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Theoretische Weltraum und Astrophysik
Lehrstuhl für Theoretische Physik IV -- Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser |
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 | | | | | | | Das GLAST - Experiment: Astrophysik mit GLAST |
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Blasare und Aktive Galaxienkerne
EGRET hat mit den Blasaren eine Klasse von Aktiven Galaxienkernen (AGN) entdeckt, die sich durch helle und zeitlich veränderliche Gammastrahlung auszeichnet. Tatsächlich wird der überwiegende Teil der Leuchtkraft vieler Blasare im Energiebereich des GLAST Experimentes emittiert. Man vermutet, daß diese Emission durch Akkretionsprozesse eines supermassiven Schwarzen Loches im Galaxienkern zu erklären ist. Gegenüber derzeit etwa 70 bekannten Blasaren erwartet man im Verlauf der GLAST-Mission die Entdeckung einiger tausend solcher Objekte. Außerdem wird GLAST für Variabilität am Gammahimmel überaus empfindlich sein, da es den gesamten Himmel alle neunzig Minuten überblicken kann. Damit wird die Zeitspanne der Erkennung von Variabilität entscheidend verringert, was die nur wenig zeitversetzte Benachrichtigung von anderen Weltraumexperimenten oder bodengestützten Teleskopen ermöglicht. Die mit EGRET gefundenen Helligkeitsschwankungen auf kleinsten Zeitskalen -- bis zu 8 Stunden -- werden nun mit großer statistischer Signifikanz nachgewiesen werden können.
Unidentifizierte Quellen
Die bessere Lokalisierung von Strahlungsquellen durch GLAST wird die Identifizierung von EGRET-Quellen ermöglichen, zu denen bislang kein Gegenstück in anderen Wellenlängenbereichen gefunden wurde. Mehr als 60% aller EGRET-Quellen gehören in diese Kategorie. Betrachtet man ihre Anordnung am Himmel, so sind vermutlich weniger als ein Drittel davon extragalaktischen Ursprungs (wahrscheinlich weitere Aktive Galaxienkerne), der Rest jedoch befindet sich in unserer Milchstraße. Unlängst wurde vorgeschlagen, daß viele dieser unidentifizierten Quellen mit dem Gould'schen Belt, einem Sternentstehungsgebiet in unmittelbarer Nachbarschaft unseres Sonnensystems, assoziiert wären. Die unveränderlichen Quellen wären dann wahrscheinlich radio-leise Pulsare; GLAST wird für diese Quellen die Suche nach der charakteristischen Periodizität der Strahlung gestatten. Die veränderlichen Quellen innerhalb der Milchstaße sind gegenwärtig unzureichend verstanden; solche Quellen könnten zum Beispiel das Resultat von Wechselwirkungen von Neutronensternen mit der umgebenden interstellaren Materie oder sogenannte galaktische Mikroquasare sein. GLAST wird diese Quellklassen im Detail untersuchen können.
Exotische Teilchenphysik
Die große Detektorfläche und der geringe instrumentelle Hintergrund von GLAST ermöglichen auch die Suche nach Zerfällen von exotischen Teilchen, so zum Beispiel Annihilationen von schwach-wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) im Halo der Milchstraße. Der überwiegende Anteil des von EGRET gemessenen isotropen Hintergrundes wird durch GLAST in einzelne Aktive Galaxienkerne aufgelöst werden können. Eine wirklich diffuse, kosmische Hintergrundskomponente würde eine großartige Entdeckung darstellen und könnte in Beziehung zu Teilchenzerfällen und Strukturbildung im frühen Universum stehen. Theoretische Überlegungen zur Annihilationsemission der leichtesten supersymmetrischen Teilchen deuten die Möglichkeit an, daß WIMPs im galaktischen Halo durch GLAST detektierbar seien. Deren Signatur wäre eine schmale Emissionslinie in der diffusen Gammastrahlung, die ihr Maximum in Richtung des galaktischen Zentrums zeigen sollte.
Extragalaktischer Hintergrund
Die instrumentelle Empfindlichkeit von GLAST bei hohen Energien wird außerdem die Untersuchung des extragalaktischen Hintergrundes anhand der Abschwächung der Hochenenergiespektren von AGN ermöglichen. Eine derartige Abschwächung stammt von Paarerzeugungsprozessen der Photonen an der Hintergrundstrahlung, die hier in erster Linie von jungen Sternen im sichtbaren bis ultravioletten Licht produziert wird. Durch die erwartete hohe Anzahl von GLAST detektierter AGN wird auch eine entsprechende Vielfalt von intrinsischen AGN-Spektren gemessen werden, an denen diese Abschwächungseffekte studiert werden können. Eine Messung der Abschwächung als Funktion der Rotverschiebung in den AGN-Spektren wird dann Rückschlüsse auf die Sternentstehungsgeschichte im Universum gestatten.
Gamma-Ray Bursts
GLAST wird die gegenwärtigen Fortschritte im Verständnis der Gammastrahlungsausbrüche (Gamma-Ray Bursts, GRB) durch die Messung ihrer Spektren von keV zu GeV-Energien und die Möglichkeit der Beobachtung des Nachglühens weiterführen können. Durch den Energiebereich und die geringen instrumentellen Totzeiten bietet GLAST einzigartige Möglichkeitenen zur Untersuchung der GRB bei hohen Energien, die durch keine andere gegenwärtig geplante Mission übertroffen werden wird. GLAST wird die entscheidenden Messungen an GRB ausführen, die EGRET noch nicht durchführen konnte: Zeitaufgelöste spektrale Untersuchungen, die sowohl Daten vom Burst Monitor (GBM) als auch vom Hauptinstrument (LAT) zusammenfassen, werden die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften der Emissionsgebiete ermöglichen. Damit kann zwischen internen und externen Stoßwellen als verantwortlichem Mechanismus der Gammastrahlungserzeugung unterschieden werden. LAT und GBM werden jährlich etwa 200 Ausbrüche detektieren und deren Positionen nahezu in Echtzeit zu anderen Observatorien zur Nachbeobachtung weitergeben können. GLAST selbst kann auch automatisch auf GBM-detektierte Gammaausbrüche ausgerichtet werden, um deren Nachleuchten mit dem Hauptinstrument beobachten zu können.
Pulsare
GLAST wird viele neue Hochenergie-Pulsare entdecken, möglicherweise mehr als Hundert. Durch empfindliche spektrale Messungen wird es möglich sein, zwischen den beiden populärsten Modellen der Teilchenbeschleunigung und Strahlungserzeugung in Pulsaren zu unterscheiden: den sogenannten outer-gap- und den polar-cap-Modellen. Aus Beobachtungen mit den Instrumenten des Compton Gamma Ray Observatoriums kennen wir bisher 7 Pulsare, die Gammastrahlungsemission aufweisen. Mit GLAST kann in allen noch unidentifizierten EGRET-Quellen nach periodischer Emission gesucht werden. Da die Strahlungsbündelung eines Pulsars im Gammabereich offenbar schwächerer ist als bei Radiowellenlängen, steht zu erwarten, daß viele radio-leise (Geminga-ähnliche) Pulsare noch zu entdecken sind.
Kosmische Teilchenstrahlung und interstellare Emission
GLAST wird die Emission von Supernovaüberresten (SNR) örtlich und spektral auflösen können und damit vermutlich die Frage beantworten, ob SNRs die Quellen der kosmischen Teilchenstrahlung sind. Teilchen der kosmischen Strahlung produzieren die diffuse Gammastrahlung in unserer Milchstraße durch Stöße mit interstellaren Kernen und Photonen. GLAST wird in der Lage sein, die diffuse Strahlung erstmals auch in den Galaxien der Lokalen Gruppe sowie nahen Starburst-Galaxien nachzuweisen. Die örtlich und spektral aufgelöste Vermessung der diffusen Gammaemission erlaubt die separate Untersuchung von Protonen und Elektronen in der kosmischen Strahlung und wird daher die Modelle der Erzeugung und Ausbreitung der kosmischen Strahlung überprüfen können.
Sonnenflares
GLAST wird einzigartige Möglichkeiten zum Studium von Sonnenflares aufweisen. EGRET hatte entdeckt, daß unsere Sonne auch eine Quelle von Gammastrahlung im GeV-Energiebereich ist, also Teilchen auf entsprechende Energien beschleunigen kann. GLAST wird herausfinden können, wo auf der Sonne derartige Beschleunigungsprozesse stattfinden und ob Protonen zusammen mit Elektronen beschleunigt werden. Die große Detektorfläche und die geringe instrumentelle Totzeit werden eine detaillierte Untersuchung der spektralen Entwicklung von Sonnenflares gestatten. GLAST wird die einzige Mission sein, die solare Hochenergiephänomene während des 24. Sonnenzyklus beobachten kann.
Ergänzung zu terrestrischen Teleskopen der Gammaastronomie
GLAST wird die Möglichkeiten der existierenden, geplanten und in Bau befindlichen Generation von atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen und Luftschauerexperimenten wie ARGO, CANGAROO III, CELESTE, HESS, MAGIC, MILAGRO, STACEE und VERITAS komplementieren. Bodengestützte Teleskope weisen die Cherenkovstrahlung der Teilchen in kaskadierenden Luftschauern nach, die durch einfallende Hochenergiephotonen in der unteren Atmosphäre ausgelöst werden. Diese Teleskope haben sehr große Sammelflächen (>100 m2), aber häufig nur ein kleines Gesichtsfeld (~2°, mit Ausnahme von MILAGRO) und eingeschränkte Arbeitszyklen im Vergleich zu GLAST. GLAST wird hingegen den gesamten Himmel auf Zeitskalen von Stunden überwachen und bei Strahlungsausbrüchen (z.B. von AGN oder GRB) die bodengestützten Observatorien benachrichtigen können. Einige der geplanten Cherenkov-Teleskope werden bereits ab 50 GeV empfindlich sein, so daß dieser Energiebereich erstmals sowohl mit direkten (GLAST) als auch mit indirekten Meßmethoden abgedeckt werden wird.
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