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28.02.2017
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Neue Augen für den Gamma-Himmel

Finaler Meilenstein für modernisierte Kameras der H.E.S.S.-Teleskope in Namibia

Die erneuerten Kameras der H.E.S.S.-Gammastrahlenteleskope in Namibia haben die ersten Bilder eines kosmischen Teilchenbeschleunigers geliefert. Als erstes Himmelsobjekt lichteten die modernisierten Teleskope den Aktiven Galaxienkern Markarian-421 im Sternbild Großer Bär ab. Die 400 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie ließ sich klar und deutlich im Gammalicht nachweisen. Das von DESY geleitete, rund vier Jahre dauernde Modernisierungsprojekt hat damit erfolgreich seinen letzten Meilenstein erreicht. Der Erfolg ist auch ein wichtiger Test für das Gammastrahlenobservatorium der nächsten Generation, CTA, bei dem dieselbe Kameratechnik zum Einsatz kommen soll.

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Kosmische Gammastrahlung vom aktiven Galaxienkern Markarian-421, aufgezeichnet mit den neuen H.E.S.S.-Kameras. Bild: H.E.S.S.
Wenn Forscher mit H.E.S.S. die Geheimnisse des Hochenergie-Universums erforschen, spähen die Teleskope nicht direkt in den Kosmos, sondern beobachten die obere Erdatmosphäre. Kosmische Gammastrahlung, die dort absorbiert wird, erzeugt schwache, violette Lichtblitze, die sich mit Hilfe großer Spiegel und ultraschneller Elektronik vom Erdboden aus nachweisen lassen. H.E.S.S. beobachtet rund 300 solcher Ereignisse pro Sekunde. Die Belichtungszeit kann dabei bis zu 16 Nanosekunden (milliardstel Sekunden) kurz sein, und manche Bilder bestehen nur aus einer Handvoll Lichtteilchen (Photonen). Die technischen Anforderungen an die Kameras sind daher eine große Herausforderung.

In ihren ersten zehn Betriebsjahren der H.E.S.S.-Kameras ist deren empfindliche Elektronik wie erwartet gealtert, womit auch die Leistung der Instrumente gesunken ist. Zugleich haben sich die auf dem Markt verfügbaren Technologien erheblich weiterentwickelt, so gibt es heute etwa schnellere Netzwerk-Lösungen und schnellere und kleinere Chips für die Datenauslese. Ein solcher Chip ist NECTAr, der für das Cherenkov Telescope Array CTA entwickelt worden ist. Die H.E.S.S.-Kooperation hatte daher 2012 DESY und Kollegen aus Paris, Amsterdam und Leicester mit der Erneuerung der vier Kameras auf Grundlage des NECTAr-Chips beauftragt.

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Installation der neuen Kameras in Namibia. Bild: Stefan Klepser, DESY
Die verantwortlichen Ingenieure entwickelten schnell ein Konzept, das nicht nur einen Austausch von Elektronik-Platinen vorsah, sondern auch verbesserte Verkabelung, Pneumatik und Ventilationskühlung. Die erste derartige Kamera wurde im Sommer 2015 installiert, die weiteren drei schließlich im Herbst 2016. „Die Installation lief sehr glatt“, berichtet Projektleiter Stefan Klepser vom DESY-Standort Zeuthen. „Obwohl es in der abgeschiedenen Gegend Namibias ziemlich einsam ist, war die Arbeitsatmosphäre sehr gut, und das Team hat hervorragend zusammengearbeitet. Ich freue mich daher auch, sagen zu können, dass wir sehr gut im Zeit- und Finanzrahmen geblieben sind.“

Nach dem um Weihnachten herum auch alle Verkabelungen, Netzwerkanschlüsse, Software-Updates und Fehlerbeseitigungen erledigt waren, war das System fertig für die Beobachtung. Kurz darauf, am 4. Januar meldete sich der variable Aktive Galaxienkern Markarian-421 mit einem Ausbruch zurück. H.E.S.S. hatte Glück, dass dieser sogenannte Blazar am Ort des Observatoriums gerade über dem Horizont stand. Tatsächlich funktionierten die vier neuen Kameras wie erwartet und konnten tausende Bilder dieser kosmischen Gammastrahlen-Quelle aufnehmen.

Beispiele für Einzelaufnahmen der vier Kameras (für Animation bitte klicken). Bild: H.E.S.S.
„Die modernisierten Kameras liefern den ersten großen Nachweis, dass sich die NECTAr-Technologie für die Teraelektronenvolt-Astronomie eignet“, betont der Leiter des DESY-Standorts Zeuthen. „Das lässt uns erwartungsvoll auf die letzten Jahre von H.E.S.S. blicken, wo und die neuen Kameras eine verbesserte Leistung sowohl bei sehr niedrigen als auch bei sehr hohen Energien bieten. Es ist auch ein vielversprechender Ausblick auf das nächste große Gamma-Observatorium CTA, bei dem DESY ein wichtiger Partner ist.“