TU-Dortmund-Physikern gelingt ein revolutionär tiefer Blick in den Hochenergie-Kosmos

PKS 1441+25 im Sternbild Bootes (der Bärenhüter) ist einer der beiden am weitesten entfernten aktiven Galaxienkerne, die jemals im höchstenergetischen Gammastrahlenbereich – bei Energien, die viele Milliarden Mal größer sind als die des sichtbaren Lichts – beobachtet werden konnten.

Der Nachweis so weit entfernter Objekte in diesem Energiebereich ist unter anderem deshalb so schwierig, weil höchstenergetische Gammastrahlung auf ihrem Milliarden Lichtjahre langen Weg durch das Universum durch Wechselwirkungen mit niederenergetischen Photonen absorbiert wird.

Diese niederenergetischen Photonen erfüllen das Universum in Form eines diffusen extragalaktischen Hintergrundlichtes, das sozusagen den summarischen Fingerabdruck der Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte der Sterne und Galaxien im Kosmos bildet. Untersuchungen der Gammastrahlung von Objekten wie PKS 1441+25 ermöglichen indirekt so auch einen Blick weit zurück in eine Zeit, in der die Galaxien erst die Hälfte ihres heutigen Alters hatten.

Als im April 2015 das Large Area Telescope (LAT) auf dem Fermi-Satelliten der NASA eine Phase erhöhter Aktivität bei PKS 1441+25 registrierte, zögerten die Wissenschaftler der MAGIC Kollaboration, an dem die TU beteiligt ist, nicht lange und richteten ihre Teleskope ebenfalls auf das Objekt.

„Die moderne Astrophysik ist heute mehr als je zuvor darauf angewiesen, schnell auf besondere Ereignisse reagieren zu können und mit vielen verschiedenen Instrumenten Strahlung aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu registrieren. Bei MAGIC sind wir ideal auf solche Kampagnen vorbereitet. Die erfolgreichen Beobachtungen von PKS 1441+25 unterstreichen das in eindrucksvoller Weise“, erklärt Dr. Elina Lindfors (Universität Turku, Finnland), die bei MAGIC für die Gammastrahlenbeobachtungen von PKS 1441+25 verantwortlich zeichnete.

Abgesehen von der großen Entfernung sind die Beobachtungen von PKS 1441+25 auch deshalb von großem Interesse für die Astronomen, weil es sich hier um einen aktiven Galaxienkern aus der Klasse der sogenannten „Flachspektrum-Radioquasare“ (FSRQs) handelt. Die enormen Leuchtkräfte der FSRQs gehen auf Schwarze Löcher in ihren Zentren zurück, die mehrere hundert Millionen Mal so massereich wie unsere Sonne sein können.

Auf Grund ihrer gewaltigen gravitativen Anziehungskraft bildet sich ein stetiger Strom von Materie, die auf das Schwarze Loch zustürzt. Dabei werden einige Teilchen zu enormen Energien beschleunigt und verursachen die Hochenergie-Emission dieser kosmischen Gammastrahlenquellen.

Die FSRQs gelten insbesondere als mögliche Quellen der kosmischen Hochenergie-Neutrinos, die kürzlich unter maßgeblicher Beteiligung der Arbeitsgruppe um Prof. Wolfgang Rhode (TU Dortmund) mit dem IceCube Experiment am Südpol nachgewiesenen wurden.

„Um den physikalischen Bedingungen, die in diesen kosmischen Teilchenbeschleunigern herrschen und die zur Entstehung von höchstenergetischer Gammastrahlung und Neutrinos führen, auf den Grund zu gehen, müssen wir die gewaltigen Datenströme, die von unseren Teleskopen produziert werden, ressourcenschonend auswerten. Genau an dieser Schnittstelle zwischen Experiment und Big Data Science können wir hier an der TU Dortmund auch über den Sonderforschungsbereich 876 entscheidende Beiträge liefern”, so Prof. Rhode.

Die Forscher planen nun weitere Untersuchungen von PKS 1441+25 und ähnlichen Objekten im Rahmen der kürzlich gegründeten regionalen Forschungszentren RAPP (Ruhr Astroparticle-Plasma Physics Center; Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund und Universität Duisburg-Essen) und WECAP (Würzburg-Erlangen Center for Astroparticle Physics; Universitäten Erlangen und Würzburg). Dabei sollen neben den MAGIC Teleskopen insbesondere auch die Neutrinodetektoren IceCube am Südpol und ANTARES/KM3NeT im Mittelmeer zum Einsatz kommen.

Zusätzliche Informationen:
Das MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) Teleskopsystem befindet sich auf etwa 2200 Meter über dem Meeresspiegel als Teil der Europäischen Nordsternwarte am Roque de los Muchachos auf der Kanareninsel La Palma. Die beiden Teleskope des Systems haben jeweils einen Hauptspiegeldurchmesser von 17 Metern und messen mit weltweit einzigartiger Empfindlichkeit im Energiebereich zwischen 25 GeV und 50 TeV. Der Nachweis der Gammastrahlung geschieht dabei mittels der abbildenden Luftschauer-Cherenkovmethode über die Beobachtung von Wechselwirkungen der höchstenergetischen Teilchen in der Erdatmosphäre. MAGIC wird in einer internationalen Kollaboration von etwa 160 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Instituten aus Deutschland, Spanien, Italien, der Schweiz, Polen, Finnland, Bulgarien, Kroatien, Indien und Japan betrieben.

https://wwwmagic.mpp.mpg.de/
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/815/2/L23
https://www.youtube.com/watch?v=AJh7fq7tYfg&feature=youtu.be