CTA

Computermodelle der drei unterschiedlichen CTA Teleskopgrößen [Abb. CTA/flickr]

Das Cherenkov Telescope Array ist ein geplantes internationales Projekt im Bereich der TeV-Astronomie. Es wird mit einer 10x höheren Auflösung als die aktuelle Generation (H.E.S.S., VERITAS und MAGIC) nach seiner Fertigstellung das größte und genaueste erdgebundene Instrument sein, das Gammastrahlung abbilden kann. Um den gesamten Himmel beobachten zu können, werden die Teleskope auf zwei Standorte verteilt: einen auf der Südhalbkugel in der Atacamawüste in Chile und einen auf der Nordhalbkugel auf den Kanarischen Inseln. Die Inbetriebnahme des ersten Teleskops ist bereits für 2018 geplant.

Funktionsprinzip der Teleskope

Das Funktionsprinzip von CTA [Abb.: CTA/flickr]

CTA wird Gammastrahlung aus dem All beobachten. Wenn diese sehr energiereiche elektromagnetische Strahlung auf die Erdatmosphere trifft, löst sie dabei einen sog. Teilchenschauer mit einer Vielzahl an geladenen Teilchen aus. Diese Teilchen sind immer noch so energiereich, dass sie sich schneller als Licht in der Atmosphäre bewegen können (Licht breitet sich in der Luft langsamer als im Vakuum aus). Außerdem regen geladene Teilchen andere Atome und Moleküle beim Passieren zum Aussenden von Lichtwellen an.

Was dann passiert ist sehr ähnlich zu dem, was bei Flugzeugen beobachtet wird, wenn ihre Geschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit übersteigt: die einzelnen Wellen überlagern sich zu einer Front, was bei Flugzeugen zum Überschallknall führt. Bei Teilchenschauern spricht man von Cherenkov-Strahlung, ein Lichtblitz, der einige Milliardstel einer Sekunde dauert, zu kurz, um vom menschlichen Auge erfasst zu werden. Die Spiegel von CTA und ihre Hochgeschwindigkeitskameras hingegen können diese Strahlung abbilden. Selbst wenn die Schauer relativ selten auftreten, wird erwartet, dass die große Anzahl an Teleskopen, aus denen CTA bestehen wird (über 100), dazu führen wird, dass die Zahl der bekannten Gammastrahlungs-Quellen in den ersten Betriebsjahren von heute ca. 150 auf das Zehnfache steigen wird.

Wissenschaftliche Ziele

CTA wird ultra-hochenergetische Gammastrahlen mit noch nie dagewesene Genauigkeit untersuchen können. Die wesentlichen wissenschaftlichen Ziele, die für Mission gewählt wurden, sind die folgenden:

  • Untersuchung der Quellen und der Prozesse für die Beschleunigung relativistischer, hochenergetischer Teilchen
  • Studium extremer Objekte wie schwarzer Löcher und Neutronensterne sowie ihre Wechselwirkung mit ihrer Umgebung
  • Suche nach Hinweisen auf die Existenz von dunkler Materie-Teilchen und anderen theoretischen Teilchen wie Axionen

Um diese Themen zu erforschen, werden gezielt besondere Himmelsregionen und Objekte beobachtet werden, wie das galaktische Zentrum, das nicht nur ein supermassives schwarzes Loch enthält, sondern auch Molekularwolken in der Umgebung, die im Gammabereich sichtbar sind. Außerdem werden die Magellan'schen Wolken untersucht, die galaktische Ebene, aktive Galaxienkerne, Galaxienhaufen und Regionen aktiver Sternenentwicklung. All diese Regionen sind Quellen elektromagnetischer Strahlung im Gamma-Bereich.   

Der Galaxienhaufen Abell 1689 [Abb. NASA/CXC/MIT/E.-H. Peng]
Simulation der Beobachtung der galaktischen Ebene mit CTA [Abb. CTA Projekt]
Die Galaxie Centaurus A, die ein supermassives schwarzes Loch in ihrem Zentrum enthält, das riesige Jets generiert

Tübinger CTA Aktivitäten

Das Institut für Astronomie und Astrophysik ist Mitglied der CTA Collaboration und beteiligt sich an verschiedenen Arbeitsgruppen.

Aktuelle Projekte, die am Institut durchgeführt werden sind:

  • CTA Aktuatoren Entwicklung für die Medium Sized Telescopes (MST)
  • CTA Spiegelbedampfungen
  • CTA Spiegelteststand (CCD-basiert)
  • CTA FlashCam Elektronikentwicklung und Tests
  • CTA FlashCam Datenauswertung und Simulationen

FlashCam

Eines der Elektronik-Boards von FlashCam

FlashCam ist ein Kamerakandidat für CTA Medium-Sized Telescopes. Cherenkov Kameras müssen die sehr kurzen (im Bereich weniger ns) und schwachen Lichtsignale von Luftschauern aufzeichnen können. Um die potentiell unüberschaubaren Datenmengen zu reduzieren wird ein Triggersystem verwendet, dessen Aufgabe es ist, dafür zu sorgen, dass nur relevante Daten aus der Kamera ausgelesen werden.

 

Die wichtigsten Designmerkmale von FlashCam sind Digitalisierung der Signale so früh wie möglich, Modularität und die Verwendung eines nichtlinearen Verstärkers, um den gesamten Bereich an möglichen Signalstärken mit nur einem Kanal abdecken zu können.

 

 

Am IAAT werden die Firmware der FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) der Ausleseelektronik mitentwickelt, Testumgebungen für die Kameraprototypen entworfen sowie an der Auswertung der Prototypen-Daten mitgearbeitet.

Flashcam-Modell. Von links nach rechts: Eintrittsfenster; Photonendetektorebene; Elektronikebene; Kameragehäuse [Abb: CTA]
Tests eines Flashcam-Prototyps montiert auf ein Medium-Sized Teleskopmodell in Berlin-Adlershof, Juli 2015. [Abb. CTA]
Rückseite eines Flashcam-Prototyps [Abb. CTA]
Vorderseite eines Flashcam-Prototyps [Abb. CTA]

Spiegelbedampfung

Auf dem Bild zu sehen ist die Balzers BA k 550 Aufdampfanlage des IAAT

Naheliegenderweise kritisch für die Abbildungsfähigkeiten von Cherenkov Teleskopen sind die verwendeten Spiegel. Die Eigenschaften der Spiegel werden im wesentlichen bestimmt durch deren Form und Beschichtung. Die Form ist vorgegeben durch die Geometrie des Teleskops, insbesondere dessen gewünschte Brennweite.

 

An die Beschichtung von Spiegeln für Cherenkov Teleskope gelten hohe Anforderungen. Sie müssen Reflektivitäten von über 90% im Bereich der Wellenlänge der Cherenkov Strahlung (von UV bis ins blaue, ca. 300 nm bis 600 nm) erreichen, um die schwachen Signale abbilden zu können. Die reflektive Schicht befindet sich auf einem Substrat (z.B. Glas) und ist daher direkt Umwelteinflüssen ausgesetzt.

 

Um die Reflektivität und Langlebigkeit der Spiegel zu optimieren, wurden in der Aufdampfanlage am IAAT kleine Spiegelproben mit verschiedenen Verbindungen beschichtet und deren Eigenschaften untersucht.

 

Letztes Update 08/2017: Eva Laplace, Chris Tenzer