sichtbare Licht hat etwa ein eV Energie. GLAST nutzt zur Detektion der Gammastrahlung den Prozess der Paarkonversion aus. Gammastrahlung reagiert mit dichten Materialien (Bleifolien im Fall von GLAST) und erzeugt dabei ein Paar von Elektronen und ihren Antiteilchen, den Positronen. Das Elektron und das Positron fliegen weiter durch das Instrument, wobei ihre Flugbahn von spurabbildenden Detektoren, hier Siliziumstreifenzählern, vermessen wird. Aus den Flugbahnen des Elektrons und des Positrons kann man die Herkunftsrichtung des ursprünglichen Gammastrahlungsquants rekonstruieren. Elektron und Positron werden schliesslich im Kalorimeter absorbiert, wodurch ihre Energie und damit die Energie des Gammaquants gemessen wird. Weitergehende Informationen zu diesem Thema finden finden sich auf den Internetseiten des LAT Teams an der Stanford University.

Das zweite Instrument auf GLAST, der GLAST Burst Monitor GBM, besteht aus zwei Arten von Detektoren und ist für die Untersuchung von Gammastrahlungsausbrüchen, sogenannten Gamma-ray bursts, vorgesehen. Mit dem GBM kann niederenergetische Gammastrahlung bis zu etwa fünftausend eV (5 keV) vermessen werden. Das Instrument wird auch innerhalb von Sekunden die ungefähre Position von Gamma-ray bursts liefern, so dass, auch wenn das LAT den Ausbruch nicht gesehen hat, der Satellit zur besseren Messung eines möglichen Nachleuchtens reorientiert werden kann. Weitere Informationen finden sich auf den Seiten des GLAST Burst Monitor Teams am Marshall Space Flight Center.

Welche wissenschaftlichen Fragen kann GLAST angehen?

Das GLAST-Projekt stellt einen deutlichen Fortschritt gegenüber dem sehr erfolgreichen Compton Gamma Ray Observatory dar. Hochenergetische Gammastrahlung kann nur unter sehr extremen Bedingungen erzeugt werden. GLAST wird daher die energiereichsten Objekte und Phänomene im Universum studieren. Aufgrund der hohen Energie wird Gammastrahlung im Weltall praktisch nicht absorbiert. Sie eignet sich daher besonders, um Systeme zu studieren, die sich am Rande des sichtbaren Universums befinden. Hier ist insbesondere die extragalaktische Hintergrundstrahlung von grossem Interesse, da sie möglicherweise Beiträge aus der Frühzeit des Universums enthält. GLAST wird solch exotische Objekte wie überschwere Schwarze Löcher und Pulsare vermessen, aber auch die Sternenstehungsgeschichte des Universums untersuchen und Informationen zur Physik der Dunklen Materie liefern. Auch unsere Milchstrasse ist eine Quelle von Gammastrahlung, die von energiereichen Teilchen im interstellaren Medium erzeugt wird, der sogenannten kosmischen Strahlung. Selbst unsere Sonne strahlt Gammastrahlung ab, wenn es auf ihrer Oberfläche zu Strahlungsausbrüchen kommt. Diese Aufzählung zeigt bereits, wie breit die wissenschaftliche Zielsetzung des GLAST-Projekts ist. Aufgrund der Qualitäten der Messinstrumente ist zu erwarten, dass es noch zu einer Reihe von unerwarteten, aber wichtigen Entdeckungen kommen wird.

Warum muss GLAST auf einem Satelliten fliegen?

Gammastrahlung ist so energiereich, dass sie das Leben auf der Erde gefährden kann. Erfreulicherweise wird die kosmische Gammastrahlung aber durch die Erdatmosphäre absorbiert. Dies ist andererseits ein Nachteil, wenn man die Gammastrahlung astronomisch nutzen will. Bei sehr hochenergetischer Gammastrahlung von etwa einer Billion eV (TeV) kann man die Reaktionsprodukte der Gammastrahlung in der Atmosphäre messen, im Energiebereich bis zu einigen Milliarden eV (GeV) ist man jedoch auf Satelliten angewiesen, um die kosmische Gammastrahlung messen zu können.

Welche deutschen Institute sind an GLAST beteiligt?

Eine Gruppe von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik arbeitet gemeinsam mit den Forschern am Marshall Space Flight Center am Aufbau und der Datenauswertung des GLAST Burst Monitors GBM. Weiter wurde ein Wissenschaftler der Universität Bochum von der NASA als GLAST Interdisciplinary Scientist berufen und ist somit sowohl mit einen eigenen Forschungsprogramm beteiligt als auch in die Projektleitung mit eingebunden.

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