CTA – ein Lichtblick für die Gammaastronomie

Hamburg, DeutschlandDas Weltall hält noch viele Geheimnisse für uns bereit. Insbesondere solche Prozesse, die extrem hohe Energiemengen freisetzen, sind noch nicht vollständig verstanden. Mit dem Cherenkov Telescope Array, kurz CTA, sollen etwa die Mechanismen kosmischer Teilchenbeschleuniger untersucht werden.

Unser Wissen über Sterne, Galaxien und auch exotischere Objekte wie Schwarze Löcher beziehen wir vor allem aus elektromagnetischer Strahlung, die aus dem All zu uns gelangt. Dabei reicht das Spektrum vom langwelligen Radiobereich über das Infrarote und Optische bis zur kurzwelligen Röntgen- und besonders energiereichen Gammastrahlung. Doch die irdische Atmosphäre ist nicht für alle Wellenlängen durchlässig. Um bei bestimmten Frequenzen beobachten zu können, müssen Astronomen zum Beispiel Teleskope in den Weltraum schicken.

Auch Gammastrahlung kann die Lufthülle unseres Planeten nicht durchdringen. Ab einer bestimmten Energie lassen sich kosmische Gammaquellen dennoch von der Erde aus beobachten, und zwar indirekt. Wenn die extrem energiereichen Lichtquanten beim Eintritt in die Atmosphäre mit Atomen und Molekülen kollidieren, erzeugen sie Kaskaden neuer Teilchen. Diese Partikel bewegen sich mit einer Geschwindigkeit fort, die größer ist als die des Lichts in der Atmosphäre. Dabei senden sie schwache blaue Lichtblitze aus. Dieses sogenannte Tscherenkow-Licht breitet sich in einem rund zehn Kilometer langen Lichtkegel aus, der sich am Boden in einem kreisförmigen Gebiet von etwa 250 Metern Durchmesser beobachten lässt. Aus Form und Richtung des abgebildeten Lichtkegels lässt sich rekonstruieren, von welchem Ort am Himmel die kosmische Strahlung stammt, die den atmosphärischen Teilchenschauer ausgelöst hat. Die Intensität dieser Tscherenkow-Blitze ist ein Maß für die Energie der ursprünglichen Strahlung.

Gammaobservatorium mit bislang unerreichter Empfindlichkeit

Mit den vom Bundesforschungsministerium geförderten Observatorien wie MAGIC auf den kanarischen Inseln und H.E.S.S. in Namibia können die Astrophysiker bereits das Universum im Gammalicht von der Erde aus erforschen. Allerdings ist die Messgenauigkeit dieser Instrumente noch sehr begrenzt. Denn um zum Beispiel den Ort einer Strahlungsquelle am Himmel genau rekonstruieren zu können, ist es notwendig, die in der Atmosphäre erzeugten Lichtblitze von möglichst vielen Positionen aus zu verfolgen. Bisherige Tscherenkow-Teleskope setzen sich aus maximal fünf Beobachtungseinheiten zusammen, die zudem recht nahe beieinander stehen. Daher ist die Ortsauflösung noch relativ unpräzise.

Ein Teleskop im linken unteren Bildviertel ist in den Himmel gerichtet. Im Hintergrund an den unteren Bildrand gedrängt, sind links davon zwei, rechts davon ein weiteres Teleskop abgebildet. Am Himmel stehen Sterne. In der Bildmitte gehen von einem hellen Punkt Lichtstrahlen in alle Richtungen aus.
Gammablitze aus dem All

Mit dem geplanten Cherenkov Telescope Array (CTA) wollen Wissenschaftler nun ein Observatorium errichten, das deutlich genauer misst und rund hundert Einzelteleskope umfasst. Außerdem soll es um eine Größenordnung empfindlicher sein als die bisherigen Instrumente dieser Art. Und es wird Gammaquellen beobachten können, die bei verschiedenen Energien von 20 Gigaelektronenvolt bis 300 Teraelektronenvolt strahlen. Dazu sollen unterschiedliche Teleskoptypen in drei verschiedenen Energiebereichen zum Einsatz kommen.

Das CTA wird in den kommenden zwei Jahrzehnten das wichtigste Beobachtungsinstrument der Astrophysik bei hohen Energien sein. Seine bisher unerreichte Empfindlichkeit und räumliche Auflösung ermöglicht neue Entdeckungen und Antworten auf viele grundlegende Fragen. So kann zum Beispiel das Zentrum unserer Milchstraße, die Entstehung von Sternen oder die rätselhafte Dunkle Materie näher untersucht werden. Dabei ergänzt das CTA mit seinem Spektralbereich andere Großteleskope in idealer Weise.

Das Bild zeigt drei verschiedenen Teleskoptypen unterschiedlicher Größe, die in verschiedenen Energiebereichen messen werden. Im Hintergrund sind mittig im Bild zwei große Teleskope angeordnet. Deren Spiegelfläche ist achteckig und setzt sich aus kleinen quadratischen Einzelspiegeln zusammen. Sie wird von einer Rohrstangenkonstruktion gehalten. Davon ausgehend führen zwei Stangen nach oben mittig über die Spiegelfläche. In einigem Abstand von ihr ist dort im Fokus der Sensor angebracht.  Weiter im Vordergrund stehen vier etwas kleinere Teleskope ähnlicher Bauweise, vorne rechts im Bild ein noch kleineres. Die Spiegelflächen dieser beiden Instrumententypen sind sechseckig angeordnet und bestehen ebenfalls aus sechseckigen Einzelelementen.
Teleskoptypen des CTA

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das weltweit einzigartige Observatorium in seine Roadmap für Forschungsinfrastrukturen aufgenommen, da es unser Verständnis des Universums vertiefen wird und zugleich viel Innovationspotenzial bietet. Tatsächlich wurde die Gammaastronomie bei sehr hohen Energien wesentlich in Deutschland entwickelt – und damit große wissenschaftliche Expertise im Bereich der Hochenergie-Astrophysik aufgebaut. Mit einer starken Beteiligung an CTA baut Deutschland diese Führungsrolle nun weiter aus. Das CTA ist auch Teil der ESFRI-Roadmap, einem Strategiepapier des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen.

Im Rahmen seiner Verbundforschung stellte das BMBF seit 2009 insgesamt rund 4,9 Millionen Euro für deutsche Beiträge zur Vorbereitung des CTA bereit. Im aktuellen Förderzeitraum 2014 bis 2017 beläuft sich die Fördersumme auf rund 2,7 Millionen Euro. In diesem Verbundprojekt entwickeln vier deutsche Universitäten unter anderem Kontrollsystem, Steuerung und Kalibrationshardware eines Prototypteleskops sowie Teleskopsoftware. Dabei können die Gamma-Astronomen in Deutschland auf reiche Erfahrungen mit den – ebenfalls im Rahmen der Verbundforschung geförderten – Teleskopsystemen MAGIC und H.E.S.S. zurückgreifen. Zudem sind die institutionell geförderten Max-Planck-Institute für Kernphysik und für Physik sowie das Helmholtz-Zentrum DESY maßgeblich an der Vorbereitung des CTA beteiligt. Sie bringen ihre Expertise in der Hochgeschwindigkeits-Datenaufnahme und Datenverarbeitung ein.

Standorte auf der Nord- und Südhalbkugel

Für das CTA sollen mehrere Dutzend Einzelteleskope in drei verschiedenen Größen jeweils an einem Standort auf der Nord- und einem auf der Südhalbkugel zu einem größeren Observatorium zusammengeschlossen werden. Auf diese Weise lässt sich der gesamte Himmel in einem breiten Energiebereich absuchen. Die vierjährige Planungsphase für das CTA ist seit August 2014 abgeschlossen. Im Sommer 2015 wurde entschieden, vertiefte Standortverhandlungen mit zwei Observatorien zu führen: hinsichtlich des nördlichen CTA-Teils mit dem Observatorium del Roque de los Muchachos auf der kanarischen Insel La Palma, und hinsichtlich des südlichen CTA-Teils mit dem European Southern Observatory (ESO) in Chile (Paranal-Observatorium). Über die Standorte soll endgültig Ende 2015 beschlossen werden.

Derzeit sind bereits Prototypen für das CTA in Zeuthen bei Berlin, in Polen und in Sizilien im Test. Für Ende 2016 sollen erste Vorserienteleskope auf dem Beobachtungsgelände installiert werden. Der Bau aller geplanten Instrumente wird voraussichtlich mindestens bis 2020 dauern. Bereits 2017 sollen erste Teleskope mit der Datenaufnahme beginnen, die volle Leistung und der reguläre Betrieb werden aber erst 2020 erreicht werden.

Teilchenbeschleuniger im Weltall

Anders als Strahlung aus allen anderen Energiebereichen des elektromagnetischen Spektrums stammt Gammalicht, das aus dem Universum zu uns gelangt, nicht aus thermischen Quellen – heißen Objekten, die Wärmestrahlung aussenden. Im heutigen Universum entsteht Gammastrahlung etwa, wenn geladene Teilchen durch energiereiche Prozesse auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, oder wenn sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichten. Solche Prozesse treten beispielsweise bei Sternexplosionen, in Schockwellen oder der Umgebung von kosmischen Magnetfeldern auf.

Anordnung der CTA-Teleskope

Gammaobservatorien sowohl auf der Erde als auch aus dem Weltraum haben einzelne Supernova-Überreste als Gammaquellen in unserer Galaxis identifiziert. Modellrechnungen zeigen, dass in den von explodierenden Sternen abgestoßenen Materiehüllen geladene Teilchen stark beschleunigt werden. Wenn die Partikel mit Gas oder Strahlung in Wechselwirkung treten, können sie Gammastrahlung aussenden. Allerdings sind auch andere Beschleunigungsmodelle denkbar, die zur Emission von Gammastrahlung führen. Mit dem CTA werden sich die verschiedenen Szenarien unterscheiden lassen. Außerdem wollen die Wissenschaftler mit dem geplanten Tscherenkow-Teleskop untersuchen, in welchem Stadium der Sternexplosion extrem energiereiche Teilchen erzeugt werden, wann diese Teilchen den Supernova-Überrest verlassen und wie sie sich dann in der Galaxis ausbreiten. Anhand der Gammaemission dieser Partikel wollen die Forscher herausfinden, wie Supernovae als extrem effiziente Teilchenbeschleuniger im All fungieren.

Als extragalaktische Gammaquellen sind zum Beispiel Kerne sogenannter aktiver Galaxien bekannt. Mit den neuen Möglichkeiten des CTA hoffen die Wissenschaftler, eine ganze Reihe weiterer solcher Objekte zu entdecken. In Richtung ihrer Rotationsachse schleudern sie Materie nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und in Form eines gebündelten Strahls in den Raum. Diese sogenannten relativistischen Jets sollen mit dem CTA genauer studiert werden, um Strahlung hoher Energie und ihren zugrunde liegenden Entstehungsmechanismus besser zu verstehen.

Vor einem dunklen Hintergrund ist in der linken oberen Bildecke eine punktförmige, helle Lichtquelle zu sehen, deren Umgebung sie sanft ausleuchtet. Vor ihr aus erstreckt sich diagonal nach rechts unten ein dünner Materiestrahl.
Aktive Galaxie M87

Auch die inzwischen als existent angenommene Dunkle Materie, deren Natur aber noch unbekannt ist, könnte Spuren in Form von Gammastrahlung hinterlassen. Die Teilchen der Dunklen Materie wechselwirken mit gewöhnlicher, sogenannter baryonischer Materie nur über die Schwerkraft und sind im elektromagnetischen Spektrum nicht nachweisbar. Verfügen sie jedoch über bestimmte theoretisch vorhergesagte Eigenschaften, könnten sich die Teilchen der Dunklen Materie unter gewissen Bedingungen gegenseitig auslöschen und dabei Gammastrahlung aussenden. Nach diesen Indizien der Dunklen Materie wollen Astronomen im Rand- und Zentralbereich der Milchstraße, aber ebenso in Zwerggalaxien und Galaxienhaufen Ausschau halten. Denn überall dort sollte Dunkle Materie vorkommen. Anhand der Messungen mit dem CTA ließen sich bestimmte Eigenschaften der Dunklen Materie genauer eingrenzen.

Zudem gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Gammaquellen, darunter auch manche, die nur kurzzeitig existieren, wie zum Beispiel Gammastrahlenausbrüche. Deren Natur soll nun genauer untersucht werden. Als erstes großes bodengebundenes Gammastrahlungsobservatorium der Welt wird CTA ein neues Fenster ins Universum öffnen – und den Wissenschaftlern damit ermöglichen, Antworten auf diese Schlüsselfragen der Astronomie zu finden.

Steckbrief CTA – Cherenkov Telescope Array

Typ:

Teleskop-Anordnung

Technologie:

Atmosphärisches Tscherenkow-Teleskop

Standorte:

Nord- und Südhalbkugel

Projektierung:

CTA Consortium

Baukosten:

werden derzeit evaluiert

Deutsche Beteiligung:

4,9 Millionen Euro (Verbundforschung seit 2009)

Vorbereitungsphase:

2010 – August 2014

Testphase:

2015 – 2016

Bauphase:

2016 – 2020

Anzahl der geplanten Teleskope:

über 100 in drei Größen

Empfindlichkeit für Gammastrahlung:

zehnmal höher als Vorgänger

Large-Size Telescope (LST):

Durchmesser: ca. 23 Meter
Energiebereich: ca. 20 GeV – 1 TeV
Gesichtsfeld: ca. 4,5 Grad

Medium-Size Telescope (MST):

Durchmesser: ca. 14 Meter
Energiebereich: ca. 100 GeV – 10 TeV
Gesichtsfeld: ca. 8 Grad

Small-Size Telescope (SST):

Durchmesser: ca. 4 Meter
Energiebereich: ca. 3 TeV – 300 TeV
Gesichtsfeld: ca. 9 Grad

Aufbau im Norden:

4 große und 15 mittlere Teleskope auf einer Fläche mit einem Radius von 0,4 Kilometer

Aufbau im Süden:

4 große, 25 mittlere und 70 kleine Teleskope auf einer Fläche mit einem Radius von 1,5 Kilometern

Bestandteil folgender Roadmaps:

BMBF, ESFRI

Beteiligte Länder:

31: Argentinien, Armenien, Australien, Brasilien, Bulgarien, Chile, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Indien, Irland, Italien, Japan, Kanada, Kroatien, Mexiko, Namibia, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Schweden, Schweiz , Slowenien, Südafrika, Spanien, Tschechische Republik, Ukraine, USA