Auf dem Gebiet der Hochenergieastrophysik arbeiten am MPIK Experimentatoren mit Erfahrung in der Teilchenphysik eng mit mehr theoretisch orientierten Astrophysikern zusammen. Mit dem High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. beobachten sie höchst­energetische (VHE) Gammastrahlen aus dem Kosmos, um damit nicht-thermische Phänomene im Universum zu studieren, und erforschen die Beschleunigungsmechanismen in den kosmischen Quellen hochenergetischer Teilchen.

Anders als die elektromagnetische Strahlung in den meisten anderen Wellenlängenbereichen können Teilchen im VHE-Bereich nicht thermisch erzeugt werden; nur im Urknall waren die Temperaturen kurzzeitig hoch genug. Man geht davon aus, dass stattdessen kollektive nicht-thermische Mechanismen für die Beschleunigung verantwortlich sind: Geladene Teilchen gewinnen zunehmend Energie, indem sie immer wieder in die Schockfront gigantischer Schockwellen von Supernovaexplosionen oder in die Plasmajets aus der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher in den Zentren aktiver Galaxien zurück diffundieren. Am Institut wird daran gearbeitet, die Vorgänge in den unterschiedlichen Typen von kosmischen Beschleunigern zu modellieren und theoretisch zu beschreiben.

Die auf der Erde beobachteten VHE-Gammastrahlen entstehen, wenn die beschleunigten geladenen Teilchen mit dem umgebenden Medium reagieren – entweder interstellares Gas oder Strahlungsfelder. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen breiten sich die Gammastrahlen geradlinig von der Quelle zum Beobachter aus und ermöglichen so, die Quellen abzubilden und die Vorgänge in der Beschleunigungsregion zu untersuchen.

Seit ihrer Inbetriebnahme Anfang 2004 haben die H.E.S.S.-Teleskope mehr als 60 VHE-Gammaquellen entlang der Milchstraße wie Supernovaüberreste oder Pulsarwindnebel entdeckt, die auch in anderen Wellenbändern von Radiowellen bis Röntgenstrahlen sichtbar sind. Daneben gibt es eine Reihe unidentifizierter, sogenannter dunkler Quellen. Besonders interessant ist das Zentrum der Milchstraße mit dem supermassiven Schwarzen Loch, das mittlerweile als Gammastrahlenquelle identifiziert ist. Außerhalb der Milchstraße erscheinen Galaxien mit aktiven Kernen, Starburst- und Radiogalaxien als schwache Objekte im VHE-Gammalicht. Um die Objekte zu verstehen, müssen alle Wellenlängenbereiche betrachtet werden.

Die an der Erzeugung von Gammastrahlen beteiligte interstellare Materie zeigt sich im Infrarotlicht. Modelle für die kombinierte Analyse des direkten UV/sichtbaren Lichts von Galaxien und des indirekten Infrarots werden am MPIK entwickelt und angewandt.

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Theoretische Astrophysik (pdf)
H.E.S.S.: Kosmische Beschleuniger im Gammalicht (pdf)

VHE-Gammastrahlen aus dem Weltraum – eine Billion mal energiereicher als sichtbares Licht – erreichen die Erdoberfläche nicht. Trotzdem können sie am Boden registriert werden, mit der Atmosphäre als Detektor. Beim Eintritt in die Atmosphäre stoßen die Gammaquanten mit Molekülen zusammen, wobei Kaskaden geladener Sekundärteilchen, sogenannte Teilchenschauer entstehen. Diese emittieren extrem kurze bläuliche Lichtblitze (Tscherenkow-Licht), die am Boden eine Fläche von ~250 m Durchmesser beleuchten und in dunklen mondlosen Nächten mit großen Spiegelteleskopen und schnellen Lichtsensoren beobachtbar sind. Stereoskopische gleichzeitige Beobachtung mit mehreren Teleskopen ermöglicht es, die genaue Richtung zu ermitteln, aus der die Teilchenschauer kommen.

Das High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. besteht aus vier baugleichen Teleskopen mit 107 m² Spiegelfläche, aufgestellt an den Ecken eines Quadrats mit 120 m Kantenlänge. Die „Kamera“ – eine Matrix aus 960 Lichtsensoren – im Fokus jedes Spiegels hat ein großes Blickfeld. Damit ist H.E.S.S. besonders für Himmelsdurchmusterungen geeignet. H.E.S.S. konnte als erstes Instrument einen Supernovaüberrest im VHE-Gammalicht aufgelöst abbilden. In der Mitte des Quadrats steht ein fünftes, riesiges Teleskop mit 600 m² Spiegelfläche kurz vor der Fertigstellung. Es wird die Empfindlichkeit des Systems stark erhöhen und den beobachtbaren Energiebereich zu niedrigeren Energien ausdehnen. Der Standort auf der Südhalbkugel in Namibia ermöglicht einen direkten Blick in das Zentrum der Milchstraße.

Als nächste Instrumentengeneration für die VHE-Gammastrahlen-Astronomie ist bereits CTA, Cherenkov Telescope Array, in Vorbereitung.

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Heute besteht das gesamte sichtbare Universum aus Materie, nicht aus Antimaterie. Weil im Urknall gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sind, muss es einen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen geben. Sonst hätten sie sich komplett vernichtet, und das Universum bestünde aus reiner Strahlung. Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN versucht dieses Rätsel zu lösen und sucht nach Physik jenseits des etablierten Standardmodells. In seltenen Zerfällen schwerer Quarks zeigten sich erste Hinweise auf unterschiedliches Verhalten von Teilchen und Antiteilchen. 2011 begann LHCb mit der Suche nach „neuer Physik“ in B-Meson-Zerfällen. Physiker und Elektroniker am MPIK haben strahlungsfeste Elektronikkomponenten entwickelt, gebaut und getestet, die im LHCb-Detektor die Spuren geladener Teilchen aufzeichnen. Jetzt beteiligen sich die Forscher an der Datenanalyse, die fortschrittliche Methoden erfordert.

Am MPIK wird auch an der Präparation ultrakalter negativer Ionen gearbeitet, um Antiprotonen zu kühlen, die erforderlich sind, um kalten Antiwasserstoff durch Rekombination mit Positronen herzustellen. Damit können die Eigenschaften von Antimaterie direkt präzise gemessen werden, z. B. deren freier Fall durch Schwerkraft. Zum Test grundlegender Symmetrien lassen sich an einzelnen, bei tiefer Temperatur in einer Penningfalle gefangenen Protonen oder Antiprotonen deren magnetische Momente genau bestimmen.

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Das LHCb-Experiment: B-Physik, Antimaterie und Dunkle Materie (pdf)
Präzisionsmessungen mit Antimaterie: Antiwasserstoff im Labor (pdf)
Präzisionsexperimente in Penning-Fallen: Messungen an einzelnen Ionen (pdf)