Astrophysik mit dem MAGIC-Teleskop: Kosmischen Kraftwerken auf der Spur. Robert Wagner Max-Planck-Institut für Physik

Transkript

1 Astrophysik mit dem MAGIC-Teleskop: Kosmischen Kraftwerken auf der Spur Robert Wagner Max-Planck-Institut für Physik

2 Der Blick aus dem Fenster

3 Faszination: Das Weltall im sichtbaren Licht Adlernebe l Whirlpoolgalaxie M51 Konusnebel Lagunennebel

4 aber: neue Phänomene bei hohen Energien Optisches Bild Röntgenbild

5 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. High-Tech: Astronomie mit Gammastrahlen 3. Das MAGIC-Experiment 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher

6 Victor Hess Entdecker der kosmischen Strahlung Nobelpreis 1936 Ionisierende Strahlung nimmt mit der Höhe zu.

7 7. August 1912: Die 7. Ballonfahrt bis 5300 m

8 Was wissen wir über kosmische Strahlung? besteht hauptsächlich aus Wasserstoffkernen Zusammensetzung wie in der Sonne Anteil der nat. Radioaktivität (50 kosmische Strahlen/Sekunde im Hörsaal...) Strahlung aus allen Richtungen gleich Quellen unbekannt

9 Was wissen wir über kosmische Strahlung? Ungeklärt: Wo entstehen so extrem hohe Energien? Suche Quellen von hochenergetischem Licht Fluss der kosmischen Strahlung Protonen und Atomkerne Tennisball, 200 km/h Superbeschleuniger LHC am CERN

10 Woher kommt die kosmische Strahlung? scheinbare Richtung der Quelle geladenes Teilchen Typische Entfernung galaktischer Quellen: einige Kilo-parsec = 3000 Lichtjahre

11 Boten des nichtthermischen Universums Teilchenphysik: wo Kerne beschleunigt werden entstehen auch Photonen p p π 0 π ± ν γ e ± γ Protonen/Kerne Elektronen/Positronen Inverse Compton- Strahlung (+Bremsstr.)

12 Photonen zeigen auf die Quelle! scheinbare Richtung der Quelle geladenes Teilchen Photon: elektrisch neutral

13 Spektrum elektromagnetischer Strahlung Radio Infrarot UV Röntgen Gamma Licht Wellenlänge (λ): 1000 km 1 km 1 m 1 mm 1 µm 1 nm m m m Frequenz (ν): ν = c / λ 1 khz 1 MHz 1 GHz Hz Hz Lichtquanten-Energie (E): E = h x ν 1 nev 1 µev 1 mev 1 ev 1 kev 1 MeV 1 GeV 1 TeV

14 Natur spielt auf 15 m langem Klavier! Elektromagnetische Strahlung Beispiel: Licht kleine Energie kleine Frequenz tiefer Ton lange Wellenlänge hohe Energie hohe Frequenz hoher Ton kurze Wellenlänge Sichtbares Licht» eine Oktave

15 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (ev) Staub verdeckt Blick auf Teile der Milchstraße Unsere Milchstraße

16 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10-6 ev)

17 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10-2 ev)

18 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlen (10 3 ev)

19 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gammastrahlung (10 9 ev) Benötigen alle Wellenlängen für komplettes Bild!

20 Höchstenergetische Gammastrahlen ( ev)?

21 Absorption in der Atmosphäre Radio Infrarot Sichtbar. Ultraviolett Röntgen Gamma 500 km 100 km 10 km 0 km Nur sichtbares Licht, Radiowellen und teilweise infrarote Strahlung können die Atmosphäre durchdringen Ballons, Satelliten

22 Satelliten-Teleskope Röntgen - Chandra Infrarot - Spitzer Optisch - Hubble Gamma - CGRO

23 Messung von hochenergetischer Gamma-Strahlung Satelliten? ca. 1 Photon pro Stunde auf 1 m 2 Satelliten zu klein => brauche größere Sammelfläche viele niederenergetische Photonen wenige hochenergetische Photonen Höchstenergetische Strahlung schwieriger zu erzeugen... Schwieriger zu erklären, interessanter zu beobachten!

24 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. High-Tech: Astronomie mit Gammastrahlen 3. Das MAGIC-Experiment 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher

25 Atmosphärische Luftschauer Victor Hess (1912) Pierre Auger (1938): Kosmische Strahlung löst Teilchenlawine aus

26 Entstehung von Gamma-Quant Kaskaden Positron Elektron Luftatome Gamma-Quant Elektron-Positron-Kaskade MPI Tag der (Luftschauer) offenen Tür 2007

27 Entwicklung eines Luftschauers

28 Cherenkov-Licht geladene Teilchen schneller als Lichtgeschwindigkeit (im Medium z.b. Luft) strahlen blaues Cherenkov-Licht aus entspricht Mach-Kegel von Überschall-Flugzeugen

29 Cherenkov-Licht geladene Teilchen schneller als Lichtgeschwindigkeit (im Medium, z.b. Luft) strahlen blaues Cherenkov-Licht aus P. A. Cherenkov (1934) blaues Leuchten in Kernreaktoren

30 Abbild eines Gamma-Luftschauers Photon (Gammastrahlung) Fläche: 600 x 600 m 2 Dauer: 32 ns Blickrichtung: Entlang der Schauerachse Blickrichtung

31 ...und eines Proton-Luftschauers Proton (geladene Kosmische Str.) Fläche: 600 x 600 m 2 Dauer: 32 ns Blickrichtung: Entlang der Schauerachse Protonen erzeugen andere Schauerbilder Als Photonen!

32 Gamma-Quant Messung von Gammastrahlen über Cherenkov-Licht der Luftschauer Luftschauer ~ 10 km ~ 1 o Cherenkov-Licht ~ 120 m

33 Luftschauer-Rekonstruktion Fokalebene M Helligkeit Gamma-Energie Bild-Orientierung Ankunftsrichtung Bildform Teilchenart

34 Größte Herausforderung: Unterdrückung des Untergrunds Photonschauer größter Untergrund: - Kosmische Strahlen (geladene Teilchen) unbearbeitetes Bild Protonschauer (Untergrund!) gesäubertes Bild - erzeugen ähnliche Luftschauer wie Photonen mal häufiger als Photonschauer - Erkennung und Unterdrückung aufgrund von Schauerform

35 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. High-Tech: Astronomie mit Gammastrahlen 3. Das MAGIC-Experiment 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher

36 Cherenkov-Teleskope weltweit VERITAS MAGIC CANGAROO III H.E.S.S.

37 MAGIC: Das weltweit größte Luftschauer-Cherenkov-Teleskop

38 IAA Andalucia IFAE Barcelona UAB Barcelona Univ. Barcelona Humboldt-Univ. zu Berlin Instituto de Astrofísica de Canarias University of California Davis DESY Zeuthen Univ. Dortmund ICREA & IEEC-CSIC Barcelona Instituto Nazionale Astrofisica Lodz Univ. Univ. Complutense Madrid MPI München Univ. & INFN Padova Univ. Siena & INFN Pisa INR Sofia Tuorla Observatory Univ. Udine & INFN Trieste Univ. Würzburg Yerevan Physics Institute ETH Zürich Die MAGIC Kollaboration ca. 140 Physiker - 22 Institute - 9 Länder

39 Der Standort: La Palma, Kanaren La Palma

40 La Palma 2200 m

41 Technologische Meilensteine hochreflektierende Aluminium-Spiegel Aktive Spiegelsteuerung Leichtbauweise aus Kohlefaserrohren 17 m Durchmesser Spiegel (240 m 2 )

42 Laser-gesteuerte Spiegeljustierung

43 Technologische Meilensteine hochreflektierende Aluminium-Spiegel Aktive Spiegelsteuerung Leichtbauweise aus Kohlefaserrohren 17 m Kamera: 576 hochsensitive Lichtsensoren Durchmesser Spiegel (240 m 2 )

44 Die Photomultiplier-Kamera Gesichtsfeld Sehr lichtempfindliche, schnelle Lichtsensoren: Photomultiplier

45 Kurze Belichtungszeit! 50 µsec 1 µsec 100 nsec 10 nsec

46 Einige Ereignisse

47 Der nächste Schritt MAGIC-I MAGIC-II Zweites Teleskop im Bau, Fertigstellung Mitte 2008

48 MAGIC im Oktober 2007 MAGIC-2 Kamera in Experimentierhalle 8. Oktober 2007

49 Stereoskopische Beobachtung Richtung der Quelle Stereobeobachtung erlaubt genaue Bestimmung des Schauerortes

50 Übersicht 1. Das Rätsel der kosmischen Strahlung 2. High-Tech: Astronomie mit Gammastrahlen 3. Das MAGIC-Experiment 4. Explodierende Sterne und schwarze Löcher

51 Hochenergie-Gamma-Astronomie (1 TeV = ev) 1989: Erster Nachweis von TeV-Gammastrahlen vom Krebsnebel durch das Whipple-Teleskop, Mt. Hopkins, Arizona

52 Hochenergie-Gamma-Astronomie 2004: schon 13 Quellen

53 Hochenergie-Gamma-Astronomie

54 77 bekannte Quellen

55 Quellen in der galaktischen Ebene HESS J HESS J HESS J HESS J HESS J G Galaktisches Zentrum RX J HESS J Durchmesser doppelt so groß wie der Mond! HESS J HESS J

56 Woher kommt die kosmische Strahlung? Hinweise vor allem von Cherenkov-Teleskopen beste Kandidaten: Supernova-Überreste SN 1987A Cassiopeia A

57 Supernova-Schale gewaltige freigesetzte Energiemenge Sterbende Sterne: Supernovae Zwiebelschalenstruktur einer schweren Sonne neugeborener Neutronenstern Explosions-Schockwelle trägt so viel Energie, ~ 50 km wie die Sonne in ihrem gesamten Leben abgestrahlt hat! Endstadium massereicher Sterne

58 2005: erste Bild eines Supernova Überrestes in TeV γ-strahlen RX J

59 Teilchenbeschleunigung? Warum Supernova-Überreste? - Große Energiefreisetzung: E SNR 10 E CR - Aber: Energie pro ausgeschleudertem Teilchen viel kleiner als Energie der Kosmischen Strahlung.. Brauche zusätzliche Beschleunigung: - Beschleunigung in der Schockwelle Schockwelle Enrico Fermi

60 Supernova 1006 im Röntgenlicht Beschleunigung in vielen kleinen Schritten: Viele 100 Zyklen notwendig Dauert sehr lange: Supernovae strahlen erst nach etlichen Jahrhunderten Chandra NASA/CXC/Rutgers/J. Hughes et al.

61 Wissenschaftliche Feinarbeit Energie-Fluss E 2 dn/de Elektronen- Beschleunigung oder Protonen- Beschleunigung Cherenkov- Teleskope: mehr Daten erforderlich IC ~ B -2 Komplett verfügbares Spektrum Photonen-Energie [ev]

62 Ein berühmter Supernova-Überrest: Der Krebsnebel 1 Lichtjahr Pulsarwind Neutronenstern Neutronenstern (Pulsar): Masse unserer Sonne nur 10 km Radius 30 Umdrehungen pro Sekunde heizt den Nebel mit Elektronen höchster Energie Chandra 2002 TeV Gammastrahlung vom Nebel...woher kommt die Energie?

63 Variable Gammastrahlung LSI MAGIC 2006

64 Modell für LSI

65 Aktive Galaktische Kerne NGC 5548 Seyfert galaxy NGC 3277: Normale Galaxie 5% aller Galaxien aktiv gewaltige Energieabgabe ( x Milchstraße!) Kern klein wie Sonnensystem, aber riesige Radio-Ohren Antriebsquelle der Jets: Zentrum: ein Materie aufsammelndes, super-massives, rotierendes schwarzes Loch mit >10 8 Sonnenmassen frißt 10 Sonnen/Tag! Radiobild Im Optischen

66 Die Kosmischen Kraftwerke: Aktive Galaktische Kerne

67 Schönes Beispiel: Jet von M87

68 Schwarze Löcher: Kosmische Staubsauger Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie Das Gesetz von der Aequivalenz von Masse und Energie (E=mc 2 ) Albert Einstein (1916) Schwarzschildradius: Schwarzes Loch krümmt Raum Point of no Return Lichtstrahlen werden abgelenkt Nahe dran kann selbst Licht nicht entrinnen: Schwarzschild-Radius r = 2GM/c 2

69 Extrem große Jets: 3C 353 Wirtsgalaxie ~ Lichtjahre

70 Schockbeschleunigung im Jet herausgeschleuderte Materie (Jets) Gamma-Strahlung einfallende Materie schwarzes Loch M ~ 10 9 M Sonne

71 Starke Helligkeitsschwankungen TeV Gammastrahlung Röntgenstrahlung Optisch Auf Zeitskalen von Stunden... Stärkste Variationen bei höchsten Energien Aktives Zentrum klein (Radius < c/t) Viel schnellere Beschleunigung als in Supernovae (starke relativistische Effekte)

72 Variationen auf Minutenskala! Gemessen von MAGIC am 30. Juni 2005 Charakteristische Verdopplungszeit des Flusses: Nur 2 Min! Wir erinnern uns: Jets riesig! ca. 20 Minuten Zeit ~ Lichtjahre Im Gegensatz dazu besagt diese Messung: Beschleunigung muß in einem Gebiet passieren, dessen Größe - mit der des zentralen schwarzen Lochs (!) - mit der unseres Sonnensystems vergleichbar ist.

73 Gammastrahlungsblitze (Gamma Ray Bursts) hellste bekannte Phänomene am Himmel überstrahlen für kurze Zeit den gesamten Gamma-Himmel: Ende der 1960er: Zufällige Endeckung durch Satelliten zur Überwachung von Atombombentests

74 Was wissen wir über GRBs? Kurze ( sec), unregelmäßige Pulse Kommen aus allen Himmelsrichtungen Quellen sehr weit in den Tiefen des Universums (Rotverschiebung ~ 5-10)

75 Was wir gerne wüßten... Was sind die Quellen von GRBs? Eventuell gigantische Supernovae? Spekulation: Fielen die Dinosaurier einem GRB in unserer Galaxie zum Opfer? Leuchten GRBs auch in anderen Wellenlängen als im Optischen? Strahlen GRBs auch hochenergetische Gammas aus? >> Lernen wir daraus etwas über die Teilchenbeschleuninungsmechanismen >> und über die Natur der GRBs?

76 GRB-Beobachtung mit MAGIC Nur Satelliten sehen den ganzen Himmel und können GRBs entdecken MAGIC muss schnell reagieren! GRB sehr kurz Schnelle GRB Warnung... MAGIC kann in 22 Sekunden jede Stelle am Himmel anfahren

77 MAGIC Beobachtungen GRB Beobachtungsprogramm aktiviert seit April GRB mit MAGIC beobachtet 2 GRB während des Ausbruchs beobachtet Noch kein Signal gesehen GRB050713a aber: Auch Nicht-Beobachtung wichtiges Ergebnis! Bald hoffentlich mehr Glück

78 Es gibt viel zu tun... µ-quasare Pulsarwind- Nebel Pulsare Galaktisches Zentrum AGN GRBs Die galaktische Ebene SNR Quellen der Kosmischen Strahlung Kosmologischer γ-horizont Quantengravitation Dunkle Materie