Illustration mehrerer Antennenschüsseln in der Dämmerung

Akihiro Ikeshita, Mero-TSK, International

Illustration einer Antennenschüssel unter einem Sternhimmel, an dem ein Lichtblitz aufleuchtet

G. Perez/IAC/SMM

Mehrere Antennenschüsseln auf einem Hochplateau

Akira Okumura

Mehrere Arbeiter auf einer Stahlplattform durch ein Gitter fotografiert

Daniel López / IAC

CTA - Einzigartige globale Teleskophundertschaft

Das Weltall hält noch viele Geheimnisse für uns bereit. Insbesondere solche Prozesse, die Gammastrahlung mit extrem viel Energie freisetzen, sind noch nicht vollständig verstanden. Mit etwa hundert Großteleskopen stellt sich das Cherenkov-Teleskop-Array CTA der Herausforderung, die Geheimnisse zu lüften. Es wird energiereiche Gammastrahlen aus den Tiefen des Universums messen und ungeklärten Fragen über Galaxien, schwarze Löcher und dunkle Materie auf die Spur kommen.

  • Ort:
    La Palma (Spanien) und Cerro Paranal (Chile)

  • Baukosten:
    300 Millionen Euro (geplant)

  • Anzahl WissenschaftlerInnen:
    Konsortium mit 1400 Mitgliedern aus über 200 Instituten

  • Beteiligte Länder:
    Argentinien, Armenien, Australien, Brasilien, Bulgarien, Chile, Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Indien, Irland, Italien, Japan, Kanada, Kroatien, Mexiko, Namibia, Niederlande, Norwegen, Österreich, Polen, Schweden, Schweiz , Slowenien, Südafrika, Spanien, Tschechien, Ukraine, USA, Vereinigtes Königreich

  • Ziel:
    astronomische Gammastrahlung beobachten

  • Gerätetyp:
    Teleskopanordnung

  • Messmethode:
    Messung von Tscherenkow-Blitzen

  • Untersuchungsobjekt:
    Galaxien, Supernovae

  • Bauphase:
    2016 bis 2025

  • Rechtsform & beteiligte Institutionen:
    CTA Consortium

  • Größe:
    über 100 Teleskope mit bis zu 23 Meter Durchmesser

Welche Erkenntnisse das CTA liefert

Das Cherenkov Telescope Array CTA ist ein Netzwerk aus knapp hundert Teleskopen an zwei Standorten – auf La Palma auf der Nordhalbkugel und dem Berg Cerro Paranal in Chile auf der Südhalbkugel. Die Teleskope mit Spiegeln zwischen 4 und 23 Metern Durchmesser sind als Gesamtanordnung in der Lage, hochenergetische Strahlungsquellen aus allen Winkeln des Universums zu messen. Damit wird das CTA in den kommenden zwei Jahrzehnten das wichtigste Instrument der Astrophysik, um hochenergetische Gammastrahlung zu beobachten. Seine bisher unerreichte Empfindlichkeit und räumliche Auflösung ermöglicht neue Entdeckungen und Antworten auf viele grundlegende Fragen. Mit dem CTA vermessen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Zentrum unserer Milchstraße, untersuchen, wie Sterne entstehen, und suchen nach der rätselhaften Dunklen Materie. Aus den Ergebnissen erhoffen sich Forscherinnen und Forscher Antworten auf die spannenden Rätsel, die uns die Astrophysik noch heute bietet.

Heller Lichtblitz im All

Materiejet aus Galaxie M87

Anders als beispielsweise sichtbares Licht, Infrarotstrahlung oder Radiowellen stammt ein Großteil der astronomischen Gammastrahlung nicht von heißen Orten. Sie entsteht vielmehr, wenn geladene Teilchen hohe Geschwindigkeiten erreichen oder Materie und Antimaterie sich gegenseitig vernichten. Das passiert beispielsweise bei Sternexplosionen, in Schockwellen oder in der Umgebung kosmischer Magnetfelder.

Mit dem geplanten Tscherenkow-Teleskop wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler extrem energiereiche Teilchen untersuchen. Sie erforschen, in welchem Stadium der Sternexplosion extrem energiereiche Teilchen entstehen, wann diese Teilchen den Supernova-Überrest verlassen und wie sie sich in der Galaxis ausbreiten. Anhand der Gammaemission dieser Partikel wollen die Forschenden herausfinden, wie Supernovae als extrem effiziente Teilchenbeschleuniger im All fungieren. Sie werden auch auf die Suche nach sogenannten aktiven Galaxien gehen. Diese Galaxien schleudern Materie als gebündelten Strahl nahezu mit Lichtgeschwindigkeit von sich. Das CTA wird sogar mithelfen, das Rätsel der Dunklen Materie, die möglicherweise Spuren in Form von Gammastrahlung hinterlässt, zu lüften.

Wie das CTA funktioniert

Eiförmiges Metallgestell im Inneren mit Dräht verstrebt

Prototyp auf La Palma

Das CTA misst die Gammastrahlung nicht direkt, denn diese kann die Lufthülle unseres Planeten nicht durchdringen. Es nutzt stattdessen sogenannte Tscherenkow-Strahlung, die entsteht, wenn die extrem energiereichen Gammastrahlen beim Eintritt in die Atmosphäre mit Atomen und Molekülen kollidieren. Dabei entstehen zahlreiche neue Teilchen, die sich schneller als Licht in der Atmosphäre fortbewegen. Währenddessen senden sie schwache blaue Lichtblitze aus. Diese sogenannte Tscherenkow-Strahlung breitet sich in einem rund zehn Kilometer langen Lichtkegel aus. Am Boden lässt sich dieser Lichtkegel in einem kreisförmigen Gebiet von etwa 250 Metern Durchmesser beobachten. Mit den angeordneten Tscherenkow-Teleskopen rekonstruieren die Forschenden aus Form und Richtung des abgebildeten Lichtkegels, von welchem Ort am Himmel die kosmische Strahlung stammt. Die Intensität dieser Tscherenkow-Blitze ist ein Maß für die Energie der ursprünglichen Strahlung, die den atmosphärischen Teilchenschauer ausgelöst hat.

Mit seinen Spezifikationen ist das Cherenkov Telescope Array einzigartig. Es wird nicht nur deutlich umfangreicher, sondern auch wesentlich genauer messen als die Vorgänger H.E.S.S. und MAGIC. Sogar Gammaquellen, die bei verschiedenen Energien von 20 Gigaelektronenvolt bis 300 Teraelektronenvolt strahlen, wird es beobachten. Um die Quellen dieser intensivsten bekannten Strahlung aus dem All aufzuspüren, sollen unterschiedliche und verschieden große Teleskoptypen in drei verschiedenen Energiebereichen zum Einsatz kommen.

Wer am CTA beteiligt ist

Illustration mehrerer Antennenschüsseln, die in den Himmel ragen

Illustration des CTA

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das weltweit einzigartige Observatorium in seine Roadmap für Forschungsinfrastrukturen aufgenommen. Denn das Observatorium vertieft unser Verständnis des Universums und bietet zugleich viel Innovationspotenzial. Tatsächlich wurde die Gamma-Astronomie bei sehr hohen Energien wesentlich in Deutschland entwickelt. Damit haben Forscherinnen und Forscher große wissenschaftliche Expertise im Bereich der Hochenergie-Astrophysik in Deutschland aufgebaut. Mit einer starken Beteiligung baut Deutschland diese Führungsrolle weiter aus. Die Teleskopanordnung ist auch Teil der ESFRI-Roadmap, einem Strategiepapier des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen.

Im Rahmen der Projektförderung stellte das BMBF seit 2009 insgesamt rund 8,4 Millionen Euro für deutsche Beiträge zur Vorbereitung des CTA bereit. Dabei beteiligen sich Hochschulen daran, Forschungsinfrastrukturen weiterzuentwickeln. Im aktuellen Förderzeitraum 2017 bis 2020 beläuft sich die Fördersumme auf rund 3,5 Millionen Euro. In diesem Verbundprojekt entwickeln vier deutsche Universitäten unter anderem Kontrollsystem, Steuerung und Kalibrationshardware eines Prototypteleskops sowie Teleskopsoftware. Die Gamma-Astronomen greifen in Deutschland auf reiche Erfahrungen mit den Teleskopsystemen MAGIC und H.E.S.S zurück. Auch diese Systeme hat das BMBF gefördert. Zudem sind die institutionell geförderten Max-Planck-Institute für Kernphysik und für Physik sowie das Helmholtz-Zentrum DESY maßgeblich an der Vorbereitung beteiligt. Sie bringen ihre Expertise in der Hochgeschwindigkeits-Datenaufnahme und Datenverarbeitung ein.

Was gerade am CTA passiert

Noch sind die Observatorien MAGIC auf den kanarischen Inseln und H.E.S.S. in Namibia, die ebenfalls vom BMBF gefördert wurden, in Betrieb. Dort untersuchen Astrophysikerinnen und -physiker die Gammastrahlung aus dem Universum von der Erde aus. Die beiden Observatorien messen jedoch bei weitem nicht so genau wie es mit dem CTA möglich sein wird.

Anordnung der CTA-Teleskope

Mehrere Dutzend Einzelteleskope in drei verschiedenen Größen, jeweils an einem Standort auf der Nord- und einem auf der Südhalbkugel, wird dieses globale Observatorium umfassen. Auf diese Weise lässt sich der gesamte Himmel in einem breiten Energiebereich absuchen. Nach einer vierjährigen Planungsphase bis August 2014 beschloss das Planungsgremium im Sommer 2015, mit zwei Observatorien intensiv zu verhandeln. Bald darauf folgte die Entscheidung: Der nördliche Teil wird am Observatorium del Roque de los Muchachos auf der kanarischen Insel La Palma errichtet. Der südlich Teils entsteht am Paranal-Observatorium der European Southern Observatory (ESO) in Chile.

Nachdem bereits Prototypen in Zeuthen bei Berlin, in Polen und in Sizilien im Test sind, war es dann im Oktober 2018 so weit: Das erste Teleskop auf La Palma wurde feierlich eröffnet. Der Bau aller geplanten Instrumente wird voraussichtlich bis 2025 dauern. Bereits 2022 sollen die Teleskope in den regulären Betrieb gehen und Gammastrahlungsquellen im Universum beobachten.


Stand: Januar 2019

Quelle: https://fis-landschaft.de/universum/cta/