High Energy Stereoscopic System

High Energy Stereoscopic System
Teleskopsystem H.E.S.S.
Gründung	2002
Typ	Bodengebundenes Teleskop
Höhe	1800 m
Koordinaten	23° 16′ 17,5″ S, 16° 30′ 3,5″ O-23.27153616.500974
Ort	Farm Göllschau
Website	https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS/

Die Teleskope CT-2 und CT-3

Vier Teleskope im nächtlichen Betrieb

Das High Energy Stereoscopic System oder H.E.S.S. ist ein System von abbildenden Tscherenkow-Teleskopen (englisch Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes, IACTs) zur Gammaastronomie. Es dient der Untersuchung kosmischer Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 30 GeV und einigen 10 TeV. Die Anlage befindet sich in der Region Khomas in Namibia.

Zweck und Namensgebung

H.E.S.S. ermöglicht das Erforschen von Gammastrahlungs-Quellen mit Intensitäten im Bereich von weniger als ein Prozent des Krebsnebels durch Analyse von Tscherenkow-Blitzen. Das System wird auf der Farm Göllschau in Namibia in der Nähe des Gamsbergs betrieben. Das Gebiet ist bekannt für seine besondere Eignung zu optischen Beobachtungen.

Das Akronym H.E.S.S. wurde zu Ehren von Victor Franz Hess gewählt, dem Entdecker der kosmischen Strahlung. Der vollständige Name des Instruments, der auf Deutsch „stereoskopisches Hochenergie-System“ bedeutet, betont zwei Hauptmerkmale des Systems, nämlich die gleichzeitige Beobachtung von Luftschauern mit mehreren Teleskopen und das Zusammenfassen aller Teleskope zu einem gemeinsamen System, um die Energieschwelle zu senken und die effektive Detektionsfläche für Gammastrahlung zu erhöhen.

Geschichte

Das erste der vier Teleskope von Phase I des H.E.S.S.-Projektes wurde im Sommer 2002 in Betrieb genommen; seit Dezember 2003 werden alle vier Teleskope gemeinsam betrieben. Am 28. September 2004 wurde das System offiziell eingeweiht.

Im Jahre 2004 konnte H.E.S.S. als erstes IACT-Experiment die Struktur einer Quelle kosmischer Gammastrahlung räumlich auflösen. Im Jahre 2005 hat H.E.S.S. acht neue Quellen hochenergetischer Gammastrahlung entdeckt und damit die Zahl der bekannten Quellen verdoppelt. Zwei dieser Quellen konnten noch nicht mit bereits bekannten Objekten wie etwa Supernovaüberresten oder Pulsaren identifiziert werden. Der bestehende Aufbau wurde bis Juli 2012 um ein Teleskop mit einer einem Durchmesser von 28 Meter entsprechenden Spiegelfläche erweitert (H.E.S.S. Phase II). Ursprünglich war geplant, die Anlage um 12 weitere Teleskope von der gleichen Größe der vier bisherigen auf dann 16 Teleskope zu erweitern. Dieser Plan wurde jedoch aus finanziellen Gründen aufgegeben.

Erstes Licht von H.E.S.S. II war am 26. Juli 2012. Mit einer von nur zwei Messungen überhaupt weltweit zeichnete H.E.S.S. II Anfang Juli 2014 Gammastrahlung des Vela-Pulsars auf.

Durch H.E.S.S. gefundene Gammastrahlungsquellen (Montage)

Aufbau

Luftaufnahme des H.E.S.S. (2017)

Das System besteht aus fünf Spiegelteleskopen, deren Anordnung auf dem Boden derjenigen der fünf Augen auf einem Spielwürfel entspricht.

Die vier Teleskope der Phase I stehen auf den Eckpunkten eines Quadrats von 120 m Seitenlänge. Sie sind, ebenso wie das Phase-II-Teleskop, in Altazimut-Montierung ausgeführt, d. h. jedes der Teleskope besteht aus einem Rahmen, der um die Vertikale drehbar ist und somit die Einstellung des Azimutwinkels gestattet und an dem der Spiegel, zur Einstellung des Höhenwinkels um die Horizontale drehbar gelagert, eingehängt ist. Die Winkel können mit einer Genauigkeit von einigen Bogensekunden angefahren werden. Die Spiegel der Phase-I-Teleskope setzen sich aus je 382 runden Spiegelfacetten von 60 cm Durchmesser zusammen. Dies ergibt eine Gesamtspiegelfläche von 108 m² pro Teleskop, entsprechend der Fläche eines Einzelspiegels von 11,73 m Durchmesser. Die Brennweite beträgt jeweils 15 m. Die Spiegel werden auf eine Objektweite von etwa 10 km eingestellt, was der üblichen Entfernung eines Luftschauers von dem Teleskopsystem entspricht. Jede Spiegelfacette kann mittels zweiter fernbedienter Motoren justiert werden.

Spiegel des Phase-II-Teleskops (28-Meter-Teleskop)

Das in Phase II erbaute fünfte Teleskop steht im Schnittpunkt der Diagonalen der Phase-I-Teleskope. Es ist deutlich größer als diese. Sein Spiegel besteht aus 875 sechseckigen Spiegelfacetten mit 90 cm Durchmesser (Abstand zwischen gegenüberliegenden Kanten). Er hat eine Brennweite von 36 m. Die Hauptachsen seiner Spiegelfläche sind 32,6 bzw. 24,3 m lang. Die Gesamtspiegelfläche beträgt 614 m², was einem effektiven Durchmesser von 28 m entspricht. Der Höhenwinkel kann mittels zweier auf den Seiten angebrachter Zahnstangenantriebe im Bereich zwischen −125° und +90° verfahren werden. Die Drehachse für den Höhenwinkel befindet sich in einer Höhe von 24 m; die Gesamthöhe beträgt ca. 40 m. Der Azimutwinkel kann im Bereich ±280° verfahren werden mittels einer Schiene von 36 m Durchmesser, auf der sechs Drehgestelle mit jeweils zwei Rädern fahren. Das Gesamtgewicht ist 580 t.

Kamera eines der Teleskope

Die Detektoren oder „Kameras“ der Teleskope, die sich in der Bildebene jedes Teleskops befinden und die Tscherenkow-„Bilder“ der Luftschauer aufzeichnen, bestehen jeweils aus zahlreichen Photomultipliern, von denen jeder einem Pixel des Detektorsystems seines Teleskops entspricht. Bei der Konstruktion wurden eine möglichst geringe Pixelgröße, ein großes Bildfeld sowie ein geeignetes Triggersystem zur Identifizierung der Tscherenkow-Blitze und zur Diskriminierung ihres Signals vom Hintergrundlicht angestrebt. Die Elektronik zur Auslese und Digitalisierung der Signale ist in das Kameragehäuse integriert. Das System ist modular aufgebaut und besteht aus „Schubladen“, die jeweils 16 Photomultiplier und ihre Elektronik enthalten. Die Rückseite der Kameragehäuse enthält die Spannungsversorgung, einen Mikroprozessor, Triggerelektronik sowie Schnittstellen zur Datenauslese. Aufnahmen werden nach dem Prinzip der Koinzidenzmessung ausgelöst, wozu unter anderem ein zentrales Triggersystem dient, das Koinzidenzen von Signalen der fünf Einzelteleskope analysiert.

Photomultiplier-Array einer der Kameras

Die Kameras der Phase-I-Teleskope bestehen aus jeweils 960 Photomultipliern, haben also jeweils 960 Pixel, und decken ein Bildfeld von 5° ab; jeder Pixel entspricht einem Winkelbereich von 0,16° am Himmel. Die Elektronik jeder Kamera hat eine Leistungsaufnahme von etwa 5 kW, die über ein computergesteuertes Luftkühlungssystem mit 80 Ventilatoren abgeführt werden. Jede Kamera hat einen Durchmesser von etwa 1,6 m, ist 1,5 m lang und wiegt etwa 800 kg.

Die Kamera des Phase-II-Teleskops funktioniert nach demselben Prinzip, ist jedoch deutlich größer als diejenigen der 12-Meter-Teleskope. Sie hat 2048 Pixel von 42 mm bzw. 0,067° Größe, die insgesamt eine Detektorfläche von 200 cm bzw. 3,2° des Himmels abdecken. Die effektive Belichtungszeit beträgt 16 ns, und es können 3600 Bilder pro Sekunde aufgenommen werden. Die Leistungsaufnahme beträgt 8 kW, die Abmessungen 2,27 m (Breite) × 2,40 m (Höhe) × 1,84 m (Tiefe), und das Gewicht 2,8 t. Eine spezielle Mechanik gestattet es, die Kamera in Schlechtwetterperioden oder zur Installation eines anderen Kameramoduls teilautomatisiert zu entfernen.

Zur Justierung der Spiegel und der Spiegelfacetten ist jedes Teleskop zudem mit zwei CCD-Kameras ausgestattet, von denen eine als Detektor eines parallel zur optischen Achse des Spiegelteleskops montierten 800-mm-Teleskops dient und die andere im Zentrum des Spiegels montiert ist. Sie ist auf die weiße Abdeckung der Hauptkamera gerichtet und dient sowohl zur Justierung der Spiegelfacetten als auch zur Bestimmung der Verformung der Kameraaufhängung durch die Schwerkraft.

Mit Stand von 2016 handelte es sich um das größte Spiegelteleskop der Erde.

Betreiber und beteiligte Forschungsinstitute

Logo der H.E.S.S.-Kollaboration

Das H.E.S.S. wird von einer Kollaboration aus etwa 40 Forschungsinstituten aus 13 Ländern betrieben, nämlich Namibia, Südafrika, Deutschland, Frankreich, dem Vereinigten Königreich, Irland, Österreich, den Niederlanden, Polen, Dänemark, Armenien, Japan und Australien.

Zu den beteiligten deutschen Forschungsinstituten gehören:

• Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
• Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der Universität Erlangen-Nürnberg
• AG Experimentelle Elementarteilchenphysik der Humboldt-Universität Berlin
• Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum
• Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg
• Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl der Universität Heidelberg
• Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen
• DESY, Standort Zeuthen

Siehe auch

• Astronomie in Namibia
• Cherenkov Telescope Array

Literatur

• Heinrich J. Völk: Neue Ergebnisse der Gammaastronomie. In: Sterne und Weltraum Bd. 8/2006, S. 36–45

Weblinks

Commons: HESS – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Offizielle Website (englisch)