Die DESY-Forscher sind auch in der Astroteilchenphysik aktiv. Die Erde ist einem Dauerregen von Teilchen aus dem Weltall ausgesetzt, die Auskunft über die fernen Weiten des Kosmos geben können. Die DESY-Forscher nutzen zwei dieser Himmelsboten, Neutrinos und hochenergetische Gammastrahlung, um den Geheimnissen von Sternexplosionen, kosmischen Teilchenbeschleunigern – wie zum Beispiel der Umgebung von schwarzen Löchern – oder der dunklen Materie auf die Spur zu kommen.

Das Gammateleskop CTA

Die vollständige Landkarte des Hochenergie-Himmels wird sich erst erschließen, wenn wir alle Informationen, die der Kosmos liefert, konsequent ausnutzen. Die möglichen Botenteilchen (engl. Messenger) aus dem All sind dabei elektromagnetische Strahlung – die bei hohen Energien Gammastrahlung genannt wird – sowie geladene kosmische Teilchen, Neutrinos und in Zukunft vielleicht auch Gravitationswellen. Getreu dem Prinzip der Multi-Messenger-Astronomie setzen auch die DESY-Forscher auf mehrere dieser Himmelsboten.

So nimmt eine Nachwuchsgruppe in Zeuthen außer am Neutrinoteleskop IceCube auch an dem Gammastrahlungsprojekt MAGIC auf der Kanarischen Insel La Palma teil. Gammateleskope registrieren das charakteristische Leuchten von Teilchenschauern, die von hochenergetischer kosmischer Gammastrahlung in der Erdatmosphäre ausgelöst werden. Die Teleskope bestehen aus riesigen Spiegelsystemen, die das atmosphärische Leuchten dieser Luftschauer auf milliardstel Sekunden schnelle Kameras fokussieren. So lässt sich die Richtung bestimmen, aus welcher der Schauer – und damit die verursachende Gammastrahlung – kam. Solche Teleskope stehen auf hohen Bergen und möglichst weit ab von störenden Lichtquellen, zum Beispiel auf La Palma im Atlantischen Ozean (MAGIC) oder in Namibia (H.E.S.S.).

Der Himmel im Licht der Gammastrahlung

Die Gammateleskope eröffneten in den letzten Jahren ungeahnte Einblicke in die Tiefen des Alls. Die meisten der bisher entdeckten Gammastrahlungsquellen stimmen mit bekannten Objekten überein, die auch in anderen Wellenlängenbereichen sichtbar sind: So konnte erstmals gezeigt werden, dass Supernova-Sternexplosionen in der Tat als kosmische Beschleuniger fungieren, die in ihren Schockwellen Teilchen auf hohe Energien bringen. Auch die gigantischen magnetischen und elektrischen Felder von Pulsaren – schnell rotierenden Neutronensternen – sind offenbar kosmische Teilchenbeschleuniger, ebenso wie die Umgebung von schwarzen Löchern im Kern aktiver Galaxien.

Darüber hinaus entdeckten die Forscher auch eine Reihe von „dunklen“ Gammastrahlungsquellen, die bislang in keinem anderen Spektralbereich zu sehen sind. Insbesondere senden diese Quellen weder Röntgenstrahlung noch Radiowellen aus, die entstehen, wenn Elektronen auf hohe Energien beschleunigt werden. Womöglich handelt es sich hierbei also um eine bisher unbekannte Art von Himmelskörpern, die ausschließlich Protonen beschleunigen. Da Protonen und Kerne 99 Prozent der geladenen kosmischen Strahlung ausmachen, von der die Erde ständig aus dem Weltall bombardiert wird, könnten diese rätselhaften Gammaquellen den Forschern wertvolle Hinweise auf den Ursprung der kosmischen Strahlung geben.

Gammateleskope der nächsten Generation

Die bisher veröffentlichten Quellen auf der Gamma-Himmelskarte dürften nur die Spitze des Eisbergs sein. Mit Teleskopen, die zehnmal empfindlicher sind als heute, ließen sich hier ganz neue Phänomene entdecken. Auch könnten die Forscher damit entschlüsseln, welcher Mechanismus in kosmischen Quellen in Millionen Lichtjahren Entfernung Teilchen derart beschleunigt, dass sie solch hochenergetisches Licht erzeugen. Solche Teleskope würden es erlauben, die räumliche Struktur und zeitliche Veränderung einer Vielzahl von Quellen im Detail zu untersuchen und somit ein vollständiges astronomisches Bild über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg zu erhalten.

Um eine zehnmal bessere Empfindlichkeit für Gammastrahlung in einem großen Energiebereich zu erreichen, braucht man mehr als 50 Teleskope mit Durchmessern zwischen 6 und 25 Metern, die über eine Fläche von mindestens einem Quadratkilometer angeordnet sind. Ein solches Observatorium ist derzeit in Vorbereitung: Das Gammateleskop CTA (Cherenkov Telescope Array) soll ab 2012 von einem internationalen Konsortium gebaut werden, um mit bisher unerreichter Empfindlichkeit nach kosmischen Hochenergiebeschleunigern zu suchen. CTA wird etwa 1000 Quellen erfassen können und damit das Feld der Gamma-Astronomie auf das Niveau der Astronomie mit Radiowellen oder Röntgenstrahlen heben. Darüber hinaus wird CTA nach Anzeichen für dunkle Materie suchen und vielleicht auch helfen, die Natur der geheimnisvollen dunklen Energie im Kosmos besser zu verstehen. Im Rahmen der Prototypstudie für CTA beteiligen sich DESY-Physiker an Optimierungsrechnungen, der Konstruktion der riesigen Spiegelteleskope sowie der Konzeption eines Operations- und Datenzentrums.