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Welt der Wissenschaft: GaMma-astronomie Fenster Kosmos Ein neues zum Gamma-Astronomie mit HESS In kosmischen Beschleunigern erreichen Teilchen weit höhere Energien als in den derzeit weltgrößten Teilchenbeschleunigern. Die HESS-Teleskope in Namibia tragen wesentlich dazu bei, diese rätselhaften Quellen durch die Beobachtung hochenergetischer Gammastrahlung zu identifizieren und ihre Beschleunigungsmechanismen genauer zu verstehen. Von Werner Hofmann und Christopher van Eldik einem Binärsystem, in welchem ein Neu- das Universum entstammt der tronenstern Material eines Begleitsterns Beobachtung der elektromagneti- aufsaugt: Beim Absturz auf den Neutro- schen Strahlung, die uns aus dem nenstern wird Gravitationsenergie in Überresten, Aktiven Galaktischen Kosmos erreicht. In den zurückliegenden Wärme umgesetzt; dabei werden so hohe Kernen und zum Teil noch unver- Jahrhunderten war die Astronomie dabei Temperaturen erreicht, dass die ther- standenen »dunklen Quellen« auf den sichtbaren Teil des Spektrums mische Strahlung der erhitzten Materie werden geladene Teilchen auf beschränkt, also auf den Wellenlängen­ im Röntgenbereich liegt. hohe Energien beschleunigt und emittieren infolgedessen charak- bereich von etwa 400 bis 700 Nanometer (1 nm = 10 –9 m), entsprechend einer En- 1960er Jahren durch die satellitenge- teristische Gammaquanten. ergie von wenigen Elektronvolt (eV). Erst stützte Gamma-Astronomie zugänglich, in den 30er Jahren des letzten Jahrhun- In Kürze ó In Pulsarnebeln, Supernova- ó Diese hochenergetischen Noch höhere Energien sind seit den Gammaquanten lösen in der derts begannen Astronomen, den Himmel welche Photonen mit Energien jenseits von 1 MeV (106 eV) und – mit Hilfe der Erdatmosphäre Teilchenschau- mit Hilfe von Radiowellen zu erforschen. modernen Tscherenkow-Teleskope – bis er aus, die ihrerseits sichtbares Zusammen mit der Infrarot­astronomie hin zu 100 TeV (1014 eV) nachweist. Astro- Licht (»Tscherenkow-Strahlung«) erweitern diese Beobachtungen das zu- nomische Beobachtungen decken heute emittieren. gängliche Spektrum im Bereich langwel- also mindestens 20 Größenordnungen in ó Diese »Tscherenkow-Strahlung« 38 F ast unser gesamtes Wissen über liger Strahlung, bis hin zu Meterwellen Photonenenergie ab, und jeder Wellen- lässt sich mit bodengebundenen beziehungsweise zu niedrigen Energien längenbereich ermöglicht einen neuen, Teleskopen nachweisen und liefert andersartigen Blick auf das Universum. so Informationen über die rätsel- im Bereich von einem Mikroelektronvolt (1 meV = 10 –6 eV). Die Beobachtungen in haften kosmischen Beschleuniger. diesem Spektralbereich haben zu teils gen in unterschiedlichen Wellenlängen- spektakulären Entdeckungen – etwa der bereichen liegt heutzutage der Schlüssel Existenz von Radiogalaxien und kosmi- zu einem tieferen Verständnis kosmischer scher Hintergrundstrahlung – geführt. Bei Prozesse. Von besonderem Interesse ist höheren Energien, jenseits der Ultravio- hier die Beobachtung hochenergetischer lett-Strahlung, im Energiebereich einiger Kiloelektronvolt (1 keV = 103 eV), ermög- Gammastrahlung – im GeV- und TeV- lichte 1962 das erste Röntgenteleskop Strahlung bei niedrigeren Energien, etwa die Entdeckung intensiver Strahlung von im Röntgenbereich, häufig von heißer Ma- März 2009 In der Kombination von Beobachtun­ Energiebereich und darüber. Während die Sterne und Weltraum Zwei der vier Tscherenkow-Teleskope des HESS-Instruments in Namibia. Die aus je 382 einzelnen Fassetten zusammengesetzten Hauptspiegel haben eine HESS-Kollaboration Öffnung von zwölf Metern. und Strahlungsquelle, welche so heiß ist, dass zwischen einzelnen Quellen liegt die sie Photonen mit GeV- oder gar TeV- Vermutung nahe, dass der von ihnen Wir wissen heute, dass die kosmische Energien aussenden könnte. Man spricht pro­duzierten Gammastrahlung ein allge- Strahlung fast vollständig aus Protonen deshalb in diesem Zusammenhang von mein gültiger Produktionsmechanismus und nicht thermischer Strahlung. Die Quellen nicht thermischer Strahlung unterschei- zu Grunde liegt. Was aber sind die Quellen dieser hoch- Ihre Energieverteilung folgt oberhalb von etwa 10 GeV (oder 1010 eV) bis hin zu den den sich von den Quellen thermischer energetischen Gammastrahlung? Es gilt als höchs­ten nachgewiesenen Energien einem Strahlung in der Ener­gieverteilung ihres gesichert, dass in kosmischen Teilchenbe- Potenzgesetz, und ihr Teilchenfluss nimmt Strahlungsflusses, beschreibt, schleunigern geladene Teilchen – Elektro- über diese 10 Größenordnungen in der wie viele Photonen welcher Energie eine nen, Positronen und Atomkerne – auf sehr Energie um fast 30 Größenordnungen ab. Quelle aussendet: Die spektrale Energie- hohe Energien beschleunigt werden. Mit Die Quellen der kosmischen Strahlung verteilung thermischer Quellen besitzt der Entdeckung der kosmischen Strahlung, sind jedoch auch fast 100 Jahre nach ihrer ein Maximum, dessen Energie in erster eines steten Flusses geladener Teilchen aus Entdeckung nicht zweifelsfrei identifiziert. Näherung nur von der Temperatur des dem All, durch den österreichischen Physi- Nun werden die geladenen Teilchen im Körpers abhängt und zu niedrigeren und ker Victor F. Hess im Jahr 1912 beginnt eine interstellaren Raum durch Magnetfelder höheren Energien stark abfällt; dagegen intensive Suche nach den Quellen dieser abgelenkt, und zwar umso stärker, je ge- folgt Teilchen, von denen einige wenige mit ex- ringer die Energie der Teilchen ist – der die welcher spektrale Energieverteilung trotz individueller Unterschiede trem hohen Energien von mehr als 1020 eV nachgewiesen wurden. terie erzeugt wird, gibt es keine bekannte schwereren Atomkernen besteht. nicht thermischer Quellen üblicherweise einem so genannten Potenzgesetz, mit großem Photonenfluss bei niedrigen En- Zu diesem Beitrag stehen jedem Interes- ergien und zunehmend kleinerem Fluss sierten auf unserer Internetseite www. bei höheren Energien. Die meisten nicht wissenschaft-schulen.de didaktische thermischen Quellen zeigen eine mit Materialien zur freien Verfügung. Darin steigender Energie dramatische Abnah- wird gezeigt, wie einige der hier ange- me des Strahlungsflusses: Pro Verzehn- sprochenen Themen im Rahmen des Physikunterrichts in der gymnasialen Oberstufe fachung der Energie reduziert sich die behandelt werden können. Unser Projekt »Wissenschaft in die Schulen!« führen wir Zahl der nachgewiesenen Photonen auf in Zusammenarbeit mit der Landesakademie für Lehrerfortbildung in Bad Wildbad typischerweise unter ein Prozent. Wegen durch. Es wird von der Klaus Tschira Stiftung gGmbH großzügig gefördert. der Ähnlichkeit ihrer Ener­gieverteilungen www.astronomie-heute.de März 2009 39 Krümmungsradius selbst eines Teilchens chen. Aber während die Teilchen durch in etwa zehn Kilometer Höhe, und selbst mit 1015 eV beträgt nur etwa ein Lichtjahr Ablenkung im galaktischen Magnetfeld bei einer Energie des ursprünglichen und ist damit kleiner als der Abstand zum bei ihrer Ankunft auf der Erde jede Rich- Photons von 100 TeV erreicht kaum ein nächsten Stern. Deshalb sagt die beobach- tungsinformation verloren haben, durch- Schauerteilchen die Erdoberfläche. Wie tete Einfallsrichtung eines Teilchens der queren die ungeladenen Photonen die kann ein solcher Schauer also vom Boden kosmischen Strahlung nichts mehr über Galaxis auf geradem Weg und zeigen des- aus nachgewiesen werden? die Position seiner Quelle am Himmel aus. halb auf den Ort ihrer Entstehung zurück. Die Tscherenkow-Technik nutzt hierzu Man kann daher mit der geladenen kos- Im Licht der Gammastrahlung lassen aus, dass sich die meisten Schauerteilchen mischen Strahlung keine abbildende As- sich also kosmische Beschleuniger direkt mit Geschwindigkeiten fortbewegen, die tronomie betreiben, außer vielleicht bei allerhöchsten Energien, jenseits von 1019 eV, abbilden, um dann die Quellen der hoch- größer sind als die Lichtgeschwindigkeit energetischen Teilchen zu identifizieren in Luft. Dies steht nicht im Widerspruch wo die Ablenkung durch die interstellaren und die zu Grunde liegenden Beschleuni- zum einsteinschen Postulat, dass sich kein Magnetfelder hinreichend gering ist. gungsmechanismen zu untersuchen [1]. Körper schneller als das Licht fortbewegen Die starke Ablenkung ist der Grund da- könne, denn dieses bezieht sich auf den von einigen 1015 eV nur schwer aus der Tscherenkow-Teleskope: Augen für hochenergetische Strahlung Galaxis entweichen können und deshalb Da die Atmosphäre für Gammastrahlung indes (nur) etwa 99,99 Prozent der Vaku- vermutlich aus unserer Heimatgalaxie undurchlässig ist, kann diese nicht unmit- um-Lichtgeschwindigkeit, so dass sich stammen. Studien haben gezeigt, dass sie telbar vom Erdboden aus nachgewiesen Teilchen durchaus schneller fortbewegen im Durchschnitt für etwa zehn Millionen werden. Messungen bis zu einer Energie können, ohne das einsteinsche Postulat Jahre im Milchstraßensystem umherirren, von etwa zehn GeV werden deshalb mit zu verletzen. Die Luftmoleküle entlang bevor sie in den intergalaktischen Raum Instrumenten auf Satelliten durchgeführt. der Teilchenspur senden in diesem Fall hin­ausdiffundieren. Daraus ergibt sich, Da der Photonenfluss typischer Quellen so genanntes Tscherenkow-Licht im sicht- dass die Energiedichte der kosmischen aber wie oben beschrieben mit zuneh- baren Spektralbereich aus, das in einem Strahlung innerhalb des Milchstraßensy- mender Energie rasch abnimmt, sind Kegel von etwa einem Grad Öffnungs- stems vergleichbar groß ist wie diejenige Messungen bei höheren Energien wegen winkel zur Flugrichtung der Teilchen des Sternlichts oder des interstellaren der relativ kleinen Nachweisflächen dieser abgestrahlt wird. Am Erdboden leuchtet Magnetfelds – die kosmische Strahlung ist Instrumente nicht möglich. In diesem für der Tscherenkow-Lichtkegel eines Teil- also ein wichtiger Bestandteil des galak- das Verständnis hochenergetischer Pro- chenschauers eine Fläche von etwa 50 000 tischen »Lebens«. Obwohl immer wieder zesse äußerst interessanten Energiebereich Quadratmetern aus, eine gegenüber Satel- Teilchen die Galaxis verlassen, zeigen Un- ist jedoch mit der Tscherenkow-Technik in litenexperimenten deutlich vergrößerte tersuchungen von Meteoren, dass diese den letzten Jahren ein Durchbruch erzielt Nachweisfläche. Mit einem Teleskop, das Energiedichte seit mindestens einer Milli- worden [2]. sich innerhalb dieser Fläche befindet, lässt für, dass Teilchen unterhalb einer Energie luftleeren Raum. In zehn Kilometer Höhe beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Luft arde Jahren praktisch konstant ist. Daraus Tscherenkow-Teleskope sind bodenge- sich das Tscherenkow-Licht auf einen sehr folgt, dass die kosmische Strahlung kon- bundene Instrumente, welche die Erdat- lichtempfindlichen Detektor fokussieren tinuierlich nachproduziert werden muss, mosphäre als Nachweismedium nutzen. und nachweisen. Bei Gamma-Energien von um den stetigen Teilchenverlust zu kom- Bei der Absorption eines hochenerge- einem TeV beträgt die Lichtintensität etwa pensieren. tischen Photons in der Atmosphäre ent- 100 Photonen pro Quadratmeter – sie ist so Es spricht viel dafür, dass die Überreste steht nämlich eine ausgedehnte Lawine gering, dass große Spiegelflächen benötigt galaktischer Supernovae einen Großteil weiterer Teilchen: Das Photon konvertiert werden, um hinreichend viel Licht zu sam- dieser Produktion leisten. Beobachtungen bei Radio-, Röntgen- und Gamma-Energien haben gezeigt, dass diese Objekte geladene Teilchen – Elektronen, Positronen oder Tscherenkow-Teleskope nutzen die Erdatmosphäre als Medium zum Nachweis hochenergetischer Lichtquanten Atomkerne – bis auf TeV-Energien beschleunigen können. Die elektromagne- in der Nähe eines Atomkerns der Lufthül- meln. Hochempfindliche Photosensoren tische Strahlung, welche zu deren Nach- le in ein Elektron-Positron-Paar. Diese ge- und schnelle Elektronik erlauben eine Be- weis dient, entsteht entweder bei Wechsel- ladenen Teilchen werden im elektrischen wirkungen der beschleunigten Teilchen Feld weiterer Kerne abgebremst und lichtungszeit von etwa zehn Nanosekunden (1 ns = 10 –9 s); sie wird benötigt, um mit Magnetfeldern, Sternlicht oder der erzeugen dabei neue Photonen, welche ih- den kurzlebigen Tscherenkow-Lichtblitz kosmischen Hintergrundstrahlung, oder rerseits wieder in Elektron-Positron-Paare vom übrigen Licht des Nachthimmels zu aber durch Kollisionen mit Umgebungs- konvertieren. Dieser Prozess setzt sich unterscheiden. material, etwa diffusem interstellarem kaskadenartig fort, und die Energie des Moderne Tscherenkow-Teleskope ver- Gas oder dichten Molekülwolken. In allen ursprünglichen Photons wird so auf viele fügen über segmentierte Photosensoren Fällen spiegelt die Energieverteilung der sekundäre Teilchen verteilt (Bild rechts und können damit ein direktes Abbild Photonen diejenige der geladenen Teil- oben). Wenn die Energie dieser Teilchen des Luftschauers aufzeichnen. Aus der chen wider, das heißt, mit steigender Ener- nicht mehr ausreicht, weitere Teilchen zu Intensität des Bilds kann auf die Energie gie nimmt die Zahl der Photonen ähnlich erzeugen, stirbt die Lawine aus. Solch ein des ursprünglichen kosmischen Photons schnell ab wie die Zahl der geladenen Teil- Teilchenschauer erreicht sein Maximum geschlossen werden und aus der Bild- 40 März 2009 Sterne und Weltraum Supernova-Überrest Die in einer astronomischen Quelle erzeugten hochenergetischen Photonen können sich im Gegensatz zu den geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung geradlinig ausbreiten. In der Erdatmosphäre erzeu- Gammaquant gen die Photonen einen Teilchenschauer, dessen Teilchen Tscherenkow-Strahlung aussenden, die sich am Erdboden durch ein Teleskopsystem nachweisen lässt. Luftschauer orientierung in der Kamera auf dessen ursprüngliche Richtung. Leider wird die überwiegende Zahl atmosphärischer TeilLichtkegel chenschauer jedoch nicht von Photonen, sondern von den geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung erzeugt. Diese Schauer unterscheiden sich in ihrer Form von den photoninduzierten Schauern und können deshalb durch Bildanalyseverfahren wirkungsvoll unterdrückt werden. solcher abbildenden Systeme Reinhold Henkel/Spektrum der Wissenschaft Vier sind zurzeit weltweit im Einsatz; auf der Nordhalbkugel sind dies das MAGICInstrument auf La Palma und das VERITAS-Teleskopsystem im US-Bundesstaat Arizona. Das Cangaroo-III-Instrument beobachtet den Himmel von Australien ursprüngliche Flugrichtung des Gammaquants aus, während das HESS-System seine vier Tscherenkow-Teleskope von Namibia aus auf den Südhimmel richtet. Alle Instrumente werden von Forschungsinstituten und Universitäten in internationaler Zu- keit von besser als 0,1 Grad bestimmen. Quelle mit dieser Intensität wird von HESS sammenarbeit betrieben. Bei HESS etwa Durch die geometrische Rekonstruktion nach einer Beobachtungszeit von etwa arbeiten Wissenschaftler des Max-Planck- ist auch die Entfernung des Schauers von 30 Sekunden nachgewiesen; das HEGRA- Instituts für Kernphysik in Heidelberg den Teleskopen bekannt, wodurch eine System benötig­te hierzu noch etwa 20 und der Universitäten Berlin, Bochum, verbesserte Energiebestimmung erreicht Minuten. Erlangen, und wird; allerdings ist die Genauigkeit der Bei HESS kommen vier Spiegeltele- Tübingen mit Arbeitsgruppen aus Frank­ Ener­giebestimmung mit 15 Prozent relativ skope mit je 107 Quadratmeter Spiegelflä- reich, England, Irland, Polen, Armenien, bescheiden im Vergleich zu Spektrome- che zum Einsatz. Aus Kostengründen sind Südafrika und Namibia zusammen. tern in anderen Wellenlängenbereichen. die Spiegel aus je 382 einzelnen Fassetten HESS – das High Energy Stereoscopic Ferner wird durch Stereoskopie sowohl aufgebaut, welche das Tscherenkow-Licht System – ist Vertreter einer neuen Genera- der Untergrund durch Teilchen der kos- auf Kameras aus je 960 Photosensoren ab- tion von Instrumenten, bei denen der Teil- mischen Strahlung als auch der Einfluss bilden. Um einen Teilchenschauer sicher chenschauer mit mehreren Teleskopen des Nachthimmelslichts reduziert. nachzuweisen, muss jeder Spiegel etwa Hamburg, Heidelberg aus verschiedenen Blickwinkeln beobach- Die stereoskopische Nachweistechnik tet wird. Mit einem einzelnen Teleskop ist wurde mit dem Teleskopsystem HEGRA meln. Daraus ergibt sich, dass HESS Gam- es nämlich nicht ganz einfach, die exakte auf La Palma in den Jahren 1987 bis 2002 mastrahlung oberhalb einer Energie von Orientierung der Kaskade im Raum und erstmals eingesetzt, mit HESS weiter per- etwa 100 GeV vermessen kann. Während damit die genaue Richtung des Primär- fektioniert, und die Messempfindlichkeit diese so genannte Energieschwelle des photons zu bestimmen – schließlich sieht um den Faktor zehn gesteigert. Dabei Instruments von der Größe der Spiegelflä- man nur die Projektion des Schauers in muss man sich vergegenwärtigen, dass che, ihren Reflektivitätseigenschaften und einer Ebene. Mehrere Teleskope dagegen auf Grund des steilen Potenzspektrums der Empfindlichkeit der Photosensoren bieten eine stereoskopische Sicht des auch eine starke Quelle nur wenige hoch- bestimmt ist, wird der Messbereich bei Schauers und erlauben eine eindeutige energetische Photonen zur Erde sendet: hohen Energien im Wesentlichen dadurch Rekonstruktion der Geometrie, in Analo- Aus Richtung des Krebsnebels, einer der begrenzt, dass bei den höchsten Energien gie zum räumlichen Sehen mit zwei Au- stärksten Quellen am Himmel, sind das auf Grund der steilen Potenzspektren gen. Man kann damit die Richtung eines beispielsweise weniger als zehn TeV-Pho- nicht mehr genug Gammastrahlung für einfallenden Photons mit einer Genauig- tonen pro Quadratmeter und Jahr. Eine einen statistisch sicheren Nachweis in der www.astronomie-heute.de 1000 Tscherenkow-Photonen aufsam- März 2009 41 HESS J1841–055 galaktische Breite 2° HESS J1813–178 1° G18.0-0.7/ HESS J1825–137 0° -1° -2° G0.9+0.1/HESS J1747–281 GC/HESS J1745–290 HESS J1809–193 HESS J1834–087 -3° 25° HESS J1804–216 LS 5039/ HESS J1826–148 HESS J1837–069 20° CTB 37B/ HESS J1713–81 HESS J1801–233 15° 10° HESS J1800–240 HESS J1745–303 5° 0° HESS J1731–348 355° galaktische Länge So erscheint der innere Bereich der Milchstraße im Licht der hochenergetischen Gammastrahlung. Die hier gezeigte Teilkarte ist das Ergebnis der HESS-Durchmusterung der galaktischen Ebene. Jeder der hellen Bereiche zeigt einen – meist ausgedehnten – kosmischen Teilchenbeschleuniger. Nähe der Teleskope auf die Atmosphäre Waren vor einigen Jahren lediglich drei im interstellaren Medium üblicherweise trifft. Bei HESS liegt diese obere Nachweis- galaktische Gammaquellen bekannt, so bei Weitem übersteigen: Eine Stoßwel- grenze bei einigen zehn TeV. liegt nun mit dieser Durchmusterung die le breitet sich aus, die das interstellare Etwa tausend Stunden pro Jahr, immer erste Karte der Milchstraße im Hochener- Material vor sich herschiebt. Geladene dann, wenn der Mond untergegangen ist gie-Gammalicht vor. Sie enthält insgesamt Teilchen können durch turbulente Ma- und sein Licht nicht die empfindlichen mehr als 40 Gammaquellen – jede von ih- gnetfelder im Bereich vor und hinter der Messungen stört, beobachtet HESS den nen ist ein kosmischer Teilchenbeschleu- Stoßwelle abgelenkt und gestreut werden Himmel auf der Suche nach kosmischen niger. Oben ist ein Ausschnitt dieser Karte und die Stoßfront in beide Richtungen Teilchenbeschleunigern. Dabei nehmen im inneren Teil der Milchstraße gezeigt, überqueren. Ein Teilchen, das aus dem die zurzeit etwa 130 an dem Projekt be- das Ergebnis von fast 1000 Stunden Da- ruhenden Material vor der Stoßwelle teiligten Forscher Objekte sowohl außer- tenaufnahme verteilt über mehrere Jahre. in den Bereich hinter der Stoßfront ge- halb als auch innerhalb unserer Galaxis Fast alle diese galaktischen Gammaquel- lenkt wird, findet sich plötzlich in einer ins Visier. Einige besonders interessante len sind ausgedehnte und strukturierte Strömung wieder und wird »mitgeris- Objekte möchten wir im Folgenden etwas Objek-te mit einer typischen Größe von sen« – dabei erhöht sich seine Energie. näher beleuchten. einigen zehntel Grad, entsprechend einem Analoges passiert, wenn das Teilchen Durchmesser von einigen zehn Lichtjah- wieder vor die Stoßwelle gestreut wird. ren bei Entfernungen von typischerweise Eine Beschleunigung bis zu Energien Man erwartet, im schmalen Band der 10 000 Lichtjahren. Je nach Himmelsregi- im TeV-Bereich kann 100 bis 1000 Jahre Milchstraße zahlreiche Gammaquellen, on kann sich die Identifikation der Quellen in Anspruch nehmen, weil die Teilchen wie etwa die oben erwähnten Supernova- als schwierig erweisen, jedoch kann etwa bei jeder Überquerung der Stoßfront Überreste, zu finden. Deshalb wurde sie eine Hand voll eindeutig Supernova-Über- üblicherweise nur wenige Prozent an mit HESS systematisch nach Gamma- resten zugeordnet werden, zirka 20 sind Energie gewinnen. Die Maximalenergie, quellen durchmustert. Der Standort von höchstwahrscheinlich Pulsarwind- welche die Teilchen erreichen können, HESS in Namibia ist dazu besonders geeig- nebeln assoziiert, eine mit einem Binär- hängt von Details der Supernova und net, weil der zentrale Bereich der Milch- system. Bei weiteren 20 Objekten ist die ihrer Umgebung ab, wird aber vor allem straße dort nahe dem Zenit kulminiert, Identifikation unsicher. Eine besonders von der Geschwindigkeit der Stoßwelle im Südwinter gegen Mitternacht. Da für interessante Klasse bildet ein knappes und der Stärke des Magnetfelds in der zenitnahe Quellen das Tscherenkow-Licht Dutzend so genannter dunkler Quellen, Beschleunigungsregion beeinflusst. weniger Atmosphäre zu durchqueren hat bei denen auf Röntgen- und Radiokarten und damit weniger abgeschwächt wird, kein plausibles Gegenstück zu finden ist. Die Milchstraße im Gammalicht ist die Energieschwelle in diesem Fall mit Modellrechnungen zeigen, dass Selbstverstärkungseffekte das Magnetfeld um bis zu einen Faktor 100 gegenüber dem üb- sichtsfeld von HESS, mit etwa fünf Grad Supernova-Überreste – die Quellen der kosmischen Strahlung? Durchmesser etwa 100-mal so groß wie Bei einer Supernova-Explosion wird ein nahe zum »Knie» in der Energieverteilung der kosmischen Strahlung (einige 1015 eV) die scheinbare Fläche des Vollmonds, ist Großteil der Materie des Vorgängersterns ermöglichen sollte. Nur wenige Teilchen ein Schlüssel für den Erfolg dieser Kartie- eruptionsartig interstellaren erreichen jedoch die Maximalenergie des rung, für welche die Milchstraße mit einer Raum hinausgeschleudert. Hierbei wer- Beschleunigers; durch Diffusion aus der typischen Schrittweite von einem Grad in den Geschwindigkeiten bis zu einigen Region um die Stoßwelle herum entzie- überlappende Beobachtungsfelder aufge- tausend Kilometern pro Sekunde er- hen sich immer wieder einige von ihnen teilt wurde. reicht, welche die Schallgeschwindigkeit der weiteren Beschleunigung. Auf diese deutlich niedriger als bei Beobachtung in Richtung des Horizonts. Das große Ge- 42 März 2009 in den lichen galaktischen Wert ansteigen lassen können, was Teilchenbeschleunigung bis Sterne und Weltraum 35 HESS J1702–420 HESS J1420–607 HESS J1634–472 HESS J1626–491 HESS J1616–508 HESS J1427–608 HESS J1614–518 RCW 86/ HESS J1442–623 MSH 15–5 2/ HESS J1514–591 HESS J1632–478 HESS J1708–410 HESS J1718–385 MPIK/HESS//SuW-Grafik RX J1713.7–3946/ HESS J1713–397 HESS J1640–465 HESS J1418–609 50° 345° 340° 335° 330° 325° 320° 315° galaktische Länge Weise entstehen Potenzspektren, die in Quelle der kosmischen Teilchenstrahlung ihrer Form der beobachteten Energiever- ist, steht jedoch noch aus. teilung der kosmischen Teilchenstrahlung ähneln. 20 Bogenminuten RX J1713-3946 ist mit einem geschätzten Sind denn nun Supernova-Überreste pernova-Überrest. Die mindestens 35 000 eine Quelle der kosmischen Strahlung, Jahre alte Quelle W 28 im Sternbild Schlan- das heißt, werden an ihren Stoßfronten genträger gehört zu einer wesentlich tatsächlich beschleunigt, älteren Generation von Supernova-Über- oder handelt es sich bei diesen Teilchen resten. Ihre Stoßwelle wurde schon so weit um Elektronen, die nur einen verschwin- durch Kollisionen mit dem interstellaren denden Anteil der kosmischen Strahlung Gas abgebremst, dass Elektronen in ihr ausmachen? Mit der Beobachtung des kaum noch effizient beschleunigt werden Supernova-Überrests RX J1713.7-3946 im können, da die Energieverluste durch Syn- Sternbild Skorpion hat HESS einen wich- chrotronstrahlung nicht schnell genug Die Gammastrahlung des Supernova-Über- tigen Beitrag geleistet, das Szenario der ausgeglichen werden können. Die mit rests RX J1713.7-3946 zeichnet fast perfekt Stoßwellenbeschleunigung in diesen Ob- HESS nachgewiesene hochenergetische die aus Beobachtungen der Röntgen- jekten zu überprüfen. Zum ersten Mal Gammastrahlung unten) strahlung (blaue Konturlinien) bekannte konnte die Schockwelle eines Supernova- wird deshalb als Hinweis darauf gedeutet, Struktur der Supernova-Schale nach. Der Überrests als Quelle hochenergetischer dass diese Quelle Atomkerne beschleu- Durchmesser der Quelle beträgt knapp ein Gammastrahlung abgebildet werden (Bild nigt. Dafür spricht auch, dass ein Teil der Grad. Im Vergleich dazu ist in der rechten rechts oben). Überhaupt war dies das erste Gammastrahlung aus der Richtung nahe unteren Ecke gezeigt, wie eine Punktquelle Mal, dass die Struktur einer TeV-Quelle gelegener Molekülwolken nachgewiesen mit HESS abgebildet würde. räumlich aufgelöst werden konnte. Die wurde, in deren dichtem Gas diese Atom- ringförmige Struktur der sich ausbrei- kerne besonders viel Gammastrahlung tenden Stoßwelle weist im Gammalicht produzieren sollten. einen Durchmesser von etwa einem (Bild rechts Auflösung 0 20 40 60 80 100 Gammastrahlungsintensität Pulsar PSR J1801–23 HESS J1801–233 Helligkeitsverteilung zeigt die Quelle Pulsarwindnebel – ein kosmisches Plasmaphysik-Labor im Röntgenbereich, ein Hinweis darauf, Im Zentrum einer Supernova-Explosion dass die geladenen Teilchen, welche die entsteht häufig ein Pulsar, ein schnell Röntgen- und Gammastrahlung erzeugen, rotierender Neutronenstern, dessen Ro- in denselben Regionen der Stoßwelle be- tationsachse nicht mit der Ausrichtung schleunigt werden. Die Synchrotron-Rönt- seines starken Dipol-Magnetfelds über- genstrahlung wird dabei von den Elektro- einstimmt. Wie ein Dynamo induziert nen erzeugt, die in Magnetfeldern in und das mitbewegte Magnetfeld elektrische hinter der Stoßwelle abgelenkt werden. Felder, in denen Elektron-Positron-Paare Die Form der Energieverteilung und die erzeugt und zu einem relativistischen Anwesenheit starker Magnetfelder lassen Wind beschleunigt werden. Trifft der jedoch den Schluss zu, dass die mit HESS Wind auf das umgebende Medium, so nachgewiesene Gammastrahlung nicht wird er abgebremst. Es bildet sich eine ste- Diese Gammastrahlungskarte zeigt die von Elektronen, sondern überwiegend hende Stoßwelle aus, an der die Teilchen Region um den alten Supernova-Überrest von Atomkernen erzeugt wird, wenn sie des Winds ähnlich wie an der Stoßfront W 28. Die im Radiobereich gemessene mit Gasteilchen kollidieren. In der Stoß- eines Supernova-Überrests beschleunigt Ausdehnung der Supernova-Schale gibt der welle von RX J1713 werden also vermutlich werden können. Details der Beschleuni- weiße Kreis an. Die Gamma-Emission ist sowohl Elektronen als auch Atomkerne gungsmechanismen und der Energieum- besonders stark in der Nähe von Molekül- zu etwa gleichen Anteilen beschleunigt. setzung sind noch nicht verstanden, und wolken am östlichen Rand der Schale sowie Der letzte Beweis dafür, dass RX J1713 eine Beobachtungen dieser Pulsarwindnebel im Bereich südlich des Überrests. Grad auf. Annähernd dieselbe Form und www.astronomie-heute.de W 28 (Radiobegrenzung) HESS J1800–240 30 Bogenminuten 0 20 40 60 80 Gammastrahlungsintensität März 2009 43 Aus [4] / SuW-Grafik Atomkerne Aus [3] / SuW-Grafik Alter von 1600 Jahren ein eher junger Su- im Gammastrahlungsbereich sind ein wichtiges Werkzeug, die recht komplexen Gebilde genauer zu untersuchen. Ein Beispiel für einen Pulsarwindnebel 0,2 - 0,8 TeV 0,8 - 2,5 TeV >2,5 TeV bietet diese Gammastrahlungskarte (2,5o 3 2,75o) der Umgebung des Pulsars PSR J1826-1334 (weiß markiert). Die Farbko- Tatsächlich sind die meisten Pulsar- dierung (rot, grün, blau) zeigt Bereiche nie- windnebel – sofern sie von einem wirkPSR J1826–1334 lich starken Pulsar mit Energie versorgt derenergetischer, mittlerer und hochener- werden – Gammaquellen, und bilden getischer Gammastrahlung an. Deutlich die größte Klasse unter den mit HESS erkennt man die »Kühlung« der Elektronen, nachgewiesenen galaktischen Objekten. die sich weit vom Pulsar entfernt haben. HESS-Kollaboration Beobachtungen mit HESS zeigen, dass die meisten dieser kosmischen Beschleuniger unerwartet große Objekte sind, mit einer Ausdehnung von einigen zehn Lichtjahren. Ferner sind die Gammaquellen oft gegenüber ihrem Pulsar versetzt; ein möglicher Grund dafür ist, dass die Pul- Gamma-Emission führt. Das obige Bild nähernd Lichtgeschwindigkeit ausstößt. sare in der Supernova-Explosion einen veranschaulicht diese »Elektronenküh- Instabilitäten innerhalb dieser Jets sorgen Kick bekommen und mit einigen hundert lung« anhand der Quelle HESS J1825-137, dafür, dass insbesondere Blazare – AGN, Kilometern pro Sekunde davonfliegen, eines etwa ein Grad ausgedehnten, beson- deren Jet in Richtung des Betrachters wodurch der Pulsarwindnebel die Form ders großen Pulsarwindnebels, der von zeigt – stark veränderliche Strahlungs- eines Kometenschweifs erhält. einem der 20 stärksten bekannten Pulsare quellen sind. Der Mechanismus der Jet- mit Energie versorgt wird. Erzeugung sowie die Art der Teilchen, Wenn Pulsarwindnebel Elektronenbeschleuniger sind, so erwartet man, dass die in ihnen beschleunigt werden, sind re­gion mit zunehmender Energie ver- Ein gigantischer Strahlungsausbruch kleinert, von bis zu 100 Lichtjahren bei Neben galaktischen Objekten wurden »niedrigen« Energien zu unter einem mit HESS zahlreiche potenzielle extra- als Lichtjahr bei höchsten Gamma-Energien. galaktische Gammaquellen beobachtet, ziert worden, und bei einigen von ihnen Hochenergetische Elektronen verlieren darunter Aktive Galaktische Kerne (AGN), wurde eine mehr oder weniger stark ver- nämlich durch die oben bereits angespro- Starburst-Galaxien, Galaxienhaufen und änderliche Leuchtkraft beobachtet. Ein chene Synchrotronstrahlung im interstel- Gammastrahlungsausbrüche. Bisher sind besonders spektakulärer Anblick bot sich laren Magnetfeld kontinuierlich Energie, jedoch nur AGN, und unter ihnen insbe- den HESS-Teleskopen im Juli 2006: Über während sie sich im Nebel ausbreiten. sondere die Klasse der Blazare, als Gamma- einen Zeitraum von 90 Minuten zeigte Dieser Energieverlust ist umso stärker, je strahlungsquellen identifiziert worden. der Blazar PKS 2155-304 einen gewaltigen sich die Größe der Gammastrahlungs­ Schwerpunkte, auf die sich die aktuelle Forschung konzentriert. Mehr als 20 AGN sind mittlerweile Gammastrahlungsquellen identifi- größer die Energie des Elektrons ist. Elek- AGN sind sehr leuchtstarke Kerne Strahlungsausbruch, dessen Intensität im tronen mit hoher Energie findet man da- aktiver Galaxien, die dem Betrachter auf Gamma-Energiebereich etwa einen Fak- her nur in unmittelbarer Nähe des Pulsars Grund ihrer großen Entfernung als punkt- tor 100 über dem üblichen Quellfluss lag – entsprechend hochenergetisch ist dort förmige Objekte erscheinen. In ihrem und im Maximum die 15-fache Intensität die von ihnen erzeugte Gammastrahlung. Zentrum befindet sich ein extrem masse- des Krebsnebels erreichte (Bild unten). Entfernte Regionen hingegen sind nur reiches Schwarzes Loch, das Materie aus Berücksichtigt man, dass PKS 2155 etwa von niederenergetischen Elektronen be- seiner Umgebung aufsaugt und in Form 200 000-mal weiter von uns entfernt ist völkert, was zu einer niederenergetischen enger Kegel, so genannter Jets, mit an- als der Krebsnebel, so bekommt man eine zeichnet. Die Intensität der Gammastrahlung variiert auf Zeitskalen von wenigen Minuten. Die blaue horizontale Linie zeigt die Intensität des Krebsnebels. 3,5 3 2,5 2 1,5 Aus [5]/SuW-Grafik Am 28. Juli 2006 wurde diese GammaLichtkurve des Blazars PKS 2155-304 aufge- Photonenfluss [10-9 cm-2 s-1] 4 1 0,5 0 40 60 80 100 120 Zeit in Minuten 44 März 2009 Sterne und Weltraum Lambert Spix ■ Skyscout NEU Sterne und Sternbilder einfach finden. Der Skyscout ist als »Immer-dabei-Werkzeug« für Sternfreunde konzipiert. Einsteiger lernen einfach, Sterne und Sternbilder zu finden und Amateurastronomen finden eine kompakte und robuste Aufsuchhilfe für ihre Lieblingsobjekte. Heinz-Joachim Klötzler ■ Das Astro-Teleskop für Einsteiger Bestell-Nr. 2473. € 14,95 (D), € 15,40 (A) 400 Jahre Entdeckungen mit Teleskopen 2008, 576 S. m. zahlr. meist farb. Abb. u. Fotos sowie 88 farb. Himmelskarten, geb., Ullmann. 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Spektrum der Wissenschaft Verlagsges. mbH Vorstellung von der ungeheuren Energie, die in dieser Quelle umgesetzt wurde: Sie erzeugte zu diesem Zeitpunkt zwölf Größenordnungen mehr Energie im Bereich hochenergetische Photonen hochenergetischer Gammastrahlung als der starke Pulsar des Krebsnebels. Auch änderte sich die gemessene Intensität auf Zeitskalen von Minuten. Damit zeigt diese Quelle mit die schnellste niederenergetische Photonen Variabilität, die jemals bei einem AGN beobachtet wurde (Bild S. 44 unten). Solch kurze Strahlungsausbrüche stellen die Theorie vor große Herausforderungen, ist doch damit die Größe der Emissionsregion auf Grund der endlichen Lichtlaufzeit auf Zeit wenige Lichtminuten beschränkt. Stammt die Strahlung aus der unmittelbaren Nähe des Schwarzen Lochs, welches einen Durchmesser von etwa 100 Lichtminuten solcher Ausbrüche hofft man Einblicke in zustande des emittierenden Körpers un- hat, so lässt sich die schnelle Variabilität die Prozesse in der unmittelbaren Umge- abhängigen Geschwindigkeit V fortpflan- nur dann plausibel erklären, wenn sich bung des Schwarzen Lochs zu erhalten. ze«. Seine Verletzung hätte weit reichen- die Materie, welche die Gammastrahlung de Konsequenzen für unser Verständnis digkeit auf uns zubewegt. In diesem Fall Ist die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit wirklich konstant? folgt die Materie der eigenen Lichtemis- Mit Hilfe des Strahlungsausbruchs von des Lichts unabhängig von der Wellenlän- sion so schnell nach, dass durch einen PKS 2155-304 konnte HESS einen der ge, also seiner Energie sein sollte. Einige relativistischen Doppler-Effekt die Licht- Grundpfeiler der modernen Physik über- Theorien zur Quantengravitation sagen kurve am Ort des Betrachters um mehrere prüfen, nämlich das einsteinsche Postulat, jedoch eine mögliche Energieabhängig- Größenordnungen zeitlich komprimiert »dass sich das Licht im leeren Raume stets keit der Lichtgeschwindigkeit voraus. In erscheinen kann. Aus der Untersuchung mit einer bestimmten, vom Bewegungs- diesen Theorien ist der Raum auf sehr klei- erzeugt, im Jet nahezu mit Lichtgeschwin- von Raum und Zeit. Insbesondere besagt das Postulat, dass die Geschwindigkeit IHRE VORTEILE ALS ABONNENT VON Als Abonnent erhalten Sie Sterne und Weltraum zum Vorzugspreis von nur € 85,20 (ermäßigt auf Nachweis € 64,–) inkl. Versandkosten Inland und haben Zugriff auf das Archiv des Magazins. Unter www.astronomie-heute.de/plus finden Sie weitere Vorteile: • Ihren persönlichen Mitgliedsausweis zum Herunterladen mit zahlreichen Vergünstigungen bei vielen wissenschaftlichen Einrichtungen, Museen und Filmtheatern • einen monatlichen Bonusartikel und den Zugriff auf das Archiv mit allen bisher erschienenen Bonusartikeln • kostenlose Downloads verschiedener Hefte der Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH • das spektrumdirekt-Premiumabo zum Vorteilspreis • ein vergünstigtes Produkt des Monats 46 März 2009 Sterne und Weltraum www.astronomie-heute.de/plus Eine mögliche Energieabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit bei Gamma-Energien kann gemessen werden, wenn die Gamma­ quelle variabel ist. In diesem Fall sollte an markanten Stellen der Lichtkurve eine Verschiebung in der Ankunftszeit der hochenergetischen zu derjenigen der niederenergetischen Photonen nachweisbar sein: Unter der Annahme gleichzeitiger Emission von der Quelle (links) ergibt sich aus dem Zeitunterschied der Ankunft auf HESS/MPIK/SuW-Grafik der Erde (rechts) bei bekannter Entfernung der Quelle der Unterschied in der Lichtgeschwindigkeit. nen Skalen »körnig«; Photonen mit Gam- um ein fünftes, viel größeres Teleskop Werner Hofmann ist ma-Energien haben sehr kurze Wellen- erweitert. Mit etwa 600 Quadratmetern Direktor am Max-Planck- längen und werden in ihrer Ausbreitung Spiegelfläche wird es Gammastrahlung Institut für Kernphysik in durch die Struktur des Raums beeinflusst. deutlich geringerer Energie nachweisen Heidelberg und leitet dort Der Effekt auf die Ausbreitungsgeschwin- können, bei gleichzeitiger Steigerung der die Abteilung Teilchenphy- digkeit ist minimal, aber die Beobach- Empfindlichkeit bei hohen Energien. Auch sik und Hochenergieastro- tung von TeV-Photonen sehr weit ent- das MAGIC-Instrument wird dieses Jahr physik. fernter Objekte mit Tscherenkow-Telesko- ein zweites Teleskop in Betrieb nehmen pen könnte eine solche Energieabhängig- und damit seine Empfindlichkeit deut- Christopher van keit nachweisen. lich steigern. Seit Sommer letzten Jahres Eldik beschäftigt sich am Auf ihrer Reise von PKS 2155-304 zur beobachtet zudem der Fermi-Satellit den Max-Planck-Institut für Erde war die hochenergetische Gamma- Himmel – er weist Gammastrahlung im Kernphysik mit dem HESS- strahlung etwa 1,5 Milliarden Jahre un- Energiebereich 10 MeV bis 100 GeV nach, Projekt. terwegs. Sollten sich in diesem Zeitraum also bei überwiegend kleineren als den beispielsweise die Photonen niedriger mit Tscherenkow-Technik zugänglichen Energie schneller fortgepflanzt haben als Energien. diejenigen höherer Energie, so könnte Das nächste große Projekt der Hoch- sich dieser Geschwindigkeitsunterschied energie-Gamma-Astronomie in Europa über die Jahre zu einem messbaren Lauf- befindet sich schon in der Planungspha- zeitunterschied Ist se. Das Cherenkov Telescope Array (CTA) die Quelle variabel, so kann man nach summiert haben. soll mit Tscherenkow-Teleskopen ver- einer zeitlichen Verschiebung zwischen schiedener Typen einen Energiebereich den Lichtkurven von Gammastrahlung von einigen 10 GeV bis hin zu einigen niedriger Energie und derjenigen ho- 100 TeV abdecken. Gleichzeitig soll die her Energie suchen (Bild oben). Mit den Empfindlichkeit um den Faktor zehn HESS-Beobachtungen des Ausbruchs von gesteigert werden. Das Konzept baut auf PKS 2155-304 vom Juli 2006 stand dazu bekannten Technologien auf und könnte ein idealer Datensatz zur Verfügung. In- relativ schnell – bis etwa 2015 – realisiert nerhalb der Genauigkeit der Messmetho- werden. Das Projekt, das analog zu op- de wurde aber kein Laufzeitunterschied tischen Teleskopen als offenes Obser- gefunden: In einer Sekunde legt das Licht vatorium betrieben werden soll, wird von etwa 300 000 Kilometer zurück, und die- der europäischen Astroteilchenphysik- se Strecke ändert sich um höchstens 450 Gemeinde sehr positiv bewertet und Nanometer, also etwa den hundertsten wurde in die europäische ESFRI Road- Teil eines Haardurchmessers. map für zukünftige Forschungsinfrastruk- Quo vadis, Gamma-Astronomie? turen aufgenommen. Mit CTA sollte es in ein paar Jahren möglich sein, etwa 1000 HESS hat in den letzten Jahren das Fenster Hochenergie-Gammaquellen zu beobach- der Gamma-Astronomie weit aufgesto- ten und die Eigenschaften dieser fas- ßen. Um noch empfindlichere Messungen zinierenden Objekte im Detail zu untersuchen. zu ermöglichen, wird das System derzeit www.astronomie-heute.de Literaturhinweise [1] Stegmann, C.: Kosmische Strahlung – die Suche nach den Quellen. In: Sterne und Weltraum 3/2006, S. 36 – 39. [2] Völk, H. J.: Neue Ergebnisse der Gamma-Astronomie. In: Sterne und Weltraum 8/2006, S. 36 – 45. [3] Aharonian, F. A. et al. (HESS Collaboration): Primary Particle Acceleration Above 100 TeV in the Shell-type Supernova Remnant RX J1713.7-3946 with Deep HESS Observations. In: Astronomy & Astrophysics 464, S. 235 – 243, 2007. [4] Aharonian, F. A. et al. (HESS Collaboration): Discovery of Very High Energy Gamma-ray Emission Coincident with Molecular Clouds in the W28 (G6.4-0.1) Field. In: Astronomy & Astrophysics 481, S. 401 – 410, 2008. [5] Aharonian, F. A. et al. (HESS Collaboration): An Exceptional VHE Gamma-ray Flare of PKS 2155-304. In: Astrophysical Journal Letters 664, L71 – L74, 2007. Weblinks zu diesem Artikel: www.astronomie-heute.de/artikel/ 979338 März 2009 47
