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Gammastrahlen-Astronomie: Blaue Blitze aus dem All

Seit 15 Jahren suchen zwei europäische Observatorien den Nachthimmel nach Gammastrahlung ab - und haben spektakuläre neue Einblicke in den Kosmos gebracht.
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Es begann mit einer Mülltonne. Vor 56 Jahren trugen zwei junge Wissenschaftler des britischen Atomenergielaboratoriums sie in einer Septembernacht auf ein Feld des südenglischen Dörfchens Harwell. Die Tonne hatten William Galbraith und John Jelley mit einem 25-Zentimeter Parabolspiegel und einer Röhre ausgestattet, die Lichtteilchen vervielfältigen sollte.

Die beiden waren aber keine Hobbyastronomen. Sie wollten beweisen, was fünf Jahre zuvor der Physiker Patrick Blackett auf einer Konferenz vorhergesagt hatte: Dass ein Teil der natürlichen Helligkeit des Nachthimmels von Lichtblitzen stammt, die nur Sekundenbruchteile währen und damit eigentlich unsichtbar sind für menschliche Augen. Ausgelöst werden sollten die bläulichen Blitze durch Teilchen aus den Tiefen des Alls, spekulierte Blackett.

Schon damals war klar: Die Erde wird unablässig von dieser kosmischen Strahlung bombardiert, einem Sammelsurium aus Atomkernen, Elektronen und energiereichen Lichtteilchen. Sie stoßen immer wieder mit Luftmolekülen in der Atmosphäre zusammen. Die Partikel aus dem Weltall werden dabei absorbiert und stoßen Kaskaden aus tausenden »Sekundärteilchen« an, unter anderem die positiv geladenen Positronen und allerlei Atomkerne, die sich schneller als das Licht gen Erdboden bewegen. Das ist möglich, weil die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wie der Luft gegenüber der Vakuumlichtgeschwindigkeit (der ultimativen Geschwindigkeitsbegrenzung für Materie) herabgesetzt ist.

Überschallknall für Elementarteilchen

Wenn Flugzeuge sich schneller als der Schall bewegen, entsteht ein Überschallknall. Bei überlichtschnellen Teilchen breitet sich etwas Vergleichbares aus: Die blauen Lichtblitze. Der Effekt ist nach dem russischen Physiker und Nobelpreisträger Pawel Tscherenkow (in englischer Schreibweise »Cherenkov«) benannt, der ihn in den 1930er Jahren erstmals beschrieb. Bekannt ist das Tscherenkow-Licht zum Beispiel auch von nuklearen Brennstäben im Abklingbecken eines Kernreaktors: Hier treten Teilchen aus den Stäben aus, die schneller sind als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser.

Im September 1962 fing Galbraith und Jelleys Messapparatur erstmals solche Lichtpulse auf. Um zu beweisen, dass sie tatsächlich von den Sekundärteilchenkaskaden stammten, koppelten die beiden Jungforscher ihren Mülltonnendetektor an ein Netzwerk aus Geiger-Müller-Zählern. Und siehe da: Die Blitze traten immer genau dann auf, wenn auch die Zählrohre die Ankunft von geladenen Teilchen registrierten. Patrick Blackett hatte also Recht: Die Tscherenkow-Strahlung aus der Atmosphäre existierte wirklich. Sie ist ein Grund dafür, weshalb der Nachthimmel, selbst in völlig dunklen Gegenden niemals 100-prozentig schwarz ist – auch wenn ihr Beitrag gegenüber anderen Faktoren sehr klein ist.

Gammastrahlenquellen in der Milchstraße über einem der H.E.S.S.-Teleskope in Namibia (Fotomontage).Laden...
H.E.S.S.-Observatorium | Gammastrahlenquellen in der Milchstraße über einem der H.E.S.S.-Teleskope in Namibia (Fotomontage).

Nicht nur geladene Teilchen können Tscherenkow-Blitze in der Atmosphäre auslösen. Auch ein Teil der elektromagnetischen Strahlung ist dazu in der Lage. Sofern sie millionenfach mehr Energie trägt als sichtbares Licht, ähnelt sie einem Strom aus energiereichen Teilchen, Wissenschaftler sprechen von Gammaquanten. Mit klassischen Teleskopen kann man sie allerdings nicht beobachten. Außerdem erreicht uns die Gammastrahlung selbst gar nicht, da die Lichtteilchen – genauso wie Teilchen der kosmischen Strahlung – in der Erdatmosphäre absorbiert werden.

Astronomen haben daher zunächst nur mit Hilfe von Satelliten nach den energiereichen Photonen aus dem All Ausschau gehalten. Galbraiths und Jelleys Entdeckung eröffnete aber die Möglichkeit, Gammastrahlung auch indirekt vom Erdboden aus zu beobachten. Ihr »Mülltonnenteleskop« konnte allerdings weder sagen, ob die geladenen Teilchen auf geladene Atomkerne oder auf Gammastrahlung zurückgehen, noch konnte es die Herkunftsrichtung bestimmen. Nachfolger des Instruments waren dazu sehr wohl im Stande, auch wenn bis zur eigentlichen Geburtsstunde einer Tscherenkow-Gamma-Astronomie noch mehr als drei Jahrzehnte vergehen sollten.

Der Vater der Gamma-Astronomie

Wenn vom »Vater« der Tscherenkow-Gamma-Astronomie gesprochen wird, ist meistens Trevor Weekes gemeint. Große Arbeitsgruppen behagten dem irischen Astrophysiker nicht, deshalb wählte er in den späten 1960er Jahren ein überschaubareres Betätigungsfeld. In jahrelanger Arbeit entwickelte Weekes zusammen mit seinen Kollegen das erste bildgebende Tscherenkow-Teleskop für kosmische Gammastrahlung: Das Zehn-Meter-Gammateleskop des Whipple-Observatoriums auf dem Mount Hopkins in Arizona. Dessen enorme Lichtsammelfläche setzt sich aus vielen kleinen Spiegeln zusammen – ein Design, dass sich durchsetzen sollte.

Weekes Team entwickelte weitere Technologien und Verfahren der Gamma-Astronomie. So benötigte man extrem lichtempfindliche Detektoren, so genannte Photomultiplier, um die schwachen und kurzen Lichtblitze überhaupt nachzuweisen. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die von Gammastrahlen erzeugten Tscherenkow-Blitze von denen zu unterscheiden, die von geladenen Teilchen, etwa Protonen oder Elektronen, ausgelöst werden. Zum Glück sehen Teilchenkaskaden ein wenig anders aus, wenn sie auf Gammaquanten zurückgehen.

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Supernova-Überrest | Bild des Supernova-Überrests RX J1713.7-4946 im Sternbild Scorpio im Gammalicht, das den H.E.S.S.-Teleskopen bereits im Jahr 2004 gelang. Die Farbskala veranschaulicht die Zahl der gemessenen Gammaquanten.

Astrophysiker erkannten auch bald, dass die hochenergetischen Lichtteilchen wertvolle Informationen über das Universum enthalten: Gammastrahlen fliegen genauso wie Lichtstrahlen in der Regel geradeaus, sie weisen also auf ihre astrophysikalische Quelle zurück. Für geladene Teilchen wie Protonen oder Elektronen gilt das nicht – ihre Bahn wird von Magnetfeldern im Weltall immer wieder verändert. Wo sie herkommen, kann man daher in den allermeisten Fällen nicht sagen.

Lange Zeit sah es allerdings so aus, als führten alle Bemühungen einer systematischen Auswertung der extraterrestrischen Gammaquanten in eine Sackgasse. Drei Jahre lang versuchten Weekes und sein Team, Signale vom Krebsnebel im Sternbild Stier zu empfangen – vergeblich. Der Krebsnebel ist der Überrest einer im Jahr 1054 aufgeflammten Supernova, eines explodierten Riesensterns. Den Theoretikern zufolge müsste er jede Menge Gammastrahlung abgeben. Mehrere von Weekes Mitarbeiter hatten das Team bereits verlassen, da gelang es 1989 doch noch, den Nebel als ersten Objekt mit einem bildgebenden Tscherenkow-Teleskop abzulichten. Es war gewissermaßen die Geburtsstunde der erdgebundenen Gamma-Astronomie.

Astrophysiker können nun »natürliche Teilchenbeschleuniger« untersuchen, bei Energien, von denen ihre Kollegen am LHC nur träumen können.

Der Erfolg wirkte wie eine Initialzündung: Mehr und mehr Wissenschaftler begannen in den 1990er Jahren, sich für das neu entstehende Feld zu interessieren. Unter ihnen waren nicht nur Astronomen, sondern auch Elementarteilchenphysiker: Einerseits ähneln die Techniken, die zum Nachweis der Gammastrahlung erforderlich sind, mehr den Methoden in unterirdischen Beschleunigerlaboren als denen von Astronomen. Und zweitens ist die Gammastrahlung nicht einfach nur energiereicher als sichtbares Licht. Sie entsteht auch ganz anders.

Das Licht der Sterne stammt aus den heißen Sternatmosphären – je heißer der Stern, desto energiereicher sein Licht. Man spricht von thermischer Strahlung. Gammalicht ist aber so energiereich, dass ein Objekt millionenfach heißer sein müsste als die heißesten Sterne im Weltall – solche Objekte gibt es nach heutigem Kenntnisstand aber nicht. Vielmehr benötigt die Gammastrahlung als Zwischenschritt die Beschleunigung geladener Teilchen in starken Magnetfeldern: Erst die auf hohe Energien gebrachten Teilchen erzeugen entsprechend energiereiche, nichtthermische Gammaquanten.

Gammaastronomie verspricht also nicht nur Einblicke in die die exotischsten Objekte, die das Universum zu bieten hat – explodierte Riesensterne, Pulsare oder Materie verschlingende Schwarze Löcher – sie ermöglicht auch die Untersuchung der Materie selbst. Denn durch sie können Physiker »natürliche Teilchenbeschleuniger« untersuchen – bei Energien, von denen ihre Kollegen am 27 Kilometer großen »Large Hadron Collider« (LHC) in Genf nur träumen können.

Europa überholt Amerika

Gerade die besonders interessanten, weil extrem energiereichen Gammaphotonen sind sehr selten. Satelliten sind zu klein, um eine ausreichende Zahl von ihnen in akzeptabler Zeit zu sammeln. Und auch der Zehn-Meter-Whipple-Spiegel stieß bald an seine Grenzen. Der nächste logische Schritt sollte deshalb der Bau eines Tscherenkow-Gammaobservatoriums mit mehreren Teleskopen sein, die im Verbund arbeiten. Auf diese Weise wird nicht nur die Nachweisempfindlichkeit erhöht, sondern auch die Genauigkeit, mit der die Herkunft der Gammastrahlung am Himmel lokalisiert werden kann: Die Bilder der Gammateleskope werden schärfer.

Das H.E.S.S.-Teleskop in NamibiaLaden...
H.E.S.S.-Teleskope in Namibia

Doch in den USA stießen die Forscher auf den Widerstand von Ureinwohnern, die ihr Land nicht für ein solches Teleskop hergeben wollten. Man entschied sich schließlich als Notlösung für ein Gelände unweit des Besucherzentrums auf dem Mount Hopkins. Die Verzögerungen waren beträchtlich: Erst 2007 konnte das VERITAS genannte Netzwerk aus vier Zwölf-Meter-Teleskopen in Betrieb gehen.

Da hatten die Europäer ihre amerikanischen Kollegen bereits überholt. Schon 2003 war auf der Kanareninsel La Palma MAGIC-I in Betrieb gegangen, ein einzelnes 17-Meter-Teleskop, das unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Physik in München entwickelt worden war. Im selben Zeitraum nahm in Namibia das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) seinen Betrieb auf, das nach der Fertigstellung mit vier 13-Meter-Spiegeln auf Gammastrahlenjagd ging, unter führender Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg. Beide Systeme wurden zwischenzeitlich aufgerüstet: MAGIC durch das Zwillingsteleskop MAGIC-II im Jahr 2008 und H.E.S.S. durch ein fünftes, 28 Meter messendes Teleskop im Jahr 2012 – bis dato das größte Tscherenkow-Teleskop der Welt.

Ein Tscherenkowlicht-Observatorium

Mit MAGIC, H.E.S.S. und VERITAS wurde die erdgebundene Gamma-Astronomie erwachsen. Supernova-Überreste, aktive Galaxienkerne, Schwarze Löcher und Pulsare werden inzwischen regelmäßig beobachtet. Und doch ist die erdgebundene Gamma-Astronomie nach wie vor ein junges Forschungsfeld – eines, in dem noch immer viele Erstentdeckungen gemacht werden. So sah MAGIC im Jahr 2006 den ersten Quasar (der aktive Kern einer Galaxie) im Gammalicht, 2008 den ersten Pulsar (einen schnell rotierenden Neutronenstern) im Zentrum des Krebsnebels. Den Entdeckerrekord halten momentan die H.E.S.S.-Teleskope. Seit 2003 haben sie in rund 2700 Beobachtungsstunden den gesamten von Namibia aus zugänglichen Himmel nach energiereichen Gammaquellen abgesucht. Sie fanden 78 Ursprungsorte für die energiereichste Strahlung – mehr als alle anderen Gammaobservatorien zusammen.

Bei vielen dieser Quellen steht eine eingehende Untersuchung noch aus, und deshalb weiß man bei etlichen noch gar nicht, worum es sich eigentlich handelt. Im April 2018 haben die beteiligten Wissenschaftler einen umfangreichen Katalog mit den bisherigen Ergebnissen veröffentlicht – der bisherige Höhepunkt der Tscherenkow-Gamma-Astronomie, und gleichzeitig auch ein Anfang: So wie die Karten der ersten Seefahrer aus heutiger Sicht ungelenk wirken und mit weißen Flecken übersät waren, ist auch die Karte des Gammakosmos noch sehr grob. Es wird Generationen von Astronomen und Physikern beschäftigen, diese Karte zu verfeinern.

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CTA-Teleskop | Ein erstes Prototyp-Teleskop des Gammaastronomie-Observatoriums CTA ist auf der Kanareninsel La Palma im Bau, dieses Bild zeigt den Fortschritt Ende Juni 2018.

Das Instrument dafür entsteht ist bereits im Bau: Das Cherenkov Telescope Array, kurz CTA, wird nicht nicht nur der größere und potentere Nachfolger von H.E.S.S. und Co sein. Es wird auch das erste »richtige« Tscherenkow-Observatorium sein, also eines, dass nicht nur einer einzelnen Forschergruppe zur Verfügung steht. Zu seiner Verwirklichung haben sich Wissenschaftler der drei existierenden Kollaborationen zusammengeschlossen.

Zwei Standorte wird das CTA haben, wenn es im kommenden Jahrzehnt in Betrieb geht. Ein südlicher in Chile, unweit des Paranal-Observatoriums der Europäischen Südsternwarte. Und ein nördlicher auf der Kanareninsel La Palma. Das garantiert, dass Gamma-Astronomen zukünftig den gesamten Himmel im Blick haben werden. Während auf La Palma bereits der erste Prototyp eines 23-Meter-CTA-Teleskop in vollem Gang ist, wartet man in Chile noch auf die Erteilung der notwendigen Genehmigungen. Später sollen auf La Palma 19, in Chile sogar 99 Teleskope im Verbund auf die blauen Blitze aus dem Kosmos lauern. Was vor mehr als 60 Jahren mit einem Experiment zweier Physiker auf einer englischen Dorfwiese begann, wird dann endgültig ein nicht mehr wegzudenkender Teil der astrophysikalischen Forschung sein.

Anmerkung: Wegen eines HTML-Fehlers war die Passage über den Quellenkatalog in einer früheren Version des Artikels unvollständig, mehrere Sätze haben an dieser Stelle gefehlt. Der Katalog wurde von den H.E.S.S.-Teleskopen erstellt, nicht von MAGIC. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.

33/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2018

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