Das Fermi Gamma-ray Space Telescope

Die Gammaastronomie ist ein junger Zweig der Astronomie, in dem einige deutsche Institute beteiligt sind und bereits viel Erfahrung vorweisen können. Das Fermi Gamma-ray Space Telescope (FGST) soll diese Forschung weiterführen. In den 1990er-Jahren gelang es mit dem Weltraumobservatorium Compton Gamma-Ray Observatory (CGRO) zum ersten Mal, so exotische Objekte wie Blazare, Pulsare, Kerne von aktiven Galaxien und Gammastrahlenblitze (Gamma Ray Bursts, GRBs) bei Energien zwischen einigen Millionen Elektronenvolt (MeV) und einigen zehn Milliarden Elektronenvolt (GeV) zu beobachten. In diesem Bereich lassen sich die energiereichsten Prozesse untersuchen, die in der Natur ablaufen. Hierbei handelt es sich vorwiegend um Wechselwirkungen von hochenergetischen Teilchen und Photonen mit Materie und elektromagnetischen Strahlungsfeldern. Diese ereignen sich im Allgemeinen in der Nähe von kompakten Objekten wie Pulsaren und Schwarzen Löchern. Aber auch bei Wechselwirkungen von hochenergetischen Teilchen mit interstellarer Materie kann Gammastrahlung entstehen.

Suche nach Gammastrahlenausbrüchen

Position des GBM im Satelliten und Anordnung der NaI- und BGO-Detektoren

Einen Schwerpunkt der Untersuchungen mit FGST (früher GLAST, Gamma-Ray Large Area Space Telescope) werden die Gammastrahlenausbrüche (Gamma-ray Bursts, GRBs) bilden. Die Natur dieser plötzlich am Himmel aufleuchtenden Gammablitze war jahrzehntelang unklar, bis es gelang, einige von ihnen zu identifizieren und ihre Entfernungen zu bestimmen. Seitdem weiß man, dass es sich um gigantische Ausbrüche in fernen Galaxien handelt. Heute vermutet man zwei Ursachen dahinter: Einerseits Zusammenbrüche und Explosionen von besonders massereichen Sternen am Ende ihres Lebens (Kollapsare, Hypernovae), die dann möglicherweise in einem Schwarzen Loch enden. Andererseits verschmelzende kompakte Himmelskörper wie zwei Neutronensterne.

Bei diesen Vorgängen werden gewaltige Energiemengen frei, vor allem im harten Röntgenlicht. Beobachtungen mit EGRET auf dem Compton Gamma-Ray Observatory haben aber gezeigt, dass einige dieser Bursts auch im Gammabereich nachleuchten. Von diesen Beobachtungen ist bekannt, dass Teilchen bei diesen Vorgängen über einen Zeitraum von Stunden beschleunigt werden müssen und sie dabei die beobachtete Gammastrahlung aussenden. Das hat wichtige Konsequenzen für die Physik dieser Objekte und für den Erzeugungsmechanismus der Gammastrahlung. Sie steht möglicherweise im Zusammenhang mit der Entstehung eines Schwarzen Loches. Mit dem FGST soll diese hochenergetische Strahlung gemessen und der Zusammenhang zur niederenergetischen Gammastrahlung hergestellt werden. Hierfür verfügt das Observatorium über zwei Instrumente.

Das FGST-Observatorium

Das Hauptinstrument LAT (Large Area Telescope) soll Gammastrahlung im Energiebereich von etwa 15 MeV bis 300 GeV messen, während das zweite Instrument GBM (GLAST Burst Monitor) bei geringeren Energien zwischen etwa 10 keV und 30 MeV empfindlich ist. Das LAT besteht aus einer Anordnung von übereinander geschichteten Siliziumstreifendetektoren. In ihnen werden die Spuren von Elektronen und Positronen gemessen, die durch Gammaquanten beim Paarerzeugungsprozess erzeugt werden. Hierbei verwandelt sich die gesamte Energie des Gammaquants in ein Elektron-Positron-Paar. Damit ist es möglich, hochenergetische Gammaquellen am Himmel bis auf wenige Bogensekunden genau zu orten.

Der GBM besteht aus zwölf Detektoren aus Natriumiodid-Kristallen, mit denen sich GRBs im Energiebereich von 10 keV bis 1 MeV lokalisieren lassen. Dieser Detektor dient gewissermaßen als Alarm für den LAT, der sich nach einem registrierten Gammablitz auf dessen Position ausrichtet und nach dem hochenergetischen Nachleuchten Ausschau hält. Außerdem besitzt der GBM noch zwei Detektoren aus Halbleiterkristallen, sogenannten BGO-Kristallen, die Gammastrahlung im Übergangsbereich der beiden Instrumente zwischen etwa 150 keV und 30 MeV messen können. Auf diese Weise wird es mit den beiden FGST-Instrumenten zum ersten Mal möglich sein, die Spektren von GRBs über sechs Energiedekaden hinweg zu vermessen.

GBM-Detektoren bei Tests im Labor

Das Leuchtkraftmaximum liegt bei den meisten Gammabursts bei Energien um 250 keV, also weit unterhalb der Energieschwelle des LAT. Ohne den GBM wäre die Bestimmung dieses Leuchtkraftmaximums nicht möglich. Dieser Parameter hängt eng mit der relativen Bewegung von Beobachter und Quelle zusammen und gibt somit Aufschluss über die kosmologische Rotverschiebung und die relativistische Bewegung der emittierenden Teilchen. Für das Verständnis der Energieerzeugung in GRBs ist die Messung dieser Energie von entscheidender Bedeutung.

Die Zusammenarbeit von LAT und GBM ermöglicht es zudem, eine weitere aktuelle Frage im Zusammenhang mit GRBs anzugehen. Zumindest bei einigen Bursts hat es den Anschein, als würde die Emission zuerst im niederenergetischen Bereich und anschließend bei höheren Energien erfolgen. Dieses Phänomen ist weitgehend ungeklärt, sollte aber wichtige Hinweise auf die Vorgänge während des Gammaausbruchs und beim Ausglühen des Feuerballs geben.

Neutralinos

Simulation: Annihilation der Dunkle-Materie-Teilchen vom galaktischen Zentrum

Neben diesen spannenden Untersuchungen der GRBs könnte das FGST auch zur Lösung des Rätsels der Dunklen Materie beitragen. Ein Kandidat für die Teilchen der Dunklen Materie ist das sogenannte Neutralino, ein Beispiel für ein „Weakly Interacting Massive Particle“ (WIMP). Zwei zusammenstoßende Neutralinos können einander annihilieren und zur Emission von Gammaquanten mit Energien zwischen 30 GeV und 10 TeV führen. Diese Vernichtungsstrahlung könnte demnach für das FGST sichtbar sein. Simulationen belegen, dass die Dichte der Dunklen Materie zum Zentrum unseres Milchstraßensystems signifikant zunehmen müsste. Das FGST müsste die von diesen Neutralinos erzeugte Annihilationslinie nachweisen können.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit der Teilnahme des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik am FGST-Projekt soll die erfolgreiche Erforschung des Himmels im Gammalicht durch deutsche Forscher fortgeführt werden. Da dieser Wellenlängenbereich bisher noch relativ unerforscht ist, ergibt sich damit für die beteiligten Wissenschaftler die Möglichkeit, mit neuen Erkenntnissen zu einem besseren Verständnis relativistischer Teilchenbeschleunigung und ihrer verwandten Strahlungsprozesse in unserem Universum beizutragen. Das FGST startete im Juni 2008 und begann zwei Monate später seinen wissenschaftlichen Einsatz.