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03.07.2014:
Den Vela-Pulsar im Blick

Erste Daten von H.E.S.S. II zeigen das gepulste Signal im Gammalicht

Erfolgreicher Neuling: Das 28-Meter-H.E.S.S.-II-Teleskop inmitten des H.E.S.S.-Tscherenkow-Teleskop-Arrays. © MPIK/Christian Föhr

Stürmisches All: Der Vela-Pulsar und sein umgebender Pulsarwindnebel, gesehen vom Chandra-Röntgensatelliten. © NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al.

Rot auf weiß: Periodische Gammastrahlenpulse des Vela-Pulsars in den Daten des H.E.S.S.-Experiments. Eine Periode entspricht 89 Millisekunden. © H.E.S.S.-Kollaboration

Der Vela-Pulsar hat dem neuen 28-Meter Tscherenkow-Teleskop in Namibia eine gelungene Premiere verschafft. Forscher haben an ihm erstmals gepulste Gammastrahlung am Südhimmel gemessen und damit einmal mehr die Leistungsfähigkeit des High Energy Spectroscopic System (H.E.S.S.) unter Beweis gestellt. Der Himmelskörper im Sternbild Vela (Segel) ist somit der zweite Pulsar überhaupt, den man vom Boden aus im Bereich der Gammastrahlen nachgewiesen hat. Konstruktion und Aufbau des 28-Meter-Teleskops wurden vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik geleitet.

„Der Bau des größten Teleskops dieser Art war eine massive Herausforderung. Wir mussten 600 Tonnen Stahl mit hoher Präzision montieren. Das neue Teleskop erlaubt uns nun das Studium neuer Quellentypen und die Erforschung einer großen Bandbreite astrophysikalischer Phänomene“, sagt Michael Panter, Physiker am Max-Planck-Institut für Kernphysik und Koordinator für den Bau des Teleskops. Etwa die Hälfte der Projektmittel hat die Max-Planck-Gesellschaft finanziert. Die Instrumentierung der Fokalebene wurde in Frankreich entwickelt.

Mit der Erweiterung des H.E.S.S.-Experiments in Namibia um ein fünftes Teleskop (CT5) ist H.E.S.S. seit dem Jahr 2012 weltweit das erste Tscherenkow-System, das synchron mit Teleskopen verschiedener Größe sehr hochenergetische kosmische Gammastrahlen nachweisen kann. Der neue 28-Meter-Spiegel befindet sich in der Mitte der Anordnung und erweitert den Bereich messbarer Gamma-Energien und damit den Nachweis kosmischer Beschleuniger bis herunter zu 30 Gigaelektronenvolt (GeV).

Forscher aus ganz Europa hatten ein maßgeschneidertes Analyseverfahren zur Rekonstruktion der Gammastrahlen im unteren Energiebereich entwickelt. Damit waren die H.E.S.S.-Wissenschaftler in der Lage, ein sich wiederholendes gepulstes Gammastrahlen-Signal im Energiebereich von 30 GeV nachzuweisen und dem Vela-Pulsar zuzuordnen. Diese ersten Resultate hat Christian Stegmann, Sprecher der H.E.S.S.-Kollaboration, jetzt auf einer Konferenz vorgestellt. Damit öffnet sich die Tür zu neuen Beobachtungsmöglichkeiten im inneren Bereich unserer Heimatmilchstraße, der Galaxis.

Neben den nicht unerheblichen Anstrengungen zu Aufbau und Kalibration von CT5 trugen zwei Jahre intensiver Software-Entwicklungsarbeit zum Erfolg bei. „Für die Rekonstruktion der Daten von CT5 haben wir eine hochempfindliche Analyse erarbeitet, die auf extrem komplexen statistischen Algorithmen beruht“, sagt Wilfried Domainko aus der H.E.S.S.-Gruppe am Max-Planck-Institut für Kernphysik. „Indem wir eine projizierte Fläche von zehn Hektar in der Atmosphäre erfassen können, erhalten wir eine deutlich höhere Ausbeute an Gammastrahlen-Ereignissen im Vergleich mit Satelliten wie Fermi.“ Von einigen Quellen beobachtet H.E.S.S. lediglich ein Gammaquant pro Sekunde – ein Rekord.

Die jetzt gewonnenen Daten zeigen regelmäßige Gammastrahlen-Pulse, die sich alle 89 Millisekunden wiederholen und exakt aus der Richtung des Vela-Pulsars kommen. Die rekonstruierten Energien dieser Gammaquanten liegen bei den genannten 30 GeV. Damit hat H.E.S.S. erstmals gepulste Gammastrahlung am Südhimmel gemessen.

„Die gesamte Milchstraße ist voller Pulsare, und von Namibia aus können wir direkt in das galaktische Zentrum sehen. Die neuen H.E.S.S.-Daten zeigen, dass wir mit Tscherenkow-Teleskopen viele weitere Rätsel des Universums aufdecken werden“, sagt Max-Planck-Direktor Werner Hofmann.

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Pulsare sind die Überreste explodierter massereicher Sonnen (Supernovae). Dahinter stecken etwa 20 Kilometer durchmessende Neutronensterne, die aus extrem dicht gepackter Materie bestehen. Sie besitzen starke Magnetfelder. Entlang der Magnetfeldlinien beschleunigte geladene Teilchen senden elektromagnetische Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen aus, etwa im Radio- oder Gammabereich. Diese Strahlung ist in Richtung der Magnetfeldachse kegelartig gebündelt. Dreht sich der Neutronenstern nun um seine Rotationsachse, die relativ zur Magnetfeldachse geneigt ist – und das ist der Regelfall –, so durchstreifen die Lichtkegel wie ein Leuchtturm das Universum. Der Neutronenstern scheint rhythmisch zu „blinken“ und ist als Pulsar sichtbar.

Tscherenkow-Teleskop-Systeme bestehen aus großen Segmentspiegeln, die optische Tscherenkow-Lichtblitze fokussieren. Diese Lichtblitze entstehen in der Atmosphäre, dauern nur wenige Nanosekunden (milliardstel Sekunden) und sind für das Auge unsichtbar. Sie entstehen in Kaskaden von Elementarteilchen, die durch kosmische Strahlung ausgelöst werden. Mit hochempfindlichen Kameras nehmen Tscherenkow-Teleskope Bilder der Ereignisse auf, anhand derer sich Gammastrahlung identifizieren lässt. Daraus konstruieren die Forscher dann Bilder der kosmischen Beschleuniger, die diese Gammastrahlung aussenden.

H.E.S.S. ist das einzige System dieser Art auf der südlichen Hemisphäre und das einzige weltweit mit Teleskopen verschiedener Größe. Damit bereitet H.E.S.S. auf ideale Weise den Weg für das von einer internationalen Kollaboration geplante Cherenkov Telescope Array (CTA). Dieses soll von 2017 an aufgebaut werden und insgesamt etwa 100 Tscherenkow-Teleskope in drei Größen umfassen, verteilt auf zwei Standorte.

Die H.E.S.S.-Teleskope werden unter starker Beteiligung deutscher Universitäten von einer internationalen Kollaboration betrieben, der mehr als 30 wissenschaftliche Institutionen in elf verschiedenen Ländern angehören: Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich und Schweden.

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Kontakt:

Dr. Michael Panter
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-273
E-Mail:  Michael.Panter <at> mpi-hd.mpg.de

Dr. Wilfried Domainko
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-669
E-Mail:  Wilfried.Domainko <at> mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Felix Aharonian
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-485
E-Mail:  Felix.Aharonian <at> mpi-hd.mpg.de

Prof. Dr. Christian Stegmann (H.E.S.S.-Sprecher)
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Zeuthen
Tel.: +49 33762 77-416
E-Mail:  christian.stegmann <at> desy.de

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