H.E.S.S.

Die zwei Teleskoptypen von H.E.S.S. [Abb. H.E.S.S. collaboration]

H.E.S.S. ist ein System aus mehreren abbildenden Cherenkov-Teleskopen, das Gammastrahlung im Bereich von 100 GeV untersucht. Der Name H.E.S.S. ist ein Akronym für High Energy Stereoscopic System und wurde auch zur Erinnerung an Viktor Hess vergeben, der die kosmische Strahlung entdeckte.

Im Jahr 2004, als es in Betrieb ging, war es eines der ersten Instrumente weltweit, das Quellen kosmischer Gammastrahlung räumlich auflösen konnte. Es steht in einer Höhe von 2000 m in der Nähe vom Gamsberg in Namibia, eine der trockensten Regionen der Erde, die sich besonders gut für Himmelsbeobachtungen eignet.

 

H.E.S.S. wurde in zwei Phasen aufgebaut. Während der ersten Phase des Projektes bestand H.E.S.S. aus vier 12 m - Cherenkov-Teleskopen, die im Dezember 2003 in Betrieb gingen. Offiziell eingeweiht wurde das Projekt am 28. September 2004.

Die zweite Phase, auch bekannt als H.E.S.S. II, begann Juli 2012 mit der Erweiterung des Systems durch ein deutlich größeres 28 m - Teleskop (CT5). Dadurch wurden der Energiebereich, die Winkelauflösung und die Empfindlichkeit des Instrumentes erheblich erhöht.

Funktionsprinzip der Teleskope

Animation, die das Detektionsprinzip eines Cherenkov-Teleskops erklärt. [Abb. H.E.S.S. Collaboration]
Hinweis: Auf das Bild klicken, um die Animation zu starten

H.E.S.S. beobachtet Gammastrahlung. Wenn diese sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung auf die Erdatmosphere trifft, löst sie dabei einen sog. Teilchenschauer mit einer Vielzahl an geladenen Teilchen aus. Diese Teilchen sind immer noch so energiereich, dass sie sich schneller als Licht in der Atmosphäre bewegen können (Licht breitet sich in der Luft langsamer als im Vakuum aus). Außerdem regen geladene Teilchen andere Atome und Moleküle beim Passieren zum Aussenden von Lichtwellen an.

 

Was dann passiert ist sehr ähnlich zu dem, was bei Flugzeugen beobachtet wird, wenn ihre Geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit übersteigt: die einzelnen Wellen überlagern sich zu einer Front, was bei Flugzeugen zum Überschallknall führt. Bei Teilchenschauern spricht man von Cherenkov-Strahlung, ein Lichtblitz, der einige Milliardstel einer Sekunde dauert, zu kurz, um vom menschlichen Auge erfasst zu werden.

Film von Cherenkov-Bildern, die 2002 bei Tests vom H.E.S.S. Projekt aufgenommen wurden. Typisch sind die ausgedehnten Schauer-Bilder und die sog. Myonen-Ringe, die entstehen, wenn ein Schauerteilchen fast den Boden erreicht und auf die Kamera trifft. [Film: H.E.S.S. Collaboration]
Hinweis: Auf das Bild klicken, um den Film zu starten

Die Spiegel von HESS und ihre Hochgeschwindigkeitskameras hingegen können diese Strahlung abbilden. Ein Bild wird aufgenommen, das die Richtung der Luftschauer und damit auch die Richtung zur Quelle des Gamma-Photons anzeigt.

Die Intensität des Bildes ist ein Maß für die Energie der Photonen. Wenn nur ein Teleskop einen Teilchenschauer beobachtet, ist es schwierig, die Geometrie des Schauers und die genaue Ursprungsrichtung zu bestimmen. Meistens werden deshalb mehrere Teleskope miteinander kombiniert und diese erlauben eine stereoskopische Bestimmung der Luftschauergeometrie.

 

Im Fall von H.E.S.S. befinden sich die vier 12m-Durchmesser Teleskope in einem Viereck mit 120 m Seitenlänge und das 28 m-Durchmesser Teleskop steht in der Mitte. Jedes Teleskop kann um zwei Achsen gedreht werden, sodass Objekte am Nachthimmel automatisch verfolgt werden können. Ein Video der Helmholtz Alliance For Astroparticle Physics  demonstriert die Beweglichkeit der Teleskope.

Die 12 m Teleskope sind jeweils aus 382 Spiegeln mit 60 cm Durchmesser zusammengesetzt und erreichen eine Gesamtspiegelfläche von 108 m². Das 28 m-Teleskop dagegen besteht aus 875 hexagonalen Spiegeln mit 90 cm Durchmesser und hat eine Gesamtspiegelfläche von 614 m². An jedem Spiegel sind zwei sog. Aktuatoren angebracht, Motoren, die eine Fernkontrolle der Spiegel erlauben. Vor jeder Beobachtung werden die Spiegel automatisch ausgerichtet, um die Abbildung des beobachteten Objektes zu optimieren. 

Wissenschaftliche Ziele

Das H.E.S.S.-II-System hat eine gegenüber dem aus vier 12 m- Teleskopen bestehenden H.E.S.S. I-Array deutlich verringerte Energieschwelle (< 0.1 TeV) für die Detektion von TeV-Photonen. Im Energiebereich ~0.1 bis 1 TeV ist die Empfindlichkeit etwa einen Faktor zwei höher als bei H.E.S.S. I. Diese Eigenschaften machen H.E.S.S. II insbesondere für zeit-variable Quellen interessant, für deren Entdeckung im TeV-Bereich bzw. detaillierte Untersuchung die Empfindlichkeit der bisherigen Instrumente (Cherenkov-Teleskope sowie der Fermi-Gammasatellit) nicht ausreichte.

Relevante (bekannte) Objektklassen für solche Untersuchungen sind Aktive Galaxienkerne, Gamma Ray Bursts, sowie galaktische Binärsysteme. Darüber hinaus erlaubt die verringerte Energieschwelle sowohl den extragalaktischen Horizont für TeV-Beobachtungen zu größeren Rotverschiebungen zu erweitern, als auch Quellen zu untersuchen, deren spektraler Abbruch („cutoff“) gerade im ~50 GeV-Bereich liegt (z.B. magnetosphärische Emission von Pulsaren). Bei höheren Energien (0.1-1 TeV) erlaubt die Empfindlichkeit detaillierte morphologische Studien ausgewählter Quellen, die bisher aufgrund der benötigten Beobachtungszeit nicht realisierbar waren, wie zum Beispiel Supernova-Überreste (SNR).

Tübinger Beteiligung an H.E.S.S.

Die Abteilung Hochenergieastrophysik am Institut für Astronomie und
Astrophysik Tübingen (IAAT) ist seit 2005 Mitglied der internationalen High
Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.)-Kollaboration.

Das IAAT beteiligt sich an folgenden Aufgaben:

  • Ausrichtung, Testen und Kalibrierung der Spiegel
  • Entwicklung der elektronischen Ansteuerung der Aktuatoren
  • Datenanalyse und Simulationen von HESS-Daten

 

 

Aktuatoren- und Spiegelentwicklung

Mitarbeiter des IAATs vor dem CT5 Teleskop in Namibia, bevor die Aktuatoren montiert wurden. [Abb. IAAT]

Für das Großteleskop CT5, welches im Juli 2012 in Betrieb ging, hat Tübingen die elektronische Ansteuerung der Verfahreinheiten (Aktuatoren) für die 875 Spiegelsegmente entwickelt.

Das Institut hat die Montage und Verkabelung der Aktuatoren am Spiegelträger übernommen, und ist in Zusammenarbeit mit dem MPI-K Heidelberg für die Ausrichtung der Spiegelsegmente verantwortlich. Die automatische Ausrichtungstechnik (Elektronik und Software) wurde am IAAT entwickelt (Schwarzburg 2012, Gottschall et al. 2015).

Darüber hinaus sind am Institut die rund 1000 Spiegelsegmente auf ihre Reflexionseigenschaften untersucht sowie mit den Aktuatorhalterungen beklebt worden, bevor die Spiegel nach Namibia verschifft wurden.

Bilder der Spiegel- und Aktuatorenentwicklungen

 

Datenanalyse und Simulationen

Ob. Simuliertes Spektrum und Beobachtungen für unterschiedliche Szenarien der Ausbreitung von Kosmischen Strahlen in dem Medium. Un.: Simulierte 1TeV Himmelskarte im Falle einer langsamen Diffusion in Molekularwolken. Die grünen Umrisse zeigen die HESS Beobachtungen und die grünen Kreise die Lage der zwei HESS Quellen. [Abb. Cui et al. 2016]

Das IAAT ist an der Datenanalyse und an den Simulationen von H.E.S.S. beteiligt. Es werden vor allem Supernova-Überreste (SNRs) und Doppelsternsystem untersucht.

 

In den letzten Jahren wurde zum Beispiel untersucht, ob zwei H.E.S.S.-Quellen, die nah beieinander liegen, möglicherweise auch kausal zusammenhängen (Cui et al. 2016). Die eine Quelle, der Supernova-Überrest HESS J1731-347, produziert starke Gamma- und Röntgenstrahlung, wogegen die größere und noch unbekannte Quelle HESS J1729-345 eine viel schwächere Strahlung aussendet. Die zweite Quelle befindet sich an gleicher Stelle wie aus Radiobeobachtungen bekannte Molekularwolken. Forscher am IAAT haben über Simulationen gezeigt, dass der Supernova-Überrest sehr wahrscheinlich noch dabei ist, zu expandieren, und dass die schwächere Quelle dadurch erzeugt werden kann, dass hochenergetische Kosmische Strahlung, die vom Supernova-Überrest abgestrahlt wurde, mit den benachbarten Molekularwolken wechselwirkt. 

 

Weitere Analysen von H.E.S.S. Daten am IAAT haben in den letzten Jahren erlaubt, eine  besseres Verständnis des Ursprungs der TeV-Strahlung zu bekommen (Capasso et al. 2016). So wurde die Morphologie der TeV-Strahlungsemissionsregion mit nie da gewesener Genauigkeit untersucht. Damit konnte die TeV-Strahlungsregion mit der Verteilung des Gases in den Molekularwolken verglichen werden, und so das Szenario der Wechselwirkung von Kosmischer Strahlung mit Molekularwolken weiter bestätigt werden.

Ein weiteres Beispiel der Analyse von HESS Daten am IAAT ist die Entwicklung einer neuen Methode, die es erlaubt, neue sog. SNR shells (Schalen), die TeV-Strahlung emittieren, zu entdecken (Gottschall et al. 2016). Diese Methode, die gegen vier bekannten Quellen getestet wurde, hat zu der Entdeckung von 3 SNR-shell Kandidaten geführt.

 

Letztes Update 08/2017: Eva Laplace, Chris Tenzer