Kosmische Beschleuniger – Astronomie bei höchsten Energien


Wie die H.E.S.S.-Teleskope den Supernova-Überrest RX J1713-3946 sehen.

Auf dem Gebiet der Hochenergieastrophysik arbeiten am MPIK experimentell und theoretisch orientierte Astrophysiker eng zusammen. Mit dem High Energy Stereoscopic System H.E.S.S. in Namibia und dem High Altitude Water Cherenkov Detector HAWC in Mexiko beobachten sie sehr hochenergetische (VHE) Gammastrahlen aus dem Kosmos, um damit nichtthermische Phänomene im Universum zu studieren und die Beschleunigungsmechanismen in den kosmischen Quellen zu verstehen.

Im Gegensatz zur elektromagnetischen Strahlung in den meisten anderen Wellenlängenbereichen können Gammastrahlen im VHE-Bereich nicht als thermische Strahlung erzeugt werden; nur im Urknall waren die Temperaturen kurzzeitig hoch genug. VHE-Gammastrahlen entstehen, wenn stark beschleunigte geladene 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 zu studieren.

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 von Galaxien zurück diffundieren. Am Institut wird daran gearbeitet, die Vorgänge in den unterschiedlichen Typen von kosmischen Beschleunigern zu modellieren und theoretisch zu beschreiben.

Seit der Inbetriebnahme des ersten Teleskops 2002 hat H.E.S.S. rund 80 VHE-Gammaquellen entlang der Milchstraße entdeckt, die überwiegend auch bei anderen Wellenlängen sichtbar sind. Am häufigsten handelt es sich dabei um Supernova-Überreste oder Pulsarwindnebel. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße erwies sich als kosmisches „Pevatron“, das Teilchen extrem beschleunigt und teilweise für die galaktische kosmische Strahlung verantwortlich ist. In der benachbarten Großen Magellanschen Wolke hat H.E.S.S. mehrere extrem leuchtstarke Quellen identifiziert. Außerdem erscheinen Galaxien mit aktiven Kernen und Starburstgalaxien als schwache Objekte. Mit seinem Weitwinkelblick ist HAWC besonders geeignet, ausgedehnte Objekte wie Pulsarwindnebel zu studieren. Um die diversen Objekte zu verstehen, müssen alle Wellenlängenbereiche betrachtet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Infrarotlicht, in dem sich die an der Erzeugung von Gammastrahlen beteiligte interstellare Materie zeigt.

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Theoretische Astrophysik (pdf)
H.E.S.S.: Kosmische Beschleuniger im Gammalicht (pdf)
HAWC: Weitwinkelblick auf das nicht-thermische Universum (pdf)

Tscherenkow-Teleskope und Wasser-Tscherenkow-Detektoren


Beobachtung von Gammastrahlen mit Tscherenkow-Teleskopen.

VHE-Gammastrahlen aus dem Weltraum – eine Billion mal energiereicher als sichtbares Licht – erreichen die Erdoberfläche nicht. Trotzdem kann man sie am Boden registrieren, mit der Atmosphäre als Detektor. Beim Eintritt in die Atmosphäre stoßen die Gammaquanten mit Atomkernen zusammen, wobei Kaskaden geladener Sekundärteilchen, sogenannte Teilchenschauer entstehen. Diese emittieren extrem kurze und schwache bläuliche Lichtblitze (Tscherenkow-Licht), die – bei Dunkelheit – mit großen Spiegelteleskopen und schnellen Lichtsensoren beobachtbar sind. Stereoskopische Beobachtung mit mehreren Teleskopen ermöglicht es, die genaue Richtung zu ermitteln, aus der die Gammaquanten kommen.

H.E.S.S. besteht aus fünf Teleskopen, von denen vier baugleich sind. Diese haben je 107 m2 Spiegelfläche und bilden die Ecken eines Quadrats mit 120 m Kantenlänge. Die Kamera – eine Matrix aus 960 Lichtsensoren – befindet sich im Fokus des Spiegels. H.E.S.S. konnte als erstes Instrument aufgelöste Bilder astrophysikalischer Gammaquellen aufnehmen. In der Mitte des Quadrats steht seit 2012 ein fünftes, riesiges Teleskop mit 614 m2 Spiegelfläche und einer 2048-Pixel-Kamera. Es erhöht die Empfindlichkeit des Systems stark und dehnt den beobachtbaren Energiebereich zu niedrigeren Energien aus.

Als nächstes, wesentlich leistungsstärkeres Observatorium ist CTA, Cherenkov Telescope Array, mit insgesamt rund 120 Teleskopen in drei verschiedenen Größen in Chile und La Palma in Vorbereitung. CTA wird eine bessere Auflösung, höhere Empfindlichkeit, einen größeren Energiebereich und eine mehrere Quadratkilometer große Sammelfläche bei den höchsten Energien haben. Das MPIK entwickelt neuartige Kameras für mittelgroße und kleine Teleskope.

An hochgelegenen Orten lassen sich die Schauerteilchen – rund um die Uhr – direkt nachweisen, und zwar mit wassergefüllten Detektoren, worin sie ebenfalls Tscherenkow-Licht erzeugen. 300 dicht beieinander stehende Tanks auf 4100 m Höhe bilden das Haupt-Detektorfeld von HAWC. Die Tanks sind mit hochreinem Wasser gefüllt und mit Lichtsensoren bestückt. Um sie herum stehen 350 locker angeordnete kleinere ‚Outrigger‘-Tanks, die wesentlich die Charakterisierung von Teilchenschauern verbessern, die im Randbereich des Hauptfeldes auftreffen.

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HAWC: Weitwinkelblick auf das nicht-thermische Universum (pdf)
Hochleistungskameras für die Tscherenkow-Teleskope von CTA (pdf)

Materie und Antimaterie – Suche nach dem entscheidenden Unterschied


Es gibt keine Hinweise, dass irgendwo im sichtbaren Universum nennenswerte Mengen Antimaterie existieren. Weil im Urknall gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein müssen, muss es einen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen geben. Sonst hätten sie sich komplett vernichtet, und das Universum bestünde aus reiner Strahlung.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik kann den beobachteten Materieüberschuss im Universum nicht erklären. Diese Symmetrieverletzung muss im frühen Universum passiert sein. Ein Szenario, in dem Neutrinos die entscheidende Rolle spielen, ist die sogenannte Leptogenese, die Theoretiker am MPIK untersuchen. Die Asymmetrie bei leichten Teilchen führt dann zur beobachteten Asymmetrie bei schweren Teilchen.

Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN sucht nach Materie/Antimaterie-Unterschieden. Bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen – neben vielen anderen Teilchen – sogenannte B-Mesonen, schwere Teilchen, die aus je einem leichten Quark und schweren Antiquark bestehen; bei ihren Antiteilchen ist es umgekehrt. Messungen ihrer Zerfälle, die zu gleichen Anteilen von Materie und Antimaterie führen, zeigten, dass hierbei die Antimaterie schneller verschwindet – allerdings im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik.

Messungen sowohl der Massen als auch der magnetischen Momente von Antiproton und Proton in Penningfallen ergaben bisher trotz höchster Präzision keinerlei Unterschiede. Fortschritte in der Messtechnik könnten das Rätsel aber doch noch lösen.

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Das LHCb-Experiment: Elementarteilchenphysik an der Teraskala (pdf)
Penning-Fallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen (pdf)
Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie (pdf)

Das frühe Universum – Elementarteilchen bei höchsten Energien


Darstellung eines Teilchenschauers im LHCb-Detektor, der von einer Proton-Blei-Kollision im LHC ausgeht.

Unmittelbar nach dem Urknall bildete die extrem heiße Materie aus Quarks und Gluonen ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Auch in sehr energiereichen Stößen von Kernen schwerer Elemente kann für extrem kurze Zeitspannen ein Quark-Gluon-Plasma von Atomkerngröße entstehen. Um dieses besser zu verstehen, werden mit LHCb die in energiereichen Proton-Blei- und Blei-Blei-Kollisionen gebildeten Teilchen untersucht.

Ein weiteres, theoretisch behandeltes Thema ist die Verbindung zwischen kosmischer Inflation und Hochenergie-Teilchenphysik. Auch Gravitationswellen könnten Hinweise auf höchstenergetische Vorgänge im frühen Universum liefern.

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Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie (pdf)
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Max-Planck-Gesellschaft

02.10.18

Einzigartiges Verhalten von Quecksilberkernen aufgeklärt

Deformierte Atomkerne präzise vermessen



10.09.18

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Am Freitag, dem 14. September, begeht die...


23.07.18

Wasser verstärkt Strahlenschäden

Durch den Energietransfer von der Hydrathülle auf ein...