Gamma-Astronomie mit H.E.S.S.

Das High Energy Stereoscopic System H.E.S.S ist ein System von 4 abbildendenden Cherenkov-Teleskopen der nächsten Generation, das seit Ende 2003 in Namibia in Betrieb ist. Mit H.E.S.S. sind bereits erfolgreich viele neue astronomische Quellen hochenergetischer Gamma-Strahlung im Energiebereich oberhalb von 100 GeV nachgewiesen und detailliert untersucht worden. Die Sensitivität ist in etwa eine Größenordnung besser als die Instrumente der vorhergehenden Generation und die Energieschwelle. Das Experiment besteht in der derzeitigen Ausbauphase aus 4 Spiegelteleskopen (13 m Durchmesser, 15 m Fokallänge, segmentierter Hauptspiegel aus ca. 400 Einzelfacetten aus Glas mit jeweils 60 cm Durchmesser), die Luftcherenkovlicht von atmosphärischen Teilchenschauern sammeln und in einer Kamera im Primärfokus aus ca. 1000 lichtempfindlichen Detektoren (Photomultiplier) abbilden. Das H.E.S.S.-Teleskopsystem ist nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger (1936) Victor Hess benannt worden. Der Standort des Experiments ist das Khomas-Hochland in Namibia, etwa 1.5 Stunden Autofahrt von der Hauptstadt Namibias Windhoek gelegen. Diese Hochebene (1800 m ü.N.N.) ist bestens für optische Astronomie und insbesondere auch für die Beobachtung von Luftcherenkovlicht geeignet. Der in der Nähe des Experiments gelegene Gamsberg galt vor der endgültigen Wahl des Standorts der europäischen Südsternwarte in Chile als direkte Konkurrenz zu La Silla in der Atacama-Wüste. Eines der Kriterien für die Beobachtung von der Südhalbkugel ist die gute Sichtbarkeit des galaktischen Zentrums. Hier erwartet man insbesondere GeV-Photonen aus der Annihilation von supersymmetrischen Teilchen (sogenannte WIMPS), die als Halo dunkler Materie unsere Galaxie umgeben und besonders zahlreich zum galaktischen Zentrum hin beobachtbar sein könnten.

Beteiligte Institute

An dem internationalen Gemeinschaftsprojekt sind 17 Institute aus Europa (Deutschland, Frankreich, Italien, England, Irland) und aus Armenien, Namibia und Südafrika beteiligt. Die deutsche Beteiligung mit 6 Instituten liefert einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau der Teleskope:

Erste Ergebnisse

Gamma-Strahlung von extragalaktischen Objekten (Aktive Galaktische Kerne)

Gamma-Strahlung aus dem galaktischen Zentrum

Erste Bilder in Gamma-Strahlung von explodierten Sternen

Neu entdeckte und nicht identifizierte Quellen von Gamma-Strahlung in der galaktischen Ebene

Entdeckung von Gamma-Strahlung eines Pulsar/Begleitstern-Systems

Neu entdeckte Systeme mit Pulsar/Pulsarwinden

Das Bild auf der linken Seite zeigt das erste H.E.S.S.-Teleskop nach der Montage der Spiegel und der Kamera auf dem rechten Bild ist eines der ersten Bilder von einem Luftschauer zu sehen (vgl. auch mit der weiter unten gezeigten Simulation!).

Funktionsprinzip

Abbildende Cherenkovtechnik

Zum Nachweis von hochenergetischen Photonen mit Energien von einigen 10 GeV (10¹⁰ eV) wird im Rahmen des H.E.S.S.-Experiments die abbildende Luftcherenkovtechnik eingesetzt. Diese Technik wird bereits erfolgreich für den Nachweis von Photonen mit Energien oberhalb von 250 GeV eingesetzt (z.B. CAT, HEGRA, Whipple). Durch die größere Spiegelfläche der H.E.S.S.-Teleskope wird mehr Cherenkovlicht von ausgedehnten Luftschauern gesammelt und dadurch bei vergleichbarer Lichtempfindlichkeit der Kamera die Nachweisenergieschwelle gegenüber den derzeitigen Instrumenten gesenkt. Das Luftcherenkovlicht entsteht, falls ein Teilchen sich mit einer Geschwindigkeit durch die Atmosphäre bewegt, die größer ist als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in diesem Medium. Geladene Teilchen wiederum entstehen in der Atmosphäre durch Wechselwirkung von kosmischer Strahlung und auch Photonen mit den Atomen in der Atmosphäre. Durch den Nachweis des Cherenkovlichts in einem abbildenden Teleskop ist es möglich, zwischen den verschiedenen Teilchensorten, die Luftschauer auslösen, zu unterscheiden.

Stereoskopische Beobachtung

Photoninduzierte Luftschauer können aufgrund der rekonstruierten Ankunftsrichtung möglichen astronomischen Quellen zugeordnet werden. Hierbei spielt die Winkelauflösung eine entscheidende Rolle. Im Rahmen des HEGRA-Experiments ist die stereoskopische Beobachtung erstmals erfolgreich eingesetzt worden. Diese Technik erlaubt es, die Richtung der Einfallsachse des Luftschauers mit einer Genauigkeit von etwa 0.1^o zu bestimmen. Hieraus ergibt sich auch eine weitere Stärke der stereoskopischen Beobachtung: Der durch hadronische Luftschauer hervorgerufene Untergrund lässt sich effizient durch die genaue Kenntnis der Achse im Raum unterdrücken. Des weiteren kann die Energie des Primärteilchens für individuelle Ereignisse mit einer relativen Genauigkeit von kleiner als 20 % bestimmt werden.

Weiterführende Links