CTAO – Einzigartige globale Teleskophundertschaft

Das Cherenkov Telescope Array Observatory CTAO ist ein Netzwerk aus knapp 60 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 CTAO 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 CTAO 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.

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 CTAO wird sogar mithelfen, das Rätsel der Dunklen Materie, die möglicherweise Spuren in Form von Gammastrahlung hinterlässt, zu lüften.

Prototyp auf La Palma

Das CTAO 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.

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.

Das BMBF fördert CTAO im Rahmen der Projektförderung seit 2009. In den geförderten Projekten entwickeln deutsche Universitäten unter anderem Kontrollsystem, Steuerung und Kalibrationshardware eines Prototypteleskops sowie Teleskopsoftware. Die Gamma-Astronominnen und 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.

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 CTAO möglich sein wird.

Anordnung der CTAO-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 und nimmt erste wissenschaftliche Daten. Der Bau aller geplanten Instrumente wird voraussichtlich bis 2028 dauern.