Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015

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1 Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015 PD Dr. Kerstin Sonnabend III. ASTRONOMIE MIT γ-strahlung III.2 Instrumente für γ-astronomie III.3 Missionen zur γ-astronomie III.3.1 Compton Gamma Ray Observatory CGRO 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 1

2 III.2 Instrumente für γ-astronomie Bildgebende Techniken zur Richtungsbestimmung Zeitliche Modulation Absorber über gesamtes Sichtfeld bewegen Kombination mit Chopper -Technik Richtung aus Signalveränderung bestimmen Bedeckungstechnik Erde oder Mond als Absorber nutzen Kreisbogen als Quellenposition Überlagerung verschiedener Beobachtungswinkel Richtung aus Schnittpunkt der Kreisbögen 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 2

3 III.2 Instrumente für γ-astronomie Bildgebende Techniken zur Richtungsbestimmung Fourier-Transformation Gitter o.ä. über gesamtes Sichtfeld bewegen zeitlich verändertes Signal als Funktion Richtung aus Fourier-Transformation bisher nicht in Mission realisiert Kodierte Masken Sichtfeld variiert: blickdichte und transparente Elemente positionssensitive Detektoren: Detektorpixel < Maskenpixel Richtung aus Schattenform 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 3

4 III.2 Instrumente für γ-astronomie Bildgebende Techniken zur Richtungsbestimmung Compton-Streuung Streuebene D 1 : organischer Szintillator kleines Z, großes σ Compton Absorptionsebene D 2 : HPGe, NaI, CsI,... ϕ ϕ Gesamtenergie: E = E 1 + E 2 # # Streuwinkel:! = arccos 1" m e c && % " $ E 2 E 1 +E ( % ( $ 2 '' Positionen L 1 und L 2 aus segmentierten Detektoren und/ oder Anger-Methode (Pulshöhenanalyse) E 2, L 2 E 1, L Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 4

5 III.2 Instrumente für γ-astronomie Nachweis von γ-strahlung mit Energien 30 MeV Funkenkammer Drähte / Platten: Konverter Erzeugung e -e + -Paare Ionisationsspur im Gas Energie: Absorption in Szintillator Hochspannung: Durchschlag Steuerungslogik R Hochspannung C R Kosmische Strahlung Szintillator 1 Funkenkammer Richtung: Rekonstruktion der Spur Szintillator Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 5

6 III.2 Instrumente für γ-astronomie Nachweis von γ-strahlung mit Energien 30 MeV Cherenkov-Detektoren Cherenkov-Strahlung, wenn Teilchengeschwindigkeit größer als Lichtgeschwindigkeit im Medium: β n > 1 mit β = v/c Nachweis mit Photomultipliern (vgl. Neutrino-Experimente) Schwellenenergie: " E thr = m e c 2 $ # Ausstrahlung kegelförmig in Richtung v: cos ϕ = (β n) -1 Richtung aus Form des Kegels Veto- oder Koinzidenzdetektor n n 2!1 %!1' & 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 6

7 III.2 Instrumente für γ-astronomie Nachweis von γ-strahlung höchster Energien Bodengebundener Nachweis Atmosphäre als Konverter Erzeugung e -e + -Paare mit β > n -1 Energie 100 GeV: Aussendung Cherenkov-Strahlung Nachweis mit Photomultipliern Unterscheidung hadron. Schauer nur in Neumond-Nächten Energie 10 TeV: Nachweis mit Szintillationszählern großflächige Anlagen Quelle: MAGIC Kollaboration 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 7

8 III.3 Missionen zur γ-astronomie 1 MeV 1 GeV 1 TeV 1 PeV 1961 Explorer Vela Satellites 1968 OSO Apollo OSO-7 / SAS COS-B 1979 HEAO SMM 1989 SIGMA 1987 WHIPPLE 1991 CGRO 1987 HEGRA 1997 BEPPO-SAX 2002 RHESSI 2002 H.E.S.S INTEGRAL 2004 MAGIC I 2008 FGST-GLAST 2009 MAGIC II 1960er 1970er 1980er 1990er 2000er 2010er 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 8

9 III.3 Missionen zur γ-astronomie B.W. Carroll & D.A. Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics, Abb , S Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 9

10 III.3 Missionen zur γ-astronomie galaktische Länge l: gemessen in Grad ostwärts galaktische Breite b: gemessen in Grad entlang Großkreis durch NGP B.W. Carroll & D.A. Ostlie, An Introduction to Modern Astrophysics, Abb , S Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 10

11 Start: 05. April 1991 mit Space-Shuttle Atlantis Teil des Great Observatory Programme der NASA (Hubble Space Telescope, Chandra X-ray Observatory, Spitzer Space Telescope) Ende: 04. Juni 2000 durch kontrollierten Absturz Energiebereich: 20 kev 30 GeV verteilt auf vier Instrumente: Burst and Transient Source Experiment BATSE Oriented Scintillation Spectrometer Experiment OSSE imaging COMPton TELescope COMPTEL Energetic Gamma Ray Experiment Telescope EGRET 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 11

12 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 12

13 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 13

14 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 14

15 Burst and Transient Source Experiment BATSE Energiebereich: 20 kev 600 kev Detektion von γ-ray bursts & anderen veränderlichen Quellen acht Module an jeder Ecke Kombination aus Large Area Detector: NaI(Tl), 1.27 cm 50.4 cm Charged Particle Detector: Plastikszintillator, 6.35 mm Spectroscopy Detector: NaI(Tl), 7.62 cm 12.7 cm 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 15

16 Burst and Transient Source Experiment BATSE 2704 BATSE Gamma-Ray Bursts Lichtkurve eines γ-ray bursts 1 (rot): kev 2 (gelb): kev 3 (grün): kev 4 (blau): >300 kev Fluence, kev (ergs cm -2 ) nachgewiesene γ-ray bursts galaktische Koordination emittierter Fluss im Energieband kev 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 16

17 Oriented Scintillation Spectrometer Experiment OSSE Energiebereich: 50 kev 10 MeV vier identische Detektorsysteme i.d.r. Ausrichtung an CGRO-Instrumenten individuelle Rotation um bis zu 192º möglich Neben ziele On-Off -Technik 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 17

18 Oriented Scintillation Spectrometer Experiment OSSE Phoswich-Detektor Radius: 16.5 cm NaI(Tl), 10.2 cm CsI(Na), 7.6 cm passiver Kollimator W, 3.8º 11.4º aktive Abschirmung NaI(Tl), 8.5 cm Veto-Detektor Plastikszintillator Dicke: 0.6 cm 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 18

19 Oriented Scintillation Spectrometer Experiment OSSE J.D. Kurfess, Annals of the New York Academy of Sciences 759, 236 (1995), Fig. 3 Pulsar in Binärsystem: A a) mittlerer Fluss, Fit mit Absorptionslinie optische Tiefe τ = 1.8 b) Restspektrum c) Transmissionsfunktion der Absorptionslinie bei 110 kev Oberflächenmagnetfeld von T 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 19

20 imaging COMPton TELescope COMPTEL Energiebereich: 700 kev 30 MeV Streuebene D1: sieben Flüssigszintillatoren ausgelesen mit je 8 PMTs Absorptionsebene D2: 14 NaI(Tl)-Detektoren ausgelesen mit je 7 PMTs Compton-Imaging mit Anger-Methode V. Schönfelder, The Astrophysical Journal Supplement Series 86, 657 (1993), Fig Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 20

21 imaging COMPton TELescope COMPTEL V. Schönfelder, Astroph. J. Suppl. Ser. 86, 657 (1993), Fig. 6 (l.) und Fig. 8 (r.) Flüssigszintillator NE 213A 8.5 cm 28 cm Gesamtfläche: 4188 cm 2 NaI(Tl)-Detektoren 7.5 cm 28.2 cm Gesamtfläche: 8744 cm Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 21

22 imaging COMPton TELescope COMPTEL V. Schönfelder, Astroph. J. Suppl. Ser. 86, 657 (1993), Fig. 14 (o.) und Fig. 15 (u.) 30. Juni 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 22