Das H.E.S.S. Teleskopsystem in Namibia. Christian Stegmann Humboldt Universität zu Berlin

Transkript

1 Das H.E.S.S. Teleskopsystem in Namibia Christian Stegmann Humboldt Universität zu Berlin

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9 Ist das alles?

10 Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung lange kurze Wellenlänge Sichtbares Licht umfasst eine Oktave in der Wellenlänge aber das Spektrum elektromagnetischer Strahlung aus dem Weltall umfasst mehr als 70 Oktaven d.h., die Natur spielt auf einem 15 Meter langen Klavier

11 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (ev)

12 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (10-6 ev)

13 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (10-2 ev)

14 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (10 3 ev)

15 Radio Infrarot Sichtbares Licht Röntgen Gamma (10 9 ev)

16 Gamma (TeV = ev) Terra Incognita

17 Gamma Röntgen Ultraviolett Sichtbares Licht Infrarot Radio 500 km 100 km 10 km 0 km

18 Photon (Lichtteilchen) Teilchen- Schauer ~ 10 km

19 Teilchen- Schauer Cherenkov Licht ~ 10 km ~ 120 m

20 Luftschauer sehen aus wie Meteore

21 Rekonstruktion der Quelle mit vielen Bildern M

22 Teilchen- Schauer Cherenkov Licht ~ 10 km ~ 120 m

23 Ein typisches Cherenkov Teleskop

24 Stereoskopische Systeme Kameraebene

25 Nachweisfläche Typischer Satellit, stark vergrößert! ~ 120 m ~50000 m 2

26 Das H.E.S.S. Teleskop System

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28 H.E.S.S. in Namibia

29 Namibia Klarer Himmel Zentrum der Milchstrasse im Zenith Mildes Klima Leichter Zugang Gute lokale Unterstützung

30 Namibia Klarer Himmel Zentrum der Milchstrasse im Zenith Mildes Klima Leichter Zugang Gute lokale Unterstützung

31 Nicht alles ist schön in Namibia

32 Alt-Az Aufhängung Stahlrahmen Gewicht ~60 Tonnen Spiegel Fläche ~107m 2, segmentiert in 380 einzelne Spiegel von 60cm Durchmesser Durchmesser 13 m, Brennweite 15 m Kamera 5 o Geschtsfeld Teleskope

33 November 2000 NEC Januar 2001

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44 Infrastruktur Kontrollgebäude Residenz Generatoren, Richtfunkstrecke,...

45 September 2001

46 Mai 2002

47 Die Spiegel: 380 Facetten aus bedampftem Glas

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49 Spiegelausrichtung vor Ausrichtung

50 Spiegelausrichtung Nachführung besser als als ~1/40 der der Einzelschauerauflösung ~1/190 des des Monddurchmessers nach Ausrichtung

51 960 Pixel Kamera

52 Wichtigste Eigenschaft der Kamera: kurze Verschlusszeiten 1/10000 (100 µs) 1/ (10 µs) 1/ (1 µs) 1/ (100 ns) 1/ (10 ns)

53 1/10000 (100 µs) 1/ (10 µs) 1/ (1 µs) 1/ (100 ns) 1/ (10 ns)

54 1/10000 (100 µs) 1/ (10 µs) 1/ (1 µs) 1/ (100 ns) 1/ (10 ns)

55 1/10000 (100 µs) 1/ (10 µs) 1/ (1 µs) 1/ (100 ns) 1/ (10 ns)

56 1/10000 (100 µs) 1/ (10 µs) 1/ (1 µs) 1/ (100 ns) 1/ (10 ns)

57 Modularer Aufbau

58 Das Gesichtsfeld Belichtungszeit 1/ s (10 ns) Bildrate ~500 Hz

59 Computing 20 PCs ( MHz, GHz) Datenrate = 8 GByte/Stunde, etwa 1.2 TByte in 3 Wochen NAS-Boxen (je 1.5 TByte, RAID Level 10) Server, DLT Laufwerke

60 Das System Mai 2002 September 2003 Februar 2003 Dezember Teleskope in Betrieb seit Dezember 2003 Energieschwelle: 100 GeV Einzel-Schauerauflösung: 0.1 o Energieauflösung: 15%

61 Offizielle Eröffnung September 2004

62 Das Mysterium der kosmischen Strahlung

63 Kosmische Strahlung 1912 entdeckt durch Viktor Hess Quellen noch immer unbekannt H.E.S.S. ist auf der Suche nach den Quellen!

64 Highlights

65 Krebs Nebel Supernova (Sternenexplosion) von 1054 beobachtet von Chinesen und Indianern. Amerikanische Indianer- Felszeichnung Etwa 6 Wochen bei Tag sichtbar.

66 Krebs Nebel Supernova 1054 Entfernung ~6500 Ly Pulsar im Zentrum rotierender Neutronenstern ~30 mal pro Sekunde Radius = 10 km Masse = Masse unserer Sonne Plerion Relativistisches Elektronenplasma gespeist durch den zentralen Pulsar optisch Röntgen

67 Krebs Nebel Stärkste Gammastrahlungsquelle Rate: 11 γ/min Himmelskarte

68 RX J Vor ~3000 Jahren: Am Jisi Tag, dem 7. Tag im Monat erschien ein neuer Stern in der Nähe des Huo Sterns Heute: stärkste galaktische Röntgenquelle 1 Grad Ausdehnung (~ 2 Monddurchmesser)

69 RX J Erstmalig Identifikation einer γ- Strahlungsquelle über die Morphologie Schalenstruktur sichtbar in γ-strahlung H.E.S.S. γ-strahlungsabbild Röntgen Gammastrahlungsastronomie ist erwachsen geworden!

70 Sagittarius A* Dynamisches Zentrum unserer Milchstrasse Supermassives Schwarzes Loch M= M

71 Sagittarius A* H.E.S.S. Quellenposition Sgr A

72 Zukunft

73 Phase II Verbesserte Sensitivität S(4 kleine + 1 großes) S(8 kleine) Reduzierte Schwelle O(20 GeV)

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76 Zusammenfassung Gammastrahlungsastronomie ist erwachsen geworden! H.E.S.S. ist gut gestartet Erwarten eine strahlende Zukunft

77 Die Entdeckung Höhe [m] Nobelpreis 1936 Ionisation [J]

78 Teilchenfluss Ein Teilchen pro m 2 und Sekunde Der Fluss der Kosmischen Strahlung Energieskalen Ein Teilchen pro m 2 und Jahr Teilchenflüsse Zusammensetzung: meist Atomkerne Grösster irdischer Teilchenbeschleuniger Ein Teilchen pro km 2 und Jahr Energie [ev] Die kinetische Energie von einem Gramm dieser Teilchen deckt den Weltenergiebedarf für 1000 Jahre!

79 Teilchenfluss Kosmische Beschleuniger in unserer Milchstrasse haben eine Leistung von W ( x Leuchtkraft der Sonne) Was soll s? Normale Sterne können die die Kosmische Strahlung nicht erzeugen; ihre ihre Quellen und und Beschleuniger müssen zu zuden extremsten Orten im im Universum zählen, an an den den Grenzen der der bekannten Naturgesetze Quellen sind unbekannt! Die Die Kosmische Strahlung beeinflusst die die Entwicklung von von Galaxien in in der der Kosmischen Strahlung steckt so so viel viel Energie wie wie im im Sternenlicht Die Die Kosmische Strahlung ist ist einer der der Faktoren in in der derevolution der der Arten Energie [ev]

80 Warum kann man die Quellen der Kosmischen Strahlung nicht sehen?

81 Supernovae: die Beschleuniger der Kosmischen Strahlung?

82 1604: Kepler Supernova Sonjo Sillok ( Royal Korean Journal )

83 1572: Tycho Supernova Sternbild Cassiopeia

84 Wie könnten k kosmischen Beschleuniger arbeiten? Unsere Beschleuniger Zahl der Teilchen Energie

85 Wie könnten k kosmischen Beschleuniger arbeiten? Unsere Beschleuniger Beschleuniger in der Natur Zahl der Teilchen Energie Enrico Fermi Zahl der Teilchen Energie

86 Schockbeschleunigung in Supernovae? Erzeugt ein Spektrum an Teilchenenergien Braucht viele 100 Jahre um Teilchen zu den höchsten Energien zu beschleunigen Wandelt bis zu 50% der Supernova-Energie in Kosmische Strahlung um Setzt genug Energie um, um die Galaxis zu füllen Cassiopeia A Aber stimmt das alles? Können wir es beobachten?

87 Gammastrahlungs- astronomie

88 Quellen Identifikation Elektronenbeschleuniger e + γ e + γ(tev) Protonenbeschleuniger p + Kern π+ X π o γγ π ± µ ± ν

89 Quellen Identifikation Photonen zeigen zur Quelle

90 Cherenkov-Licht: Optisches Äquivalent zum Überschallknall

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92 Experimentelle Techniken MeV GeV TeV PeV EeV ZeV Energie Satelliten Cherenkov- Teleskope Luftschauer N 2 Fluoreszenz Weltall Auf der Erde

93 Schauerbild in der Kamera In Atmosphäre In Kamera Ebene Teilchen schauer Teleskop

94 Schauerbild in der Kamera In Atmosphäre In Kamera Ebene

95 Krebs Energiespektrum Teilchenfluss Energie Radio Optisch Röntgen Gamma Energie Standartkerze in in der Gammastrahlungsastronomie

96 Bilder am Himmel Quelle Ein Bild θ Photon Viele Bilder θ 2 -Verteilung

97 Supernova 1006

98 Supernova light years 0.5 o diameter

99 Supernova light years 0.5 o diameter CANGAROO (Cherenkov- Experiment in Australien) Von H.E.S.S. nicht gesehen! H.E.S.S. obere Grenze für den Fluss an Gammastrahlung < 8% CANGAROO Fluss! Grund ungeklärt!

100 Supernovae 3 TeV Quellen bekannt Quelle SN 1006 RX J Cassiopeia A Nachgewiesen durch CANGAROO CANGAROO HEGRA Sichtbar für H.E.S.S. Ja Ja Nein

101 Supernovareste vom Schalentyp Experimentelle Situation Quelle Nachgewiesen durch Sichtbar für H.E.S.S. Nachgewiesen SN 1006 CANGAROO Ja Nein RX J CANGAROO Ja Ja! Kassiopeia A HEGRA Nein -- Mehr Quellen und Studium der Morphologie

102 Fortschritt Nachweis von TeV-Strahlung des Krebsnebels Whipple 1989: 50 h Beobachtungszeit HEGRA 1997: 15 min HESS 2004: 30 sec

103 H.E.S.S. sieht Gammastrahlung vom Galaktischen Zentrum Sagittarius A*

104 Drawer Module (4 4 PMTs) Photonis PMT XP Dynodes Gain ~2 x 10 5 Active base DC-DC converter V Last 4 dynodes active HV & current readout Current limit Analog Ring Sampler (ARS) Samples PMT signal at 1 GHz 128 samples ring buffer Serves to delay signal until trigger decision High/low gain channels for large dynamic range (> 2000 pe) Multiplexed ADC to digitize signal; FPGA Controls conversion and readout Optionally sums signals over readout window (16 ns) Parallel bus for readout, token-passing scheme