H.E.S.S. - Was machen wir hier eigentlich?

H.E.S.S. - Was machen wir hier eigentlich?

Nach den letzten Beiträgen die eher ein Erlebnisbericht waren, widme ich die nächsten Beiträge der Erläuterung, warum in den Khomas Highlands überhaupt so ein großes Teleskop (eigentlich vier große und ein GROßES) steht und was wir damit machen.

Was machen wir hier eigentlich?

H.E.S.S. ist eines der erfolgreichsten Experimente der Astroteilchenphysik. Was es so erfolgreich macht ist einfach die Tatsache, dass es ein sehr großes, bodengebundene Teleskop für Gamma-Strahlung ist. Wir beobachten hier also Gamma-Strahlung. Doch was ist das genau?

Gamma-Strahlung

Das Licht wird in ein Spektrum unterteilt - Ein Spektrum kann man sich wie einem Regenbogen vorstellen: Man kann es in unterschiedliche Komponente aufspalten, die unterschiedliche Energie haben. Die einzelnen Komponente nehmen wir mit dem menschlichen Auge dabei als Farbe wahr. Jede Farbe besteht aus Lichtteilchen mit einer ganz bestimmten Energie: Rotes Licht (Wellenlänge 600 nm) hat beispielsweise Photonomen mit etwa 2.0 eV, blaues Licht (400 nm) etwa 3.1 eV. Wenn wir mit einem Prisma nun weisses Licht in seine Bestandteile aufspalten, so können wir das gesamte Spektrum in Form eines Regenbogens sehen.

Mit dem menschlichen Auge können wir nur einen sehr geringen Teil des gesamten Spektrums sehen (Siehe Grafik unten). Mit verschiendenen Teleskopen können wir auch andere Teile des Spektrums sichtbar machen und dadurch in verschiedene Energiebereiche des Kosmos blicken. Denn rotes Licht hat weniger Energie als blaues Licht, und blaues Licht weniger Energie als beispielsweise UV-Licht. Vom UV-Licht geht's dann zunächst zum Röntgenlicht und irgendwann später dann zum Gamma-Licht. Gamma-Strahlung ist so ziemlich die härteste Strahlung, die es gibt und wird nur von zerstörerischsten Kräften wie einer Kernwaffe oder eben astrophysikalischen Quellen erzeugt.

Electromagnetic_spectrum_c
Spektrum des Lichts (Quelle: Wikipedia)

Glücklicherweise stellt die Erdatmosphäre eine relativ gute Abschirmung von Gamma-Strahlung. Praktisch keine der eigentlichen Gamma-Photonen erreichen den Erdboden, sondern werden in der Erdatmosphäre abgeblockt. Das ist gut für uns Menschen, aber schlecht für die Gamma-Astronomie - Daher waren auch viele Gamma-Experimente als Satelliten im Orbit, um das Gamma-Licht aufzunehmen, bevor es von der Erdatmosphäre verschlungen wird (Siehe: Explorer 11, Vela, OSO-3, COS-B, Fermi, ...)
Nun, wenn die Erdatmosphäre so effektiv darin ist, Gamma-Strahlung abzuschirmen, wie kann dann bodengebundene Gammastrahlen-Astronomie überhaupt funktionieren?

Gamma-Schematics
Schematische Darstellung, wie Gammastrahlen-Astronomie funktioniert
GammaPicture
So sieht ein Gamma-Teilchenshower in der Kamera aus

Die Antwort darauf ist Cherenkov-Licht, dasselbe Licht, das auch in den Wassertanks von Kernreaktoren als blaues Licht zu sehen ist. Denn alles was viel Energie hat, und abgebremst wird, hinterlässt Spuren. Und genau nach diesen Spuren halten wir hier Ausschau. Im Vergleich zu Satelliten, welche die Gamma-Strahlung direkt messen können, halten wir mit der bodengebundenen Gamma-Astronomie also nach den charakteristischen Signaturen Ausschau, die ein Gamma-Teilchen in der Erdatmosphäre hinterlässt, wenn es abgebremst wird. Man nennt diese Technik die IACT - Imaging Air Cherenkov Technique, weil wir Aufnahmen von den Lichtblitzen in der Erdatmosphäre machen und daraus dann die physikalischen Parameter des ursprünglichen Gamma-Teilchens berechnen. Diese Berechnung ist alles andere als einfach und mit ein Grund, warum Experimente wie H.E.S.S. erst durch moderne Computerarchitekturen möglich sind. Die Berechnungen finden in modernen Rechenzentren auf hunderten von CPUs statt. Mehr dazu vielleicht in einem etwas späteren Beitrag.

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H.E.S.S. mit seinen vier kleinen Teleskopen, und dem großen Teleskop. Eines der kleinen Teleskope ist verdeckt

H.E.S.S. ist ein riesiges Experiment, das viele Aspekte der Astro- und der Teilchenphysik vereint und nicht ohne einen erheblichen Aufwand von Seiten der Physik und der Technologie möglich wäre. Und es ist auch ein Experiment, das so groß ist, dass nur eine gemeinsame Kollaboration über mehrerer Länder fähig ist, so ein Experiment zu finanzieren, zu verstehen, auszuwerten und zu betreiben.
Und es ist wahrscheinlich auch eines der erfolgreichsten Experimente der Astroteilchenphysik in den letzten Jahren.

Im nächsten Physik-Beitrag werde ich erklären, was passiert, wenn ein hochenergetisches Gamma-Teilchen in die Erdatmosphäre eindringt. Was dann passiert hat den Namen Cosmic- oder Extensive Air shower und ist der Grundbaustein für die gesamte IACT Technik, auf die Teleskope wie H.E.S.S. aufbauen.

Von der H.E.S.S. Site in Namibia,
Phoenix 🙂

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