HESS in Namibia

Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.)

Mit dem H.E.S.S.-Observatorium im Khomas-Hochland von Namibia lässt sich Gammastrahlung mit Energien oberhalb von etwa hundert Gigaelektronenvolt nachweisen. Die Anlage besteht aus vier Teleskopen mit jeweils etwa zwölf Metern Durchmesser. Jedes verfügt über hochsensitive und extrem schnelle Kameras, um schwache Lichtblitze kosmischer Strahlungsteilchen zu registrieren. Ziel ist es, Quellen hochenergetischer Gammastrahlen zu entdecken und eingehend zu studieren.

Gammastrahlen mit sehr hohen Energien um 1012 Elektronenvolt (tausend Milliarden eV) zeugen von den energiereichsten Vorgängen im Universum. Sie werden in kosmischen Teilchenbeschleunigern erzeugt, die sich mit modernen Instrumenten wie H.E.S.S. mit bislang unerreichter Genauigkeit studieren lassen. Die Gammastrahlung wird von der Atmosphäre verschluckt, so dass man sie nicht direkt mit Teleskopen am Boden beobachten kann. Wenn die Strahlung in die Hochatmosphäre eindringt, erzeugt sie aber eine Lawine von Teilchen, die für den Bruchteil einer Sekunde einen schwachen Lichtblitz aussendet. Diese sogenannte Tscherenkow-Strahlung hat entfernte Ähnlichkeit mit der Leuchtspur einer Sternschnuppe. Sie ist viel zu schwach, um sie mit bloßem Auge wahrzunehmen. Dies ist nur mit großen Spiegelteleskopen möglich. Mit dem H.E.S.S.-Observatorium lassen sich sogar Bilder der kosmischen Beschleuniger anfertigen.

Dunkelblaues Quadrat mit fehlenden Ecken. Unten rechts ein gelb-roter Fleck.
Von H.E.S.S. beobachteter Gamma-Schauer

H.E.S.S. repräsentiert die dritte Instrumentengeneration in diesem jungen Zweig der Astronomie. Es ist sehr viel empfindlicher als seine Vorgänger. Benötigte man 1989 noch fünfzig Stunden, um eine helle kosmische Gammaquelle wie den Krebsnebel zu erkennen, so reichen heute mit H.E.S.S. dreißig Sekunden aus.

Jedes der vier H.E.S.S.-Teleskope besitzt einen Sammelspiegel mit zwölf Metern Durchmesser, der aus 380 Segmenten zusammengesetzt ist. Insgesamt verfügt ein Teleskop über eine Spiegelfläche von 107 Quadratmetern, was eine Steigerung um mehr als das Zehnfache gegenüber dem Vorgänger HEGRA bedeutet. Alle Segmentspiegel werden mit Hilfe kleiner Motoren bis auf wenige Mikrometer genau justiert, um eine optimale Abbildung zu erzielen. Im Brennpunkt des Teleskops befindet sich eine Kamera, bestehend aus 960 Fotosensoren, die eine Fläche mit 1,4 Metern Durchmesser abdecken. Diese ungewöhnlich  große Fokalfläche verleiht den Teleskopen ein weites Bildfeld mit fünf Grad Durchmesser. Damit wird die Untersuchung ausgedehnter Strukturen am Himmel möglich.

Bei H.E.S.S. zeichnen vier Teleskope die Spur der kosmischen Gammaquanten in der Atmosphäre gleichzeitig aus verschiedenen Winkeln auf. Dadurch erreicht man eine besonders hohe Messgenauigkeit und Empfindlichkeit. Außerdem lässt sich die Position von Himmelskörpern am Himmel genau lokalisieren.

Skizze, in der ein Gammateilchen auf die Atmosphäre trifft. Darunter ein Kegel aus blauem Tscherenkow-Licht.
Das Tscherenkow-Licht

Eine komplexe Elektronik dient dazu, die kurzen Tscherenkow-Lichtblitze vor dem Hintergrundlicht des Nachthimmels zu identifizieren und mit einer Belichtungszeit von einigen Milliardstel Sekunden aufzuzeichnen. In jeder Sekunde werden etliche hundert Lichtblitze registriert, von denen aber nur einige pro Minute von „interessanter“ Gammastrahlung stammen. Den Rest erzeugen Teilchen der normalen Höhenstrahlung. Sie bilden einen unerwünschten Untergrund, den man mithilfe von Computern herausfiltern muss.

Erste wissenschaftliche Erfolge

Das Observatorium wurde 2004 eingeweiht. Bereits im ersten Jahr erzielten die Forscher eine Reihe brillanter Ergebnisse. So gelang die Entdeckung des Pulsar-Binärsystems PSR B1259-63 als erste variable galaktische Quelle. Ein weiteres Highlight war die detaillierte Untersuchung der Gammastrahlung aus dem Herzen unserer Milchstraße, der direkten Umgebung des dortigen superschweren Schwarzen Lochs. Die Leistungsfähigkeit der Teleskope zeigt sich aber am besten in einer Durchmusterung eines Teils der Milchstraße. Mit vielen hundert Beobachtungsstunden in den Jahren 2004 und 2005 wurde zum ersten Mal eine Himmelskarte unserer Galaxis im Gammalicht bei höchsten Energien erstellt. Wie Perlen an einer Schnur reihen sich neu entdeckte Strahlungsquellen entlang der Milchstraße auf. Erstaunlich war auch, dass sich ein Teil der neu entdeckten Quellen bislang in keinem anderen Spektralbereich nachweisen ließ. Möglicherweise sind die Forscher hier auf eine noch unbekannte Art von Himmelskörpern gestoßen, während andere Quellen mit früheren Supernova-Explosionen assoziiert sind.

Quadrat, außen blau; innen fast kreisrund gelbe, rote und grüne Strukturen.
Supernova im Licht der Gamma-Strahlung

Aufsehen erregte besonders das erste Bild einer Supernova-Explosionswelle. Die ringförmige Struktur bestätigt theoretische Spekulationen, dass solche Schockwellen in der Tat Teilchen auf hohe Energien beschleunigen können.

Häufig sieht man in den H.E.S.S.-Himmelskarten auch Gammastrahlung aus der Umgebung von Pulsaren. Dabei handelt es sich um schnell rotierende Neutronensterne, deren gigantische magnetische und elektrische Felder offenbar effiziente kosmische Teilchenbeschleuniger sind.

Mitte 2005 stieß man mit H.E.S.S. auf ein weiteres faszinierendes Objekt, den „Mikroquasar“ LS 5039, einer Art Miniaturausgabe eines Quasars, in dem ein Schwarzes Loch Materie von einem Begleitstern absaugt und einen Teil davon in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten, gebündelten Materiestrahlen ins All stößt. Aus der Untersuchung dieser vergleichsweise nahen Gammaquelle erhofft man sich Rückschlüsse über die Prozesse in den ähnlichen, aber viel größer ausgedehnten Materiejets weit entfernter Quasare.

Ausblick

Der Standort in Namibia kombiniert beste optische Beobachtungsbedingungen mit einer direkten Sicht auf den zentralen Bereich unserer Galaxis, wo sich besonders interessante Objekte befinden, wie das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, zahlreiche Supernova-Explosionswolken und Pulsare. Mittelfristig soll H.E.S.S. mit einem großen Zentralteleskop zu H.E.S.S. II ausgebaut werden, mit vergrößertem Energiebereich und weiter gesteigerter Empfindlichkeit.