Interview

Ein neues Fenster ins Universum

CTA Array bei Nacht. Bild: DESY/Milde Science Comm./Exozet

Aus dem Universum prasselt unaufhörlich ein Strom energiereicher Teilchen auf die Erde ein. Mit einem neuen Observatorium wollen Astrophysiker den kosmischen Ereignissen, die den Teilchensturm auslösen, auf die Spur kommen. Ihre Teleskope stehen auf Las Palmas und in Chile, die wissenschaftliche Koordination ist beim DESY in Zeuthen angesiedelt. Dort haben wir die Koordinatoren gefragt, was sie sich von dem Projekt erhoffen.

Der nächtliche Sternenhimmel wirkt mit bloßem Auge betrachtet friedlich. Dabei tobt dort oben ein permanenter Sturm. Sterne explodieren, Schwarze Löcher entstehen und unsere Erde wird von energiereichen Teilchen bombardiert. Wir bekommen von all dem kaum etwas mit. Bemerkbar machen sich die Ereignisse durch höchstenergetische Gammastrahlen, Gravitationswellen oder Neutrinos, die sich mit Hilfe von Teleskopen messen lassen. Um genauer zu verstehen, welche Prozesse sich in unserem Universum abspielen, soll ein Observatorium für Gammastrahlen-Astronomie, das sogenannte CTA-Observatorium (CTA - Cherenkov Telescope Array), gebaut werden. Eine zentrale Rolle spielt dabei DESY in Zeuthen. Von dort soll das Projekt zukünftig wissenschaftlich koordiniert werden.

Wir haben mit den Zeuthener Wissenschaftlern Christian Stegmann, Gernot Maier, Johannes Knapp und Stefan Schlenstedt über das Projekt gesprochen.

Unser Planet wird mit hochenergetischen Teilchen bombardiert, wie kann man sich das vorstellen und was ist über die Teilchen bekannt?

Christian Stegmann: Wir wissen, dass in unserem Universum elementare Teilchen wie Protonen und Elektronen auf gewaltige Energien beschleunigt werden, die sehr weit jenseits dessen liegen, was wir mit Beschleunigern wie dem LHC auf der Erde erreichen können. Wir kennen diesen Strom von  hochenergetischen Teilchen, die sogenannte kosmische Strahlung, schon seit mehr als 100 Jahren. Wir wissen aber nicht, wo die Beschleuniger sind und wie sie funktionieren. Sind es Supernova-Überreste, die Überreste von gewaltigen Sternenexplosionen, oder die Umgebungen von schwarzen Löchern oder sind es vielleicht Objekte, die wir nicht kennen? Mit CTA werden wir Antworten auf diese Fragen finden und verstehen, welchen Einfluss diese hochenergetischen Teilchen in der Entwicklung unseres Universums spielen.

Wofür steht CTA und was genau verbirgt sich hinter dem Namen?

Christian Stegmann: CTA ist die Abkürzung von Cherenkov Telescope Array, eine Methode der Gammastrahlen-Astronomie. Sie beruht auf der Beobachtung von Tscherenkow-Blitzen (Erklärung siehe Kasten), also auf Teilchenschauern, die mit speziellen Teleskopen gemessen werden können. CTA ist zunächst mal eine Beobachtungsmethode. Im speziellen geht es aber um den Bau eines Observatoriums, das Gammastrahlen untersucht.

Welche Bedeutung hat der Bau eines solchen Observatoriums für die Astrophysik?

Johannes Knapp: Es ist der nächste und notwendige Schritt, wenn wir die Forschung vorantreiben wollen. Die wichtigsten drei Projekte der Gammastrahlen-Astronomie der Vergangenheit – H.E.S.S, Magic und Veritas – haben den Grundstein gelegt, aber im Prinzip haben sie erstmal nur gezeigt, dass es eine Vielzahl von Quellen gibt und diese lokalisiert. Im CTA-Projekt vereinen sich Experten aus allen drei Experimenten, um den nächsten Schritt zu machen. 

Was kann das geplante CTA-Observatorium leisten, was die bisherigen Projekte nicht leisten können?

Christian Stegmann: Wir haben jetzt die ersten hochenergetischen kosmischen Neutrinos gemessen. Wir haben Informationen über die höchstenergetischen geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung und es wurden gerade zum ersten Mal Gravitationswellen nachgewiesen. All das sind Zeugen von astrophysikalischen Ereignissen, mit deren Hilfe wir versuchen zu verstehen, wie unser Universum funktioniert. Wir bekommen derzeit in verschiedensten Bereichen der Astrophysik neue Informationen. Ich habe das Gefühl, als wären wir in einem dunklen Raum, wo nur diffuse Lichtlein an sind, aber wir wissen überhaupt noch nicht, was uns erwartet. Wir knipsen sozusagen immer wieder an verschiedenen Stellen neue Lichter an. Insgesamt stellen wir aber vor allem fest, dass die hochenergetischen Prozesse, wie beispielsweise explodierende oder kollabierende Sterne, eine viel gewichtigere Rolle spielen, als wir es bisher vermutet haben. 

Gernot Maier: Um die Entwicklung unserer Milchstraße zu verstehen, müssen wir also diese hochenergetischen Prozesse verstehen und dazu brauchen wir CTA. Mit den Instrumenten, die wir bisher hatten, haben wir erstmal überhaupt geschaut, was es da oben gibt. Dank jahrelangen Beobachtungen konnten wir dann zeigen, dass das Universum voll mit extremen Beschleunigern ist und es die verschiedensten Typen, wie beispielsweise Supernovas, schwarze Löcher oder extreme Magnetfelder, gibt. 

Johannes Knapp: Im nächsten Schritt geht es darum, die Entdeckungen zu systematisieren. Wir gehen also weg davon individuelle Entdeckungen zu machen und versuchen stattdessen sie als Gruppen besser zu verstehen. Dazu braucht es CTA, denn die bisherigen Messinstrumente sind dafür einfach zu klein und damit nicht genau genug.

Was macht CTA denn so viel besser als die bisherigen Messinstrumente?

Stefan Schlenstedt: Die komplette Dimension ist eine andere. Zum CTA-Observatorium sollen ja zwei Teleskopfelder aufgebaut werden. Eins auf der Kanareninsel La Palma und eins in Chile. Es werden drei verschiedene Teleskoptypen, die genau aufeinander abgestimmt sind und verschiedene Funktionen haben, aufgebaut. Das Teleskopfeld im Süden wird zum Beispiel aus vier großen Teleskopen in der Mitte, die von 15 mittleren umringt sind und dann nochmal ein Feld von rund 70 kleinen Teleskopen bestehen. So erreichen wir eine größere Energieabdeckung und eine höhere Messgenauigkeit als bei bisherigen Experimenten. Wir arbeiten also präziser und können so umfassender Daten sammeln.

Was ist das Ziel der Untersuchungen?

Christian Stegmann: Da gibt es sehr viele unterschiedliche. Ganz grundsätzlich wollen wir wissen, wo die kosmische Strahlung herkommt und wie die Teilchenbeschleunigung funktioniert. Sprich wir wollen mit Hilfe unserer Daten zeigen, wie die Teilchen beschleunigt werden und in welchem Zeitraum. 

Gernot Maier: Dadurch, dass so viele Daten generiert werden, kann man mit ihnen hoffentlich aber auch ganz viele verschiedene physikalische Fragen klären. So könnte beispielsweise untersucht werden, wie tief im Universum Schockwellen von gewaltigen Sternenexplosionen durch unsere Milchstraße pflügen oder riesige Mahlströme in der Umgebung von schwarzen Löchern Materie mitreißen. Es gibt tausend Möglichkeiten und damit auch tausend Chancen Neues zu entdecken.

Zeuthen ist ja Standort des Science Data Management Centre des CTA-Observatoriums, wie ist es dazu gekommen?

Stefan Schlenstedt: Die Entscheidung, dass wir hier in Zeuthen in Zukunft CTA machen wollen, ist vor etwa zehn bis acht Jahren gefallen. Wir haben damals überlegt, wie sich der Standort ausrichten kann und CTA passte hervorragend zu uns, sowohl strategisch als auch von der Expertise her, da ja vorher schon ein starker Fokus auf Astroteilchenphysik lag. Außerdem hat es auch gut zur allgemeinen Strategie für Forschung im Bereich der Astrophysik in Deutschland und Europa gepasst. Als klar war, dass wir uns zukünftig darauf konzentrieren wollen, haben wir dann Stück für Stück angefangen, die Expertise hier zu bündeln und Experten nach Zeuthen zu holen. So hat sich der Standort als führend in der deutschen Astroteilchenphysik etabliert.

Johannes Knapp: Jetzt der Standort für das zentrale Science Data Management Centre des CTA-Observatoriums zu werden, ist quasi der nächste und folgerichtige Schritt. Das liegt vor allem auch daran, dass Helmholtz und das DESY bereits bewiesen haben, dass sie die damit einhergehenden Herausforderungen stemmen können.

Was hat der Einstieg in die CTA-Forschung des DESYs für die Astrophysik in Deutschland bedeutet?

Christian Stegemann: Der Einstieg damals hat die gesamte deutsche Astroteilchenphysik auf ein vollkommen neues Niveau gehoben. Vorher waren es eher kleine Experimente mit einzelnen Gruppen, die alle Daten für sich selbst produziert und analysiert haben. Durch Helmholtz setzen wir auf eine große Infrastruktur, die zentral verwaltet wird, aber im Prinzip von Forschern auf aller Welt genutzt werden kann. Davon profitiert die gesamte Astroteilchenphysik.

Gernot Maier: Das ist auch einer der Kernpunkte des Projekts. Wir wollen eine Open-Access-User-Facility sein, die die Messdaten jedem zur Verfügung stellt, der sie haben möchte. Nur so können wir weitere Fortschritte im Bereich der Astrophysik erzielen und nur so kann es gelingen, unser Universum Schritt für Schritt zu verstehen. Wir müssen die weltweite Expertise bündeln, damit wir möglichst viel Licht in den dunklen Raum bringen können.

Stefan Schlenstedt ist Leiter der CTA-Gruppe bei DESY und Koordinator des MST-Projekts in CTA (MST = Medium Size Telescopes).

Gernot Maier ist stellvertretender Leiter der CTA-Gruppe bei DESY und Koordinator der CTA-Simulationsstudien in CTA.

Johannes Knapp ist Koordinator der deutschen CTA-Beiträge (außer dem DESY sind zwei Max-Planck Institute und neun deutsche Universitäten beteiligt).

Christian Stegmann leitet des DESY-Standort Zeuthen. Zudem ist er deutscher Vertreter im CTA-Council.

Blaue Blitze am Himmel

Trifft sehr energiereiche Gammastrahlung aus dem All auf die Erdatmosphäre, erzeugt sie kurze, blaue Lichtblitze: Tscherenkow-Blitze. Wissenschaftler sind in der Lage, dieser nur Milliardstel Sekunden dauernden Ereignisse zu messen und zu analysieren und so Rückschlüsse auf die kosmischen Ereignisse zu ziehen, die die Gammastrahlen ausgesendet haben. Das können Supernova-Explosionen sein oder das Innere einer fernen Galaxien. Die Energie und vor allem der Ort im Universum aus dem die hochenergetische Strahlung kommt, lassen sich so bestimmen. Man spricht daher auch von Gammastrahlenastronomie.

Die Tscherenkow-Blitze sind von extrem kurzer Dauer und mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar. Das Auftreffen der energiereichen Gammastrahlen erzeugt gleich eine ganze Lawine an neuen, kleinsten sogenannten Sekundärteilchen, die sich durch die Atmosphäre bewegen. Für die Messung der Strahlung nutzen Astronomen daher gleich mehrere Teleskope und Detektoren, die sie zu einer Beobachtungsanlage zusammenschließen wie im Cherenkov Telescope Array (CTA).

Das folgende Video zeigt die Größenverhältnisse der unterschiedlichen Teleskop-Typen: 

07.07.2016, Interview: Rebecca Winkels
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