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Der kosmischen Strahlung auf der Spur
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Cherenkov-Teleskop FACT (First G-APD Cherenkov Telescope)
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Forschende der ETH Zürich haben eine Kamera entwickelt, die von der kosmischen Strahlung induzierte Lichtblitze erstmals auch bei viel Umgebungslicht, zum Beispiel bei Vollmond, nachweisen kann. Erst kürzlich konnte die Kamera in Betrieb genommen werden und lieferte erste Bilder.
Es ist eines der grossen Rätsel der Wissenschaft: Vor 99 Jahren entdeckte der österreichische Physiker Viktor Hess, dass unsere Erde fortwährend von hochenergetischen Teilchen aus den Tiefen des Alls getroffen wird. Wo diese Teilchen - auch kosmische Strahlung genannt - herkommen, ist fast einhundert Jahre nach dieser Entdeckung noch weitgehend ungeklärt. Es müssen kosmische Beschleuniger existieren, die Teilchen zu sehr viel höheren Energien beschleunigen, als es selbst mit dem leistungsstarken LHC am CERN möglich ist.
Kosmische Beschleuniger identifizieren
Eine vielversprechende Methode, Antworten auf dieses Rätsel zu finden, ist die Hochenergieastronomie. Mit sogenannten Cherenkov-Teleskopen wird nach den extrem schwachen Lichtblitzen gefahndet, die von hochenergetischen Teilchen in der Atmosphäre erzeugt werden. Dazu benötigt man eine hochempfindliche Kamera, die mehrere 100 Millionen bis Milliarden Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. In den letzten zehn Jahren gelang es mit Cherenkov-Teleskopen mehr als 140 der hellsten galaktischen und extragalaktischen Beschleuniger zu identifizieren, aber eine bedeutend grössere Anzahl liegt vermutlich noch im Verborgenen. Die Beobachtungen werden dadurch limitiert, dass alle bisherigen Kameras durch zu viel Umgebungslicht zerstört werden können.
Neues Teleskop ist ein Gemeinschaftswerk
Seit wenigen Jahren existieren neuartige Halbleitersensoren, sogenannte G-APDs, die sich gegenüber den bisher verwendeten Photoröhren durch eine grössere Robustheit und einfachere Bedienung auszeichnen. Die ETH Zürich entwickelte in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich spezielle Lichtleiter, die für die Verwendung von G-APDs in Cherenkov-Teleskopen notwendig sind, und konstruierte eine neuartige Kamera samt der zugehörigen Elektronik. Nach erfolgreichen Tests baute das Team die Kamera auf der kanarischen Insel La Palma auf einer Höhe von 2'200 m in ein bereits existierendes Teleskop ein, das von den Universitäten Dortmund und Würzburg sowie der EPF Lausanne mit verbesserten Spiegeln und einer neuen Steuerung ausgestattet wurde. Die EPF Lausanne und die Universität Genf entwickelten wichtige Teile der Software für das sogenannte First G-APD Cherenkov Teleskop (FACT) Projekt. Insgesamt sind rund 45 Physiker, Ingenieure und Techniker an der Entwicklung von FACT beteiligt.
Erste Bilder bei Vollmond
In einer klaren Vollmondnacht im Oktober, nur wenige Stunden nach Montage der Kamera, konnten bereits die ersten Lichtblitze gemessen werden. Das Umgebungslicht war mehr als 100-mal stärker als bisher üblich für Beobachtungen mit Cherenkov-Teleskopen. Seit einiger Zeit weiss man, dass bei einem Typ kosmischer Beschleuniger die Helligkeit sehr stark und schnell ändern kann. Mit der neuen Kamera wird es nun möglich, dieses Phänomen lückenloser zu beobachten. Davon versprechen sich die Forscher, die Wirkungsweise dieses kosmischen Beschleunigers bald besser verstehen zu können. In den kommenden Monaten wird der Betrieb des Teleskops inklusive der Kamera optimiert. Danach beginnen die wissenschaftlichen Beobachtungen mit FACT.
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| Quelle: Text
ETH Zürich, Dezember 2011 |
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Physiker forschen an einzigartiger Technik zur Beobachtung kosmischer Strahlung |
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Wissenschaftlern der Technischen Universität Dortmund ist in Zusammenarbeit mit der Universität Würzburg und der ETH Zürich ein technischer Durchbruch gelungen: Zum ersten Mal haben sie mit Hilfe einer Kamera auf Basis von Halbleiterdetektoren atmosphärische Teilchenkaskaden, die beim Zusammentreffen kosmischer Teilchen hoher Energie mit der Erdatmosphäre entstehen, beobachten können. Diese neue Technologie kann Ausgangspunkt für Weitere Erkenntnisse in der Gamma-Astronomie und anderen Bereichen sein.
Das FACT-Teleskop auf La Palma.
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Als Prof. Wolfgang Rhode am Morgen des 12. Oktobers 2011 sein E-Mail-Postfach öffnete, staunte er nicht schlecht: Bereits in der ersten Nacht konnte das neue Cherenkov-Teleskop FACT (First G-APD Cherenkov Telescope) verwertbare Aufnahmen von atmosphärischen Teilchenkaskaden machen, schrieb ihm sein Doktorand von den kanarischen Inseln.
«So etwas habe ich noch nie erlebt», so Prof. Rhode, Professor für experimentelle Astroteilchenphysik an der TU Dortmund. «Normalerweise braucht man mehrere Wochen vom ersten Aufstellen eines neuen Teleskopes bis zu dem Moment, in dem man brauchbare Daten bekommt.»
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Die Kamera, die an der ETH in Zürich zusammengesetzt wurde und pro Sekunde mehrere 100 Millionen bis Milliarden Bilder aufnimmt, steht in 2'200 Metern Höhe auf der Insel La Palma. Dort befinden sich bereits zwei weitere Teleskope, so genannte MAGIC-Teleskope, an denen die Wissenschaftler der TU Dortmund auch beteiligt sind.
Bereits mit diesen Teleskopen konnte man die bläulichen Cherenkov-Blitze der Teilchenkaskaden beobachten. Das neue Teleskop basiert jedoch nicht mehr wie bei MAGIC auf Photonenverstärker-Röhren, sondern auf Halbleiterdetektoren, sogenannten G-APDs (Geigermode Avalanche Photo Diodes).
Diese neue Technik bietet zahlreiche Vorteile: G-APDs sind sehr viel robuster gegenüber Sonnenlicht und anderen äusseren Einflüssen. Man kann die Pixelgrösse verkleinern und man braucht für ihren Betrieb keine Hochspannung. Einer der grössten Vorteile der neuen Technik ist allerdings, dass man sie auch in Nächten benutzen kann, in denen der Mond scheint oder andere Störungsfaktoren die Nacht erhellen. Somit können die Wissenschaftler mehr Daten gewinnen und sind nicht mehr so stark durch äusserliche Einflüsse eingeschränkt. Die nutzbare Beobachtungszeit steigt stark an.
Die Ergebnisseder Messungen können Antworten auf wichtige Fragen in der Astroteilchenphysik, der Kosmologie und der Teilchenphysik bringen: Aus welchen Quellen kommen die kosmischen Teilchen, die in der Atmosphäre schneller als das Licht sind? Welche Eigenschaften haben die Galaxien, aus denen sie kommen? Und welche Hindernisse mussten sie auf dem Weg bis zur Erde überwinden?
Die von der Kamera aufgezeichneten Hochgeschwindigkeitsfilme müssen mit neuen Methoden analysiert werden, um den Herkunftsort, die Energie und die Art des kosmischen Teilchens festzulegen. In Dortmund erfolgt dies in enger Zusammenarbeit mit dem Dortmunder Sonderforschungsbereich 876, in dem schnelle und energiesparende Methoden zur Datenanalyse entwickelt werden.
Im Moment sind Prof. Rhode und seine Kollegen im Gespräch mit Wissenschaftlern rund um den Globus. An vielen Orten sind derzeit neue Teleskope geplant, um die Quellen der kosmischen Teilchen möglichst lückenlos beobachten zu können. Die neue Technologie soll dafür zur Verfügung gestellt werden.
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| Quelle:
Text Technische Universität Dortmund, Dezember 2011 |
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