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09.04.2018
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15 Jahre Erforschung der Milchstraße mit H.E.S.S.

Sonderheft des Fachblatts „Astronomy & Astrophysics“

Seit 15 Jahren erforschen die H.E.S.S.-Teleskope die Milchstraße im Gammalicht. Aus diesem Anlass haben die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun ihre bisher größte Zusammenstellung von wissenschaftlichen Ergebnissen in einer Sonderausgabe der Zeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht. Unter den mehr als einem Dutzend einzelnen Beiträgen befinden sich eine umfangreiche Durchmusterung der galaktischen Ebene, Studien von Populationen von Pulsarwindnebeln und Supernova-Überresten, sowie Suchen nach neuen Arten von zuvor im sehr energiereichen Gammalicht noch nicht entdeckten Objekten wie Mikroquasaren oder Schockwellen um schnelle Sterne. Präzisionsmessungen von Supernova-Überresten mit Schalenstruktur wie zum Beispiel RX J1713-3946 und der diffusen Emission aus dem Zentrum der Milchstraße ergänzen diese Arbeiten. Dieser umfassende Datensatz wird in den Jahren bis zur Inbetriebnahme des Nachfolgeprojekts Cherenkov Telescope Array in den 2020ern den Stand der Forschung in der Hochenergie-Astrophysik darstellen.

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Fotomontage der Quellen kosmischer Gammastrahlung in der Milchstraße über den H.E.S.S.-Teleskopen in Namibia. Bild: H.E.S.S., F. Acero
Noch während der Bauzeit des „High-Energy Stereoscopic Systems“ (H.E.S.S.) wurden im Frühjahr 2003 die beiden ersten Teleskope auf das Zentrum der Milchstraße und den Überrest eines explodierten massereichen Sterns gerichtet. Von beiden Zielen registrierten sie Gammastrahlung und haben so ein neues Fenster zur Erforschung der Milchstraße im sehr hochenergetischen Gammalicht geöffnet. In den folgenden 15 Jahren haben die H.E.S.S.-Teleskope kontinuierlich die Milchstraße und ausgewählte einzelne Quellen ins Visier genommen. Dabei hat H.E.S.S. zahlreiche neue Quellen und neue Arten von Objekten entdeckt, und so das Gebiet der bodengebundenen Gamma-Astronomie wesentlich vorangetrieben. Die wichtigsten Ergebnisse erscheinen nun gebündelt als eine Serie von Publikationen in einer Sonderausgabe von „Astronomy & Astrophysics“ mit dem Titel „H.E.S.S. phase-I observations of the plane of the Milky Way“.

Zwei der 14 Beiträge befassen sich mit den beiden ersten bereits 2003 beobachteten und später detailliert untersuchten Objekten, dem galaktischen Zentrum und dem explodierten Stern RX J1713-3946, und runden damit eine spannende Zeit von Entdeckungen und Präzisionsmessungen der Milchstraße im Gammalicht ab. „Diese Sonderausgabe ist ein Meilenstein der Gamma-Astronomie und zeigt die enorme Breite und Tiefe des wissenschaftlichen Programms von H.E.S.S. über 15 Jahre“, konstatiert Werner Hofmann vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), langjähriger Sprecher von H.E.S.S. und Sprecher des Nachfolgeprojekts Cherenkov Telescope Array (CTA). „Wir konnten nur davon träumen, beinahe 80 Quellen höchstenergetischer Gammastrahlen in der Milchstraße zu finden, als wir vor mehr als einem Jahrzehnt mit der Durchmusterung der galaktischen Ebene begannen“, ergänzt Mathieu de Naurois von der Ecole Polytechnqiue (CNRS/IN2P3 Palaiseau), derzeitiger Sprecher von H.E.S.S.

Die aktualisierte H.E.S.S.-Durchmusterung der galaktischen Ebene (HGPS) ist eine sorgfältige systematische Studie, die einen deutlich tieferen Einblick in den inneren Teil der Milchstraße liefert, und die zugleich zum ersten Mal Daten aus diesem Energiebereich allen Astrophysikern zur Verfügung stellt. „Mit der Veröffentlichung von Fluss- und Empfindlichkeitskarten bekommen wesentlich mehr Astronomen mit Interesse an nicht-thermischen Phänomenen und kosmischen Teilchenbeschleunigern Zugang zu den Ergebnissen; außerdem ist das ein Testlauf für die Datenfreigabe bei CTA“, erklärt Christoph Deil vom MPIK, der die HGPS-Publikation leitete. Die HGPS ist auch die Basis, um generelle Eigenschaften von Gammaquellen wie den häufigen Pulsarwindnebeln und Supernova-Überresten – darunter drei neu entdeckte – zu studieren.

In einer zweiten Gruppe von Beiträgen präsentieren H.E.S.S.-Wissenschaftler Präzisionsmessungen einzelner Teilchenbeschleuniger wie RX J1713-3946 oder ganzer Regionen wie dem galaktischen Zentrum. Diese Studien zeigen detailliert die Eigenschaften der betreffenden Teilchenbeschleuniger und werfen ein neues Licht darauf, wie sich kosmische Strahlen durch den interstellaren Raum bewegen und ihre Umgebung formen. Weitere Beiträge suchen in den H.E.S.S.-Daten nach der Emission von neuen Arten von Objekten wie schwarzen Löchern mit der Masse von Sternen, die um Riesensterne kreisen, oder Ausreißer-Sternen. „Die Vielfalt der Themen in dieser Sonderausgabe zeigt deutlich, dass sich hochenergetische Gammastrahlungsastronomie zu einem ausgereiften Gebiet entwickelt hat. Wir vergrößern damit unser Wissen über hochenergetische astrophysikalische Prozesse in der Milchstraße“, resümiert David Berge von DESY, Koordinator des H.E.S.S.-Sonderbands.

Eine weltweite Kooperation von Gammastrahlungsastronomen bereitet derzeit das wesentlich empfindlichere Nachfolge-Instrument CTA vor mit je einem Standort auf der Nord- und Südhalbkugel. Nach seiner geplanten Inbetriebnahme in den 2020er-Jahren wird es ein detailreicheres Bild der Milchstraße im Gammalicht aufnehmen. Bis dahin stellen die jetzt veröffentlichten H.E.S.S.-Daten den Stand der Wissenschaft auf diesem Gebiet dar.

 

Über H.E.S.S.:

Die H.E.S.S.-Teleskope stehen in Namibia, im Südwesten Afrikas. Das System aus vier Teleskopen mit je 13 Metern Durchmesser und dem riesigen 28-Meter-Teleskop ist einer der empfindlichsten Detektoren für sehr energiereiche Gammastrahlen. Bei deren Eintritt in die Erdatmosphäre entstehen kurzlebige Teilchenschauer in der Luft. Die H.E.S.S.-Teleskope registrieren die schwachen bläulichen Blitze, die von diesen Teilchenschauern ausgehen. Dieses sogenannte Tscherenkow-Licht ist nur einige Nanosekunden kurz. Die Teleskope sammeln das Licht mit ihren großen Spiegeln und fokussieren es auf die extrem empfindlichen Kameras. Jedes Bild zeigt die Himmelsposition eines einzelnen Gammaphotons, und die gesammelte Lichtmenge entspricht seiner Energie. Photon für Photon kann H.E.S.S. so Karten des Himmels im Gammalicht erstellen.

Die 13-Meter-Teleskope sind seit 2002/03 in Betrieb, das 28-Meter-Teleskop kam 2012 dazu. Ende 2016 hatten die Teleskope in etwa 13 700 Beobachtungsstunden rund 20 Milliarden Teilchenschauer gemessen. H.E.S.S. hat die Mehrheit der etwa 200 bekannten kosmischen Objekte, die höchstenergetische Gammastrahlen emittieren, entdeckt.

An H.E.S.S. sind mehr als 170 Wissenschaftler aus 39 Institutionen in 13 Ländern beteiligt. 2006 erhielt H.E.S.S. den Descartes-Preis der Europäischen Kommission – die höchste Auszeichnung für wissenschaftliche Zusammenarbeit – und 2010 den prestigeträchtigen Rossi-Preis der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft. Aufgrund seiner wissenschaftlichen Bedeutung wurde H.E.S.S. 2009 unter die 10 weltbesten astronomischen Observatorien eingereiht. Das Observatorium ist nach dem Entdecker der Kosmischen Strahlung, dem österreichischen Physiker Victor Franz Hess (1883 - 1964), benannt.

 

Originalveröffentlichung:
H.E.S.S. phase-I observations of the plane of the Milky Way, „Astronomy & Astrophysics“, 2018

 

H.E.S.S.-Homepage: https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/