Air Shower

In meinem letzten Beitrag ging es darum, was wir überhaupt mit H.E.S.S. machen.
Wir betreiben hier in Namibia also Gamma-Astronomie und beobachten jene Lichtblitze, die entstehen, wenn ein Gamma-Teilchen in die Erdatmosphäre eindringt. In diesem Beitrag möchte ich etwas detaillierter auf die Entstehung der Teilchenkaskade eingehen, die ein einfallendes Gamma-Teilchen produziert.

Los geht's! 🙂

Cosmic Air shower

Oder: Was passiert eigentlich mit den Gammas in der Erdatmosphäre?

Wir wissen also vom letzten Beitrag, dass die Gamma-Strahlung von der Erdatmosphäre abgeschirmt wird und nicht direkt den Boden erreicht. Was genau passiert also mit den Teilchen in der Erdatmosphäre?

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Illustration eines Air Showers - Quelle: University of Adelaide

Beginnend in einer Höhe von etwa 40 km hat die Atmosphäre genug Teilchen (Atome oder Moleküle), mit denen ein einzelnes Gamma-Photon zusammenstoßen kann. Bei jedem Stoß gibt das Gamma-Teilchen einen Teil seiner Energie ab und es werden neue Teilchen erzeugt. Da die neuen Teilchen immer noch sehr sehr viel Energie haben, können diese durch Stöße wiederum neue Teilchen produzieren, wie immer noch viel Energie haben, nochmals stoßen und dabei immer noch neue Teilchen produzieren. Wir erhalten also eine regelrechte Kaskade von Stößen, bei dem immer mehr, verschiedene Teilchen produziert werden. Die Zusammenfassung aller Teilchen, die durch alle Stöße produziert werden, wird als Cosmic Air Shower (oder Extensive Air Shower) bezeichnet.

Wir wissen nun also, dass ein hochenergetisches kosmisches Teilchen in der Erdatmosphäre sogenannte Extensive Air Shower produziert. Nun gibt es allerdings nicht nur Gamma-Lichtteilchen, die in der Atmosphäre wechselwirken, sondern auch andere Teilchen wie z.B. Elektronen oder Protonen. Auch diese verursachen Air Shower. Allerdings haben die Air Shower unterschiedliche Formen, je nach Urpsrungsteilchen. So kann man einen Protonen-Shower von einem Gamma-Shower unterscheiden und sich auf die Teilchen konzentrieren, an denen man interessiert ist.

Teilchenkaskade

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Teilchenkaskade (Schematisch) - By Mpfiz - originally from nl.wikipedia CC BY 3.0

Die ersten Teilchen, die bei einem Air Shower produziert werden sind hauptsächlich Pionen und auch einige Kaonen und Baryonen. Pionen und Kaonen sind Elementarteilchen, die nicht stabil sind und daher wieder in andere Teilchen zerfallen.

Aus den neutralen Pionen entstehen entweder wieder Gammas, die wiederum eine Kaskade triggern können. Aus den geladenen Pionen entstehen die entsprechenden Myonen und ihre Anti-Neutrinos. Myonen können wir mit H.E.S.S. detektieren, da sie einen charakteristischen Cherenkov-Lichtkegel hinterlassen. So tief möchte ich hier allerdings nicht in die Physik einsteigen.

Im weiteren Verlauf entstehen Elektronen-Positronen-Paare, Protonen, Neutronen, Gamma-Teilchen, Pionen, Myonen, Kaonen, die wiederum Stoßen können und dadurch neue Teilchen produzieren. Ein einzelnes einfallendes kosmisches Teilchen kann also eine ganze Kaskade, also eine Reihe von weiteren Reaktionen auslösen.

Stossprozess
Illustration eines möglichen Stoßprozess. Ein einfallendes Teilchen streut am Coulomb-Potential eines Atoms. Die Energie ist ausreichend, um neue Teilchen zu produzieren.

Irgendwann werden die neu produzierten Teilchen nicht mehr genug Energie haben, um bei Stößen weitere Teilchen zu produzieren. Von diesem Moment an, nimmt die Intensität der Stoßkaskade ab. Diesen Punkt nennt man den Shower Maximum.

Zusammengefasst: Ein eintreffendes Teilchen hat genug Energie, um eine Kaskade auszulösen, bei der durch Stöße in der Atmosphäre immer mehr verschiedene Teilchen produziert werden. Diese Teilchen können wiederum durch Stoßprozesse weitere Teilchen produzieren, bis irgendwann die ursprüngliche Energie aufgebraucht ist. Die entstehenden Teilchen werden als Cosmic Air Shower bezeichnet.

Weiterführend verlinke ich hier den englischsprachigen Wikipedia Artikel.

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Und so schaut ein Air Shower dann in der Kamera aus

Air Showers in der Kamera

Wenn man denn eine geeignete Kamera hat, denn diese Lichtblitze sind so schwach, dass man sie weder mit normalen Auge, noch mit einer handelsüblichen Digitalkamera aufnehmen kann. Dafür braucht man Photomultiplier, also einzelne Elektronenröhren, die so sensibel sind, dass sie fast einzelne Lichtteilchen (Photonen) aufnehmen können. Und genau dafür wurde H.E.S.S. gebaut. Um die Lichtblitze in der Atmosphäre zu fotografieren und auszulesen, die von einzelnen sehr hochenergetischen Gamma-Photonen erzeugt werden und damit dann ein Spektrum zu generieren, mit dem dann Wissenschaft betrieben wird.

Weiterführende Links

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.

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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 🙂

Zweiter H.E.S.S. shift report

Eine Woche ist nun vorbei. Wir haben uns hier gut eingelebt - Das Wetter ist recht gut, wenn auch etwas schwül, die Arbeit macht Spass und der Mikrowellenlink für das Internet läuft zur Zeit mehr oder weniger stabil.
Die Residenz wurde vom Max-Planck-Institut nach europäischen Standards gebaut und lässt kaum Wünsche offen. Jeder von uns hat ein Zimmer für sich selbst, wir haben eine gemeinsame recht große Küche und einen angenehmen Aufenthaltsraum mit Tischtennis-Tisch. Sehr cool!

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Zeitvertreib für die tapferen Shifter!

Arbeiten auf der H.E.S.S. Site

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Blick auf eines der kleineren Teleskope

Wir haben zur Zeit noch viele Einweisungen und Einschulungen mit Albert, dem Techniker der permanent auf der Site beschäftigt ist. Die Shift Crews wechseln jeden Monat und Albert schult sie der Reihe nach ein - So macht er das auch mit uns.
Im Idealfall hat die Shift Crew während einer Beobachtungsnacht nur die Ziele zu definieren, die von den einzelnen Instrumente und Computersysteme dann vollautomatisch abgearbeitet werden. Theoretisch. Da das Ganze in der Praxis aber nicht ganz sauber verläuft, müssen wir lernen, wie man auf Störungen und Probleme reagiert. Wie z.B. ein Stromausfall.
Auf der Site sind zwei 60 kVA Diesel-Stromaggregate, die automatisch anspringen, wenn der Strom ausfällt (auch hier: theoretisch zumindest). Und auch die Teleskope müssen im Notfall per Hand eingeparkt werden, damit sie weder nass noch durch die Sonne beschädigt werden können.
Ich glaube die Schichten werden noch einige Überraschungen bereit halten und aufregend werden. Aber dafür sind wir ja hier 🙂

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Blick auf die Milchstrasse. Hinter dem Baum ist das Kreuz des Südens

Die Beobachtungsnächte werden auch immer länger. Wir sind jetzt bei etwa 3h "Dark Time", also das Zeitfenster in der absolute Dunkelheit herrscht. Der Teleskoptyp mit dem wir hier arbeiten (IACT - Imaging Air Cherenkov Telescope) sind so sensitiv, dass sie nur in absoluter Dunkelheit betrieben werden können. Selbst indirektes Licht vom aufgehenden Mond ist ausreichend, um die Teleskope im besten Fall zu stören und in schlimmsten Fall zu zerstören! Ist eben hochsensibles und teures Equipment, mit der hier Spitzenforschung betrieben wird. Ich werde in der nächsten Zeit kurz illustrieren, was wir hier eigentlich machen und wie das Ganze funktioniert. Zur Zeit ist hier alles noch zu neu und aufregend.

Leider ist auch die Wetterlage zur Zeit eher suboptimal. Wir sind in der Regenzeit, und wenn der Himmel nicht klar ist, können wir auch nicht beobachten. Zur Zeit haben wir eine Quote von etwa 30%, sprich wir können etwa 1/3 der Zeit effektiv nutzen. Da wir uns zur Zeit aber auch mehr mit der Kalibration beschäftigten, die auch unter bewölktem Himmel möglich sind, ist der Verlust bis jetzt nicht allzu groß. Denn, wie jedes Instrument müssen auch diese Teleskope zunächst eingestellt werden - Details dazu wenn ich dann schreibe, wie die Teleskope funktionieren.

Gestern Nacht, also in der Nacht von Montag auf Dienstag, war der Himmel so dermaßen bewölkt, dass eine Beobachtung nicht möglich war. Vorgestern hatten wir noch Glück, gestern haben die Wolken den Himmel dicht gemacht. In diesem Falle können wir nichts tun. Da es draußen auch blitzt, sind nicht einmal Kalibrationsruns möglich.

Wir haben ein Radiometer, mit dem der Himmel periodisch abgescannt wird. Das Radiometer bestimmt die optische Opazität und kann daraus eine "Temperatur" ermitteln. Im Grunde funktioniert das ganze so ähnlich wie eine Wärmebildkamera, nur dass nicht Wärme, sondern Wolken angezeigt werden. Dieses Gerät ermöglicht es, einen Überblick über die Wolkenlage auch in Dunkelheit zu kriegen. Ersetzen kann das Radiometer die guten alten menschlichen Augen aber nicht - Ein aufmerksames Auge kann die Wetterlage wesentlich besser abschätzen und auch Vorhersagen machen.

Namibia ist schön.

DSC01760Abgesehen von der eigentlichen Arbeit bietet Namibia jede Menge Spielraum für Entdeckungen. Ich genieße die Zeit hier, denn abgesehen davon, dass eine lästige Grippe von letzter Woche komplett verflogen ist, bietet die Gegend hier jede Menge Flora und Fauna, die es zu erkunden gibt. Bewaffnet mit einer vernünftigen Kamera, Wasserblase und Glock-Klappspaten kann ich so Untertags einige Ausflüge in die Savanne machen.

In der Nacht von Samstag auf Sonntag haben wir zwei Eierschlangen auf der Site entdeckt, die gerade dabei waren, eine Vogelkolonie zu plündern. Ein beherzter Albert und einige Schläge auf den Kopf haben dem Unternehmen "Eierdiebstahl" und auch dem Leben der Schlangen jedoch ein jähes Ende bereitet. Schlangen werden hier rigoros eliminiert. Laut Albert kehren Schlangen immer wieder dahin zurück, wo sie schon einmal waren. Und da sie nicht nur Plagegeister sondern auch eine echte Bedrohung darstellen, müssen sie auch entsprechend behandelt werden.

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Farbenfrohe Insektenwelt

Die Natur ist nicht gut oder böse, sondern eben wie sie ist.

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Eierschlange am Boden. Zwei Eierschlangen haben versucht, eine nahe Vogelkolonie zu plündern

Amateurfunk

DSC01699Namibia ist leider kein CEPT-Land und damit ich mit dem mitgebrachten Handfunkgerät auch aktiv Senden darf, muss ich zunächst eine Gastlizenz vom CRAN (Communications Regulatory Authority of Namibia)  erhalten. Ich hab's leider nicht mehr geschafft, die Anfrage in Europa auszufüllen und abzuschicken und warte deshalb noch auf das OK von den lokalen Behörden. Ich hoffe dass ich diese noch erhalte, bevor die Schicht fertig ist.

Mit dem Gamsberg hätte ich auch schon einen passenden 2m Umsetzter (145.750 MHz Shift +600kHz bei PL-Tone 88.5 Hz) in der Nähe der H.E.S.S. Site gefunden, auf dem ich schon einige Funkgespräche mithören konnte. Aufzeichnen und mithören vom Amateurfunk ist jedem gestattet, nicht nur in Namibia.

Ich hoffe, dass ich baldmöglichst die Gastlizenz erhalte und so bis zum Ende der Shift noch ein paar QSO's mit den lokalen Funkamateuren machen kann 🙂

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Angekommen - H.E.S.S. shift

Angekommen. Wir haben den 26. Jänner und ich schwitze. Ich sitze in einem akklimatisierten Raum in der Residenz für die H.E.S.S. shift crew. Draußen scheint die Sonne, und es hat angenehme 30 Grad. Wir befinden uns in den Khomas Highlands in Namibia.

Tag 1: Ankunft in Windhoek

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Boeing 747 am Airport Frankfurt

Wir sind am Montag Nachmittag in Windhoek gelandet und haben uns für eine Nacht in der Pension Hotel Steiner niedergelassen. Nach etwa 14h Reise mit einem Interkontinentalflug in der Holzklasse sind wir erstmal erschöpft - Daher verbringen wir die erste Nacht in Windhoek, um am nächsten Tag entspannt und ausgeschlafen zur Schicht zu fahren. Da wir immer Nachts arbeiten werden macht es wenig Sinn, schon in der ersten Nacht komplett übermüdet dort anzufangen und Dinge kaputt zu machen.

Zur Zeit fühlt sich das Ganze noch wie Erholung und Entspannung an - Wir sitzen am Pool und versuchen nicht zu Dehydrieren, während um uns herum Papageie von Baum zu Baum fliegen.

Die Temperatur ist warm aber angenehm - Die Ankunft hat schon mal ohne Probleme hingehauen 🙂

Tag 2: Reise zur Site

Der Tag an dem wir mit unseren Geländewagen der Marke Isuzu über Kiesstraßen zum eigentlichen Teleskop brettern.
Das Ding ist der Hammer auf Kies - Hoher Bodenabstand, Allrad und wirkt wie ein großer Jeep. Blöd nur, dass in Namibia alle auf der falschen Seite fahren 🙂 Hier herrscht Linksverkehr, ein Überbleibsel auf der Kolonialherrschaftszeit der Briten.

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"Die fahren hier alle auf der falschen Strassenseite!"

Bevor wir von Windhoek aus Richtung Südwesten, in die Khomas Highlands aufbrechen, heißt es noch Nahrungsmittel und Verbrauchsartikel für etwa 1 Woche einkaufen. Die Shift Crew muss sich auf der Site selbst versorgen, und da der nächste Supermarkt etwa 2h mit dem Geländewagen entfernt liegt, ist es besser, nichts zu vergessen. Zwar können wir jederzeit wieder nach Windhoek fahren, aber bei Linksverkehr auf Kiesstrassen in der Hitze der Wüste schnell mal Milch holen fahren macht wenig Spass.

Wir sind alle wohl auf, und haben in der Residenz für die Shift Crew erstmal Stellung bezogen. Gleich geht's damit los, die Instrumente und das Teleskop kennen zu lernen. Ich freu mich schon auf die ersten Runs, die Teleskope ein- und wieder auszuparken und auf Alberts berühmtes BBQ, das uns auch noch im Laufe der nächsten Woche erwartet.

Es geht uns allen gut, Stimmung ist hoch.

First runs

Sicherheitseinweisung und Einschulung am Nachmittag auf der eigentlichen Site. Die Instrumente sind RIESIG. Ich meine, die verdammte Kamera selbst ist etwas mehr als 2m hoch. Und das ist nur die Kamera! Die Kamera vom Zentralteleskop CT5 ist die größte von allen und hat 1200 Pixel. Ist im Verlgeich zu den 20+ Megapixel einer herkömmlichen Kamera nicht viel, aber die Pixel haben's in sich. Wir detektieren hier einzelne Photonen, sprich die Empfindlichkeit ist auch um einige Größenordnungen besser als bei einer normalen Kamera.

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Das ist die Kamera von einem der Teleskope. 1,2 Kilopixel, mit der Sensitivität, dass eine Kerze am Boden das Ding hoffnungslos Überbelichten würde

Hehe, wer glaubt die Kamera sei groß, der darf sich auf das nächste Bild freuen. Ich stehe hier irgendwo am Sockel. Ganz klein ganz unten. Das sind die Dimensionen, mit denen wir die aktuelle Gamma-Astronomie betreiben. Ich finde das Ganze unglaublich faszinierend, denn H.E.S.S. hat die Größe eines Experiments, das selbst für ganze Staaten zu groß ist und nur durch internationale Zusammenarbeit und durch die Finanzierung mehrerer Staaten ermöglicht wird. Astrophysik bringt die Menschen näher zusammen.

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Zentralteleskop CT5. Felix (am Sockel) for scale, because banana too small

Neben dem Zentralteleskop CT5 gibt es noch die etwas kleineren Teleskope CT1-CT4- Insgesamt stehen also fünf Teleskope bereit, um Spektren im Hochenergiebereich aufzunehmen.

Tag 3: Die erste Hälfte

Gestern Nacht hatten wir die ersten Runs.
Die Schichten werden so eingeteilt, dass die ersten Nächste am wenigsten Beobachtungszeit zur Verfügung steht, da der Mond sehr früh aufgeht.
Mit H.E.S.S. kann nur in absoluter Dunkelheit beobachtet werden. Sobald der Mond aufgeht müssen wir das Teleskop wieder einparken und das war's für die Nacht. Da die Shift Crew die ersten Nächste sich erst mit den Instrument vertraut machen muss, ist es daher strategisch klug, die wirklich langen, dunklen Nächte erst am Ende der Schicht zu haben, wenn sich schon sowas wie Routine eingestellt hat. Momentan ist alles daher noch sehr entspannt.

Ich habe den heutigen Vormittag dazu benutzt, das Umland zu erkunden und ein paar Fotos zu machen. Dafür dass wir hier eigentlich inmitten einer Einöde sind, ist zur Zeit erstaunlich viel Grün. Gelobt sei die Regenzeit!

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Ich werde die nächsten Tage wahrscheinlich nicht zum Schreiben kommen, nächstes Update daher wahrscheinlich nächste Woche, wenn es regnet.

Reise nach Namibia

Ich fliege heute Abend nach Namibia. Als Teil des H.E.S.S.-Experiments darf ich dort für etwa 1 Monat am Teleskop herumwerkeln 🙂

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H.E.S.S. mit CT5 (dem großen Teleskop in der Mitte) - Quelle: H.E.S.S. Web presence

HESS ist ein Experiment eines sogenannten Imaging Air-Cherenkov Teleskop, welches die Lichtblitze in der Atmosphäre beobachtet, die von Gamma-Teilchen erzeugt werden. Gamma Strahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die nur von sehr energiereichen Objekten in der Galaxie erzeugt wird (Und von nuklearen Sprengkörpern, was auch letztens zur Entdeckung der astronomischen Gamma-Strahlung durch die VELA Satelliten geführt hat).

Ich freue mich schon auf Namibia, und hoffe, dass der Internet-Uplink nicht zu rottig ist, dass ich hier den einen oder anderen Beitrag schreiben und einige Fotos mit euch teilen kann. In der Regenzeit kann es schon mal vorkommen, das der Mikrowellen-Link für einige Zeit down ist.

Stay in touch and stay safe,
Phoenix 🙂