The prototype 4-meter telescope developed by the ASTRI/CTA project.
It is located at the observing station operated by INAF Catania Astrophysical Observatory,
at Serra La Nave, Mount Etna, where it was inaugurated in September 2014.
(credit: cta-observatory.org)

In October 2016, the ASTRI telescope prototype, pictured above, a novel dual-mirror Schwarzschild-Couder telescope design proposed for the Cherenkov Telescope Array (CTA), passed its biggest test yet by demonstrating a constant point-spread function of a few arc minutes over a large field of view of 10 degrees.

Three classes of telescope types are required to cover the full CTA very-high energy range (20 GeV to 300 TeV): Medium-Size Telescopes (MST) will cover CTA’s core energy range (100 GeV to 10 TeV) while the Large-Size Telescopes (LST) and Small-Size Telescopes (SST) are planned to extend the energy range below 100 GeV and above a few TeV, respectively.

The ASTRI telescope is one of three proposed SST designs being prototyped and tested for CTA’s southern hemisphere array. The ASTRI telescope uses an innovative dual-mirror Schwarzschild-Couder configuration with a 4.3 m diameter primary mirror and a 1.8 m monolithic secondary mirror. In 1905, the German physicist and astronomer Karl Schwarzschild proposed a design for a two-mirror telescope intended to eliminate much of the optical aberration across the field of view. This idea, enhanced in 1926 by André Couder, lay dormant for almost a century because it was considered too difficult and expensive to build. It was in 2007 that a study by Vladimir Vassiliev and colleagues at the University of California Los Angeles (UCLA) demonstrated the design’s usefulness for atmospheric Cherenkov telescopes.

The ASTRI prototype, the first Schwarzschild-Couder telescope to be built and tested, was inaugurated in September 2014 and has been undergoing testing at the Serra La Nave observing station on Mount Etna in Sicily ever since. The technical challenges of the design were overcome by recent advances, particularly in dual-mirror technology, making it a feasible implementation for the observation of Cherenkov light.

Polaris, the North Star, as observed by ASTRI with different offsets from the optical axis of the telescope.
(credit: Enrico Giro, Rodolfo Canestrari, Salvo Scuderi and Giorgia Sironi, INAF Padova, Brera and Catania)

Pictured above, Polaris, the North Star, as observed by ASTRI with different offsets from the optical axis of the telescope. The recorded images have approximately the same angular size, each one from a different observational direction in the field of view (from 0 to 4.5 degrees from each side with respect to the central optical axis). These images show that the optical point-spread function of the telescope is approximately constant across the full field of view. This information will allow scientists to reconstruct the direction of gamma-ray photons emitted from celestial sources.

"This is also the first time that a Cherenkov telescope with two focusing mirrors has been completely characterized from the opto-mechanical point of view," said Giovanni Pareschi, astronomer at the INAF-Brera Astronomical Observatory and principal investigator of the ASTRI project. "This is an important result because it allows us to move immediately to the next step: to mount a Cherenkov camera by December 2016 with the aim to observe the first gamma-ray light with ASTRI."

(v.l.n.r.) Prof. Kraft, KIT-Vizepräsident; Prof. Drexlin, KATRIN-Projektleiter;
Prof. Blümer, Bereichsleiter für Physik und Mathematik am KIT;  Prof. Otten, Gründungsvater
des KATRIN-Experiments; Prof. Robertson, leiter des KATRIN-Gruppe an der Uni Washington
(Fotos: HAP/A.Chantelauze)

Als präziseste Waage der Welt soll KATRIN die genaue Masse des kleinsten Materie-Teilchens, des Neutrinos, bestimmen; ein Themengebiet, das im letzten Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Messbetrieb ist das "First Light", also wenn der Detektor zum ersten Mal Elektronen "sieht", die durch die gesamte 70 Meter lange Anlage geführt wurden.

Umlagert von zahlreichen Vertretern der Presse begannen um 15:30 Uhr die finalen Vorbereitungen der KATRIN-Anlage, mit einleitenden Worten durch Projektleiter Prof. Guido Drexlin, Prof. Oliver Kraft - Vizepräsident des KIT für Forschung, Prof. Ernst Otten - Gründungsvater des Experiments, Professor Blümer - Bereichsleiter für Physik und Mathematik am KIT sowie Professor Hamish Robertson von der University of Washington.

Um 15.50 Uhr war es schließlich soweit, der feierliche gemeinsame Druck auf den "roten Knopf" startete die Elektronenquelle und lieferte unter großem Beifall das erhoffte Bildschirm-Signal des "First Light".

"First Light": Das Signal
(Fotos: HAP/A.Chantelauze)

Neutrinos spielen eine wichtige Rolle bei der Untersuchung des Ursprungs der Materie und bei der Gestaltung der sichtbaren Strukturen im Kosmos. Ihre Masse, die über eine Milliarde Mal kleiner sein muss als die eines Wasserstoffatoms, ist ein wichtiger, aber noch ungenau bestimmter Parameter. Das internationale Experiment KATRIN wird die Neutrinomasse mit einer Genauigkeit eingrenzen, die mehr als eine ganze Größenordnung besser sein wird als bislang. Dazu werden ab Herbst 2017 Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium, in dem Neutrinos eine tragende Rolle spielen, exakt vermessen.

Auch wenn beim "First Light" das Instrument noch nicht seine volle Leistung bringt, ist dieser Augenblick für die Wissenschaftler und Ingenieure ein wichtiger Funktionstest. Die zahlreichen Systemteile und Komponenten von KATRIN werden erstmals zusammenspielen. Auf dem 70 Meter langen Weg eines Elektrons durch das gesamte Experiment liegen supraleitenden Magnete und Kältefallen, gasgefüllte Bereiche und Vakuum, Zonen mit Temperaturen unter 4 Kelvin und mit Raumtemperatur, deren Betrieb optimal aufeinander abgestimmt werden muss. Für das "First Light" wird noch eine schaltbare Elektronenquelle genutzt, die mittels einer UV-Lichtquelle geeignete Elektronen aus einer goldbeschichteten Edelstahlplatte schlägt, die nach einer Flugzeit von wenigen Millionstel Sekunden auf den Detektor treffen. Der Detektor aus Silizium-Halbleitermaterial besitzt einen Durchmesser von rund 125 Millimetern und beinhaltet 148 Pixel, die ähnlich einer Dartscheibe angeordnet sind und damit einen räumlichen "Blick" in die Welt von KATRIN ermöglichen.

Für die Bewältigung der Jahrhundertaufgabe "Messung der Neutrinomasse" haben die Forscher von KATRIN in den vergangenen Jahren zahlreiche wissenschaftliche Herausforderungen gelöst und technologisches Neuland betreten. So etwa eine Hochspannung von 18 600 Volt mit einer Genauigkeit von 0,01 Volt stabil zu halten. Oder die Erzeugung eines Ultrahochvakuums, welches dem auf der Mondoberfläche entspricht, in einem turnhallengroßen Weltrekord-Volumen von 1240 Kubikmetern. Rund 150 Wissenschaftler aus 6 Ländern und 18 namhaften Institutionen sind am KATRINExperiment beteiligt, dessen Budget 60 Millionen Euro umfasst

Die Messung der Neutrinomasse im Tritium-Betrieb soll im Herbst 2017 beginnen. Die endgültige, geplante Sensitivität erreicht KATRIN aber erst nach 5 Kalenderjahren Messzeit. Erste interessante Ergebnisse zur Neutrinomasse werden bereits für Mitte 2018 erwartet. Dann wird die Mess-Empfindlichkeit von KATRIN bereits deutlich besser sein als die von allen anderen Tritiumzerfallsexperimenten der letzten 3 Dekaden zusammen.

Pressemitteilung: KIT/KCETA
Mehr lesen: SWR, ka-news, Baden-TV, KIT, Physik Journal

(credit: Juan Antonio Aguilar and Jamie Yang. IceCube/WIPAC)

Solving the mystery of the origin of cosmic rays will not happen with a "one-experiment show." High-energy neutrinos might be produced by galactic supernova remnants or by active galactic nuclei as well as other potential sources that are being sought. And, if our models are right, gamma rays at lower energies could also help identify neutrino sources and, thus, cosmic-ray sources. It’s sort of a “catch one, get them all” opportunity.

IceCube’s collaborative efforts with gamma-ray, X-ray, and optical telescopes started long ago. Now, the IceCube, MAGIC and VERITAS collaborations present updates to their follow-up programs that will allow the gamma-ray community to collect data from specific sources during periods when IceCube detects a higher number of neutrinos. Details of the very high energy gamma-ray follow-up program have been submitted to the Journal of Instrumentation.

From efforts begun by its predecessor AMANDA, IceCube initiated a gamma-ray follow-up program with MAGIC for sources of electromagnetic radiation emissions with large time variations. If we can identify periods of increased neutrino emission, then we can look for gamma-ray emission later on from the same direction.

For short transient sources, such as gamma-ray bursts and core-collapse supernovas, X-ray and optical wavelength telescopes might also detect the associated electromagnetic radiation. In this case, follow-up observations are much more time sensitive, with electromagnetic radiation expected only a few hours after neutrino emission from a GRB or a few weeks after a core-collapse supernova.

Updates to this transient follow-up system will use a multistep high-energy neutrino selection to send alerts to gamma-ray telescopes, such as MAGIC and VERITAS, if clusters of neutrinos are observed from a predefined list of potential sources. The combined observation of an increased neutrino and gamma-ray flux could point us to the first source of astrophysical neutrinos. Also, the information provided by both cosmic messengers will improve our understanding of the physical processes that power those sources.

The initial selection used simple cuts on a number of variables to discriminate between neutrinos and the atmospheric muon background. IceCube, MAGIC, and VERITAS are currently testing a new event selection that uses learning machines and other sophisticated discrimination algorithms to take into account the geometry and time evolution of the hit pattern in IceCube events. Preliminary studies show that this advanced event selection has a sensitivity comparable to offline point-source samples, with a 30-40% sensitivity increase in the Northern Hemisphere with respect to the old selection. The new technique does not rely only on catalogues of sources and allows observing neutrino flares in the Southern Hemisphere. Thus, those alerts will also be forwarded to the H.E.S.S. collaboration, expanding the gamma-ray follow-up program to the entire sky.

During the last few years, IceCube has sent several alerts to VERITAS and MAGIC that have not yet resulted in any significant correlation between neutrino and gamma-ray emission. For some of those, however, the source was not in the reach of the gamma-ray telescopes, either because it was out of the field of view or due to poor weather conditions. Follow-up studies have allowed setting new limits on high-energy gamma-ray emission.

With the increased sensitivity in the Northern Hemisphere and new alerts to telescopes in the Southern Hemisphere, the discovery potential of these joint searches for neutrino and gamma-ray sources is greatly enhanced. Stay tuned for new results!

Press release: IceCube
Reference: Very High-Energy Gamma-Ray Follow-Up Program Using Neutrino Triggers from IceCube, The IceCube Collaboration, the MAGIC Collaboration, the VERITAS Collaboration, submitted to Journal of Instrumentation

On Sep. 15, six Surface Scintillator Detector (SSD) stations of the Pierre Auger Observatory were deployed in a single trip to the engineering array site. Five more stations are planned to be deployed next week. The photograph shows the first detector set up in the field, which is part of the triplet at the so-called station Generalife.

The upgrade of the Pierre Auger Observatory consists of installing plastic scintillators on top of each existing Surface Detector station together with a new readout electronics (UUB). It will provide a complementary measurement of the showers allowing the reconstruction of muons and electromagnetic particles.

The six detectors in the field are not yet connected to the UUB. A seventh station Didi, located at the campus next to the Assembly Building, has also been equipped with scintillators, but connected to UUB for software debugging. And preliminary results from the upgraded Didi already show first muon signals. Very soon all detectors will be connected to new electronics and will record the first beautiful data. After many years of preparation, this is a true milestone for the Observatory!

Press release: Pierre Auger Obs.

Die Illustration zeigt, wie zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen
und dadurch Gravitationswellen erzeugen.
(Quelle: LIGO/T. Pyl)

Den Wissenschaftlern an den beiden amerikanischen LIGO-Detektoren sind erneut Gravitationswellen ins Netz gegangen. Das Signal war bereits am 26. Dezember 2015 aufgezeichnet worden. Es stammt von einem Paar verschmelzender schwarzer Löcher, die mit rund 14 und 8 Sonnenmassen kleiner sind als die am 14. September vergangenen Jahres entdeckten. Auch dieses Mal haben Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und Hannover sowie der Leibniz Universität Hannover entscheidend zu dem Fund beigetragen: mit der Entwicklung hochgenauer Wellenmodelle, mit Suchmethoden für schwache Signale, beim Ermitteln der astrophysikalischen Eigenschaften und mit fortschrittlicher Detektortechnologie. Diese zweite Entdeckung zeigt, dass ein neues Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie begonnen hat.

Das Signal wurde in LIGOs erstem Beobachtungslauf „O1" am 26. Dezember 2015 um 4:38:54 Uhr Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) von beiden LIGO-Instrumenten gemessen und GW151226 genannt. Die Welle erreichte den Detektor in Livingston 1,1 Millisekunden vor dem in Hanford. Das Ereignis war deutlich schwächer als das erste vom September 2015 und im Rauschen der Detektoren verborgen. Den Nachweis verdanken die Forscher letztlich der sogenannten Matched-Filter-Suche.

Die Illustration zeigt, wann die Ligo-Forscher Gravitationswellen entdeckt haben.
(Quelle: LIGO)

Eine derartige Suche vergleicht oder filtert die Daten mit vielen vorab berechneten Signalen, um die beste Übereinstimmung (englisch match) zu finden. Die berechneten Signale basieren auf den hoch präzisen Wellenformmodellen, die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) entwickelt haben. Sie erst ermöglichten dem LIGO-Team die Erkenntnis, dass das Signal von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern stammt.

„Es ist fabelhaft, dass unsere Wellenformmodelle dieses schwache, aber so unglaublich wertvolle Gravitationswellen-Signal aus dem Rauschen extrahiert haben", sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am AEI in Potsdam und Professorin an der University of Maryland. „GW151226 stimmt perfekt mit unseren theoretischen Vorhersagen dafür überein, wie zwei schwarze Löcher einander mehrere Dutzend Mal umrunden und schließlich miteinander verschmelzen."

Nach dem Aufspüren des Signals enthüllten Folgeanalysen, für die das AEI die Hälfte der Rechenleistung bereitstellte, die astrophysikalischen Eigenschaften des beobachteten Doppelsystems. Zum Einsatz kam dabei Atlas – der weltweit leistungsfähigste zur Gravitationswellen-Datenanalyse eingesetzte Supercomputer mit deutlich mehr Rechenleistung als die aller anderen Systeme der LIGO- und Virgo-Kollaborationen.

Demnach besteht das jetzt beobachtete System GW151226 aus einem schwarzen Loch mit der 14-fachen Masse unserer Sonne und einem weiteren mit 8 Sonnenmassen. Die beiden Schwerkraftfallen verschmolzen in einer Entfernung von rund 1,4 Milliarden Lichtjahren miteinander. Die Wissenschaftler fanden außerdem heraus, dass sich mindestens eines der beiden schwarzen Löcher um die eigene Achse drehte. Die Verschmelzung strahlte dann das Äquivalent von einer Sonnenmasse in Gravitationswellen-Energie ab und hinterließ ein rotierendes schwarzes Loch mit 21 Sonnenmassen.

(Quelle: Numerisch-relativistische Simulation: S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), Simulating eXtreme Spacetime Projekt, Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich, R. Haas (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik))
Kosmischer Todestanz I: Die Simulation zeigt, wie zwei schwarze Löcher von 14 und 8 Sonnenmassen einander umkreisen.	Kosmischer Todestanz II: Die schwarzen Löcher nähern sich immer stärker an.	Kosmischer Todestanz III: Die beiden schwarzen Löcher sind zu einem einzigen mit 21 Sonnenmassen verschmolzen. Die Farben spiegeln unterschiedliche Gravitationsfelder wider, wobei Cyan schwache, Orange starke Felder bedeuten.

Max-Planck-Forscher in der Simulating eXtreme Spacetime Collaboration haben dieses Szenario mit numerisch-relativistischen Simulationen untermauert. Sie berechneten Verschmelzungen schwarzer Löcher mit Eigenschaften wie denen von GW151226. Diese wiederum stimmten über die gesamte Signaldauer hervorragend mit den oben erwähnten Wellenformmodellen überein, die benutzt wurden, um die astrophysikalischen Merkmale der Quelle zu ermitteln. Das bestätigte ebenfalls, dass GW151226 von der Kollision zweier stellarer schwarzer Löcher im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie erzeugt wurde.

Das aus dem Detektorrauschen extrahierte Signal unterscheidet sich deutlich vom ersten empfangenen Signal. Weil die Massen der schwarzen Löcher kleiner sind, wurde das Signal von den Instrumenten dieses Mal über einen längeren Zeitraum, rund eine Sekunde lang, gemessen – und damit für etwa 27 Umrundungen der schwarzen Löcher vor der Verschmelzung. Beim Signal vom 14. September 2015 (GW150914) hatten sich nur etwa fünf Umläufe beobachten lassen.

Während der genannten einen Sekunde nahm die Frequenz der Gravitationswellen von 35 auf 430 Hertz zu. Die Maximalamplitude der relativen Längenänderung durch das Signal von 3×10^-22 ist etwa dreimal schwächer als die des Signals GW150914.

Entdeckungen des LIGO-Experiments während des ersten Beobachtungslauf (Quelle: LIGO (Leo Singer) /Milky Way image (Axel Mellinger)	Schwarze Löcher mit bekannten Massen (Quelle: LIGO)

„Nun müssen auch Skeptiker zugeben, dass unsere erste Messung kein statistischer Zufall war", sagt Bruce Allen, Geschäftsführender Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover. „Ich bin absolut zuversichtlich, dass wir in den nächsten paar Jahren Dutzende von ähnlichen Verschmelzungen schwarzer Löcher beobachten und dadurch viel über das Universum erfahren werden." Die in den vergangenen 20 Jahren erfundenen Methoden zur Datenanalyse hätten genauso gut funktioniert wie erhofft.

„Mit dieser zweiten Beobachtung sind wir wirklich auf dem Weg zur echten Gravitationswellen-Astronomie. Wir können nun anfangen, eine Vielzahl von Quellen auf der unbekannten dunklen Seite des Universums zu erforschen", sagt Karsten Danzmann, Direktor am AEI in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Nach so vielen Jahren von Forschung, Entwicklung und Vorbereitung ist es sehr befriedigend, unsere Vision endlich wahr werden zu sehen."

Der nächste Beobachtungslauf „O2" von Advanced LIGO (aLIGO) wird diesen Herbst beginnen und soll etwa sechs Monate lang dauern. Bis dahin sollen es weitere Verbesserungen in der Detektorempfindlichkeit LIGO erlauben, ein 1,5- bis 2-fach so großes Volumen des Weltalls zu erreichen wie bisher. Der in Ruthe nahe Hannover stationierte Gravitationswellen-Detektor GEO600 wird ebenfalls an dem Beobachtungslauf teilnehmen. Der Virgo-Detektor in Italien soll voraussichtlich in der zweiten Hälfte von „O2" dazu stoßen.

Pressemitteilung: Max-Planck-Gesellschaft, LIGO Caltech
Mehr lesen: LIGO/VIRGO, Spektrum der Wissenschaft, Welt der Physik (auch), Zeit, Spiegel
Reference: GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22 Solar-mass Binary Black Hole Coalescence, B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (arXiv:1606.04855)

	Computer-Rendering des Gebäudes für die CTA Headquarters in Bologna, Italien (Quelle: Bologna University Project Office)		Architekturentwurf des Gebäudes für das wissenschaftliche Zentrum von CTA auf dem DESY-Campus in Zeuthen (Quelle:Dahm Architekten & Ingenieure, Berlin)

Das internationale Großprojekt der Gammastrahlenastronomie „Cherenkov Telescope Array" CTA hat einen wichtigen Schritt zur Realisierung getan. Die Gesellschafterversammlung der CTAO GmbH hat auf seiner heutigen Sitzung in München beschlossen, das Science Data Management Centre und den Sitz des wissenschaftlichen Direktors von CTA am Forschungszentrum DESY in Zeuthen anzusiedeln. Gleichzeitig wurde beschlossen, dass der Verwaltungssitz der CTA-Organisation in Bologna, Italien sein wird. „Wir sind sehr froh, dass wir uns im internationalen Bieterprozess durchsetzen und die wissenschaftliche Koordination von CTA nach Deutschland holen konnten", sagt Beatrix Vierkorn-Rudolph vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und stellvertretende Vorsitzende der Gesellschafterversammlung der CTAO GmbH.

Das Cherenkov Telescope Array ist ein weltweit einzigartiges Projekt zum Bau eines Observatoriums für Gammastrahlenastronomie. Das Observatorium wird aus über 100 Teleskopen bestehen, die jeweils an einem Standort auf der Südhalbkugel und einem auf der Nordhalbkugel aufgestellt werden. Mehr als 1 000 Wissenschaftler und Ingenieure aus über 30 Ländern haben sich zusammengeschlossen, um in den nächsten fünf Jahren die Anlage aufzubauen und mindestens 20 Jahre zu betreiben. Verhandlungen über die Standorte in Chile und auf La Palma laufen zurzeit und sollen bis Ende dieses Jahres abgeschlossen werden. Das 400-Millionen-Euro-Projekt steht auf der nationalen Roadmap für zukünftige Forschungsinfrastrukturen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, ebenso auf der ESFRI-Roadmap, dem europäischen Pendant.

„Deutschland hat eine lange und erfolgreiche Tradition in der Gammastrahlungsastronomie, die wir sehr gut in die wissenschaftliche Koordination von CTA einbringen können", erklärt Werner Hofmann vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, Sprecher des internationalen CTA-Konsortiums und Gründungsdirektor der CTAO GmbH. „CTA wird diesen Bereich der Astronomie revolutionieren. Wir erwarten durch CTA ein tiefes Verständnis der Rolle hochenergetischer Prozesse in der Entwicklung unseres Universums und viele wissenschaftliche Überraschungen."

Visualisierung zweier Teilchenschauer über dem Feld aus CTA-Teleskopen.
(Quelle: DESY/Milde Science Comm.)

In Zeuthen werden die Beobachtungsvorschläge von beteiligten Wissenschaftlern aus der ganzen Welt unter der Leitung des wissenschaftlichen Direktors von CTA zu den zukünftigen Messkampagnen des Teleskopfeldes vorbereitet, die Daten der Beobachtungen werden hier aufbereitet und der Wissenschaft zur Verfügung gestellt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei DESY forschen seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Gammastrahlungs- und Neutrinoastronomie, eng verknüpft mit umliegenden Universitäten und Forschungseinrichtungen in der Region Berlin-Brandenburg. Das bietet eine ideale wissenschaftliche Umgebung für das Science Data Management Centre von CTA.

„Für die deutsche Astroteilchenphysik und auch für die Region um Zeuthen ist heute ein großartiger Tag", sagt Christian Stegmann, Leiter des DESY-Standorts in Zeuthen. „Mit dieser Entscheidung werden nachhaltige Impulse in der Region Berlin-Brandenburg gesetzt, die schon heute eine feste Größe in der Astronomie und Astrophysik in Deutschland ist. Wir bedanken uns für das Vertrauen, das die CTAO GmbH DESY entgegenbringt."

Für das Science Data Management Centre soll ein neues Gebäude auf dem DESY-Campus am Zeuthener See gebaut werden. Der Betrieb soll eng mit dem vorhandenen Zentrum verzahnt werden und Synergien nutzen. „Schon bald werden die Bagger auf dem DESY Campus in Zeuthen anrollen, und später werden die CTA-Forscher am Zeuthener See mit Hilfe von Gammastrahlen untersuchen, wie tief im Universum Schockwellen von gewaltigen Sternenexplosionen durch unsere Milchstraße pflügen oder riesige Mahlströme in der Umgebung von schwarzen Löchern Materie mitreißen", so Stegmann.

Pressemitteilung: CTA, DESY

In other CTA-related news:

• [19/05/2016] Jürgen Knödlseder (IRAP) was elected to a second three-year term as Chair of the Consortium Board.
• [17/05/2016] Stefano Vercellone (Istituto Nazionale di Astrofisica) was elected as Science Coordinator and
  Stefan Funk (Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg) as Deputy Science Coordinator by the Consortium Board at the CTA Consortium Meeting in Kashiwanoha, Japan. In these positions they will jointly coordinate the science activities in the CTA Consortium and its science work groups.

Für die Entdeckung von Gravitationswellen erhalten die beteiligten Forscher den Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Die Auszeichnung ist mit drei Millionen Dollar dotiert und geht an die Gründer des Gravitationswellendetektors LIGO, Ronald Drever, Kip Thorne und Rainer Weiss sowie 1012 weitere Wissenschaftler, die an der Entdeckung beteiligt sind. Das teilt das Preiskomitee mit.

Gravitationswellen sind Stauchungen der Raumzeit, die bereits Albert Einstein vor 100 Jahren vorhergesagt hatte. Sie sind jedoch so gering, dass es lange Zeit nicht gelang, sie zu messen. Im Februar haben die Ligo-Forscher bekannt gegeben, erstmals solche Wellen gemessen zu haben. Sie wurden demnach bei der Kollision von zwei Schwarzen Löchern abgestrahlt.

Der Jury gehören frühere Preisträger an, darunter Stephen Hawking. Er wird mit folgendem Statement zitiert: "Die Entdeckung hat eine gewaltige Bedeutung. Erstens als Beweis für die Allgemeine Realtivitätstheorie und ihre Vorhersagen zum Verhalten Schwarzer Löcher, und zweitens als der Beginn einer neuen Astronomie, die das Universum in einem neuen Licht erscheinen lässt."

Der Breakthrough Prize wird finanziert von der Juri-Milner-Stiftung. Der russische Unternehmer hat selbst Physik studiert und hat später eine Reihe hoch dotierter Auszeichnungen gestiftet. Die drei Millionen Dollar werden folgendermaßen aufgeteilt: Eine Million für Drever, Thorne und Weiss, die das Gravitationswellen-Observatorium Ligo gegründet haben. Die restlichen zwei Millionen gehen an die 1005 Forscher, die das Paper zu der Entdeckung verfasst haben sowie sieben weitere Wissenschaftler, die maßgeblich am Erfolg von Ligo beteiligt sind. Unter den Geehrten finden sich auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover.

	Vorher ...	... und nachher.
	Links: Fermi-LAT-Daten, gemittelt über 300 Tage um den 8. Juli 2011, während denen der Blazar nicht aktiv war.	Recht: Fermi-LAT-Daten, gemittelt über 300 Tage um den 27. Februar 2013, während denen PKS B1424-418 den hellsten Blazar in diesem Bereich des Himmels darstellte.
	Der Gammahimmel im Umfeld des Blazars PKS B1424-418, aufgenommen mit dem LAT-Detektor an Bord des Fermi-Gammastrahlungsobservatoriums. Die Farben zeigen die Intensität der Gammastrahlung. Der gestrichelte Kreis zeigt den Wahrscheinlichkeitsbereich am Himmel, in dem das Big-Bird-Neutrinoereignis stattgefunden hat. (Quelle: NASA/DOE/LAT-Kollaboration)

Woher stammte ein extrem energiereiches Neutrino, das eine Beobachtungsstation am Südpol im Dezember 2012 registriert hat? Diese Frage hat ein internationales Wissenschaftler-Team unter der Leitung Würzburger Astrophysiker lange beschäftigt. Jetzt scheint das Rätsel gelöst.

Vor fast zehn Milliarden Jahren ereignete sich in einer weit entfernten Galaxie mit den Namen PKS B1424-418 ein dramatischer Strahlungsausbruch, dessen Licht im Herbst 2012 die Erde erreichte. Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Matthias Kadler, Professur für Astrophysik an der Universität Würzburg, konnte nun zeigen, dass sehr wahrscheinlich auch ein extrem hochenergetisches Neutrino seinen Ursprung in diesen Ausbruch hatte und zur selben Zeit die Erde erreichte. Es ist damit zum ersten Mal gelungen, eine mögliche Verbindung zwischen einem bestimmten extragalaktischen Objekt und einem entsprechenden kosmischen Neutrino aufzuzeigen. An der Arbeit beteiligt waren auch Wissenschaftler des neuen Forschungsclusters für Astronomie und Astroteilchenphysik der Universitäten Würzburg und Erlangen-Nürnberg; die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Neutrinos: Extrem schnell und schwer nachzuweisen

Neutrinos sind die schnellsten, leichtesten und kontaktscheuesten Elementarteilchen; erst seit kurzem ist es überhaupt möglich, hochenergetische Neutrinos aus den Tiefen des Universums nachzuweisen. Obwohl die Zahl der Neutrinos die aller Atome im Universum bei weitem übersteigt, zeigen sie kaum Wechselwirkung mit normaler Materie; dadurch stellt der Nachweis von Neutrinos eine beachtliche Herausforderung dar. Diese Eigenschaft der Neutrinos führt aber auch dazu, dass sie leicht aus Regionen entweichen können, aus denen kein Lichtsignal herauskommt – wie beispielsweise aus dem Zentralbereich eines kollabierenden Sterns – und dass sie fast unbeeinflusst durch andere Materie von ihrer Quelle bis zur Erde gelangen können. Neutrinos tragen somit Informationen über kosmische Umgebungen und Prozesse, die der Untersuchung mithilfe elektromagnetischer Strahlung alleine nicht zugänglich sind.

Mit dem Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol wurden erst kürzlich Hinweise auf  kosmische Neutrinostrahlung gefunden, was von der Zeitschrift „Physics World" zum Durchbruch des Jahres 2013 gekürt wurde. Bisher hat das IceCube-Forscherteam rund 100 hochenergetische Neutrinoereignisse identifiziert, von denen die energiereichsten Einzelereignisse mit einprägsamen Namen aus der Kinderfernseh-Serie „Sesamstraße" belegt wurden. Am 4. Dezember 2012 wurde ein Neutrino mit einer Energie von mehr als zwei Peta-Elektronenvolt (1 PeV = 10¹⁵ eV) identifiziert, das auf den englischen Namen „Big Bird" getauft wurde. Im Vergleich ist das so, als ob man das Billionenfache (10¹²) der Energie einer Röntgenaufnahme beim Zahnarzt in ein einziges Elementarteilchen packen würde, das weniger als ein Millionstel der Masse eines Elektrons aufweist. Big Bird war das seinerzeit energiereichste nachgewiesene Neutrino und steht heute immer noch auf dem zweiten Platz.

Vorgehen wie in einem Kriminalfall

Von wo kommt Big Bird? Die Positionsbestimmung von IceCube war ziemlich ungenau und konnte den Entstehungsort nur auf ein recht großes Himmelsareal mit einer Fläche von ca. 64 Vollmonden eingrenzen. „Die Ausgangssituation erinnerte an einen Kriminalfall", sagt der Hauptautor der Studie, Matthias Kadler, Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg. „Wir waren konfrontiert mit einer Explosion ungeklärten Ursprungs, einem Verdächtigen, und einer Reihe verschiedener Indizienbeweise."

Im Sommer 2012 wurde das Gammastrahlen-Observatorium Fermi der NASA Zeuge eines dramatischen Aufleuchtens im Zentralgebiet der aktiven Galaxie PKS B1424-418, die als Gammastrahlungs-Blazar klassifiziert ist. Eine aktive Galaxie ist eine im Prinzip normale Galaxie, die allerdings einen ungewöhnlich hellen kompakten Kernbereich aufweist. Die starke Strahlung im Zentralbereich wird durch den Einfall von Materie in ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie erzeugt, mit Millionen oder sogar Milliarden mal der Masse unserer Sonne. Ein Teil dieser einfallenden Materie kann in zwei extrem energiereiche Materiestrahlen oder Jets umgelenkt werden, die sich, gebündelt durch starke Magnetfelder, mit fast Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Wenn einer dieser beiden Jets nahezu direkt auf die Erde gerichtet ist, spricht man von einem Blazar.

Während des rund ein Jahr andauernden Ausbruchs war die Helligkeit von PKS B1424-418 in Gammastrahlen rund 15- bis 30-mal höher als im Schnitt vor dem Ausbruch. Dieser Blazar liegt innerhalb des Suchbereichs für das Neutrinoereignis, aber das gilt auch für eine Reihe weiterer aktiver Galaxien, die von Fermi entdeckt wurden.

Die Radiobilder aus dem TANAMI-Projekt zeigen einen Strahlungsausbruch
des aktiven Galaxienkerns PKS B1424-418 bei einer Frequenz von 8,4 GHz
in den Jahren 2012/2013. Der zentrale Bereich des Jets strahlte viermal heller als
zuvor und stellt damit den stärksten Strahlungsausbruch in einem Blazar dar,
den TANAMI bis heute beobachtet hat.
(Quelle: TANAMI-Kollaboration)

Spurensuche im Radiowellenbereich

Auf der Suche nach dem Ursprung für das Neutrinoereignis wandten sich die Wissenschaftler nun zu einem langfristigen Beobachtungsprogramm in Radiowellen, das unter der Bezeichnung TANAMI läuft. Seit 2007 wurden im Rahmen von TANAMI rund 100 aktive Galaxien am Südhimmel systematisch überwacht, darunter eine Reihe von Galaxien, bei denen Strahlungsausbrüche mit Fermi entdeckt wurden. Drei Radiobeobachtungen aus den Jahren 2011 bis 2013 decken die Zeit des Fermi-Strahlungsausbruchs von PKS B1424-418 ab. Sie zeigen, dass die Radiostrahlung aus dem Zentralbereich des Galaxienjets in diesem Zeitraum ebenfalls fast viermal heller wurde. Während seiner kompletten Programmlaufzeit ist im Rahmen von TANAMI bisher kein vergleichbarer Strahlungsausbruch in einer aktiven Galaxie beobachtet worden.

„Blazare sind in der Lage, in ihren Jets Protonen auf relativistische Energien zu beschleunigen. Durch Wechselwirkung mit Licht können im Zentralgebiet des Blazars daraus Pionen erzeugt werden", erklärt Karl Mannheim, Ko-autor der Studie und Professor für Astronomie in Würzburg, und fügt hinzu: „Aus dem Zerfall der Pionen entstehen dann sowohl Gammastrahlen als auch Neutrinos. Von allen bekannten Objekten in der Astrophysik sind nur die Blazare imstande, den mit IceCube beobachteten extraterrestrischen Fluß von Neutrinos zu erklären."

„Wir suchten daher in dem Feld, in dem Big Bird entstanden sein muss, nach solchen Blazaren", erzählt Ko-Autorin Felicia Krauß, die an der Universität Erlangen-Nürnberg promoviert. „Es war ein unvergesslicher Moment, als wir realisierten, dass der dramatischste Blazarausbruch, den wir in TANAMI je gesehen hatten, genau in diesem Feld und genau zur richtigen Zeit stattgefunden hatte."

Ein Verdächtiger mit Mittel, Motiv und Gelegenheit

In einer am 18. April 2016 in der Fachzeitschrift „Nature Physics" veröffentlichten Arbeit schlagen die Wissenschaftler vor, dass der Strahlungsausbruch von PKS B1424-418 und das Neutrinoereignis Big Bird miteinander in Verbindung stehen. Sie berechnen eine nur fünfprozentige Wahrscheinlichkeit dafür, dass beide Ereignisse nur zufällig zur gleichen Zeit und am selben Ort stattfanden. Durch die Analyse von Daten mit den NASA-Satelliten Fermi, Swift und WISE sowie dem australischen Long Baseline Array (LBA) und weiteren Beobachtungen konnten die Forscher ermitteln, wie sich die Energie des Strahlungsausbruchs über das elektromagnetische  Spektrum vom Radio- bis in den Gammabereich verteilt und daraus ableiten, dass die Gesamtenergie ausreicht, um ein Neutrino im PeV-Energiebereich zu erzeugen.  „Der Blazar hatte während seines Strahlungsausbruchs sozusagen die nötigen Mittel, ein Motiv und auch die passende Gelegenheit. Er ist deshalb unser Hauptverdächtiger für den Ursprung des Big Bird Neutrinos", erklärt Matthias Kadler.

Ein Neutrino-Fenster ins Universum

Francis Halzen, der Projektleiter von IceCube an der University of Wisconsin–Madison, der an der vorliegenden Untersuchung nicht beteiligt war, sieht in diesem Ergebnis einen spannenden Hinweis darauf, was noch in Zukunft zu erwarten ist: „Im IceCube Projekt werden nun Benachrichtigungen zu Neutrino-Ereignissen in Echtzeit herausgegeben, die auf eine Größe von nur wenig mehr als einem halben Grad Durchmesser am Himmel genau sind, also nur geringfügig größer als der Vollmond", sagt er. „Damit öffnen wir allmählich ein Neutrino-Fenster ins Universum."

Diese Untersuchung zeigt eindrucksvoll die Bedeutung für die Aufklärung der Natur der Objekte, die exotische Strahlungen wie Neutrinos oder Gravitationswellen aussenden.

 
Pressemitteilung: Uni Würzburg
Reference: Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV-energy neutrino event, M. Kadler et al., Nature Physics (doi:10.1038/nphys3715, arXiv:1602.02012)

Blick ins All: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System)
(Bild: HAP / A.Chantelauze)

Wissenschaftler des H.E.S.S.-Observatoriums haben mit ihren Teleskopen einen Bereich rund um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße lokalisiert, der intensive Gammastrahlung äußerst hoher Energie emittiert. Ursache dafür ist ein astrophysikalischer Beschleuniger, der Protonen auf Energien von bis zu einem Peta-Elektronenvolt (PeV) beschleunigt – das sind mehr als 100-mal so viel wie der größte von Menschenhand gebaute Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider LHC am CERN. Die Wissenschaftler des Gammastrahlen-Teleskops in Namibia veröffentlichten ihre detaillierte Analyse der jüngsten H.E.S.S.-Daten jetzt im Fachjournal Nature. Sie haben damit erstmals eine Quelle kosmischer Strahlung mit Peta-Elektronenvolt-Energie innerhalb der Milchstraße identifiziert: Es ist mit hoher Wahrscheinlichkeit das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie selbst.

Deit mehr als 10 Jahren kartographiert H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), das von 150 Wissenschaftlern aus 12 Ländern betrieben wird, das Zentrum der Milchstraße in höchstenergetischer Gammastrahlung. Das Gammalicht, welches die Forscher beobachten, wird von sogenannter kosmischer Strahlung erzeugt – hochenergetische Protonen, Elektronen und Atomkerne, die an verschiedenen Orten des Universums beschleunigt werden. Die Frage nach den astrophysikalischen Quellen dieser kosmischen Strahlung treibt die Wissenschaftler seit ihrer Entdeckung vor mehr als einem Jahrhundert um. Das Problem: Die Teilchen sind elektrisch geladen und werden deshalb in interstellaren Magnetfeldern von ihrer geraden Bahn abgelenkt. Aus diesem Grund zeigt ihre Flugrichtung nicht auf ihren Produktionsort zurück. Allerdings treffen die Teilchen der kosmischen Strahlung in der Nähe ihrer Quellen häufig auf interstellares Gas oder Photonen; dabei wird hochenergetische Gammastrahlung produziert, die die Erde auf geradem Weg erreicht. Diese Gammastrahlung nutzen die Forscher des H.E.S.S.-Observatoriums, um die Quellen der kosmischen Strahlung am Himmel sichtbar zu machen.

 
Künstlerische Darstellung des Hochenergiebeschleunigers im Zentrum unserer Galaxie:
Beschleunigte Protonen (blau) wechselwirken in dichten Molekülwolken um das Zentrum
und produzieren neutrale Teilchen, die sofort zerfallen und Gammastrahlung
(gelbe Wellen) ausstrahlen. Im Hintergrund ein Foto der Milchstraße.
(Bild: M.A. Garlick, H.E.S.S. Collaboration)

Wenn Gammastrahlung auf die Erdatmosphäre trifft, produziert sie kurze bläuliche Lichtblitze, die nachts von großen Spiegelteleskopen mit schnellen Lichtsensoren erfasst werden können. Mit dieser Technik wurden in den letzten Jahrzehnten mehr als 100 Quellen hochenergetischer Gammastrahlung am Himmel entdeckt. H.E.S.S. ist das zurzeit empfindlichste Instrument für ihren Nachweis.

Bisher war bekannt, dass kosmische Strahlung mit Energien bis zu etwa 100 Tera-Elektronenvolt (TeV) in der Milchstraße erzeugt wird. Jedoch legen theoretische Argumente und die direkte Vermessung der kosmischen Strahlung nahe, dass diese Teilchen in unserer Galaxie bis zu Energien von mindestens einem Peta-Elektronenvolt (PeV) beschleunigt werden sollten. Doch während in den letzten Jahren zahlreiche extragalaktische Quellen entdeckt wurden, die kosmische Strahlung zu Multi-TeV-Energien beschleunigen, blieb die Suche nach den Beschleunigern der höchstenergetischen kosmischen Strahlung in unserer Galaxie bislang erfolglos.

Detaillierte Beobachtungen des Zentrums der Milchstraße, die mit den H.E.S.S.-Teleskopen während der letzten 10 Jahre durchgeführt wurden, liefern jetzt erste Antworten. „Wir haben einen astrophysikalischen Beschleuniger lokalisiert, der Protonen auf Energien von bis zu einem Peta-Elektronenvolt beschleunigt hat, und das kontinuierlich über mindestens 1000 Jahre", sagt Prof. Christian Stegmann, Leiter des DESY-Standorts Zeuthen und bis vor kurzem Sprecher der H.E.S.S. Collaboration.

Bilder der ultra-hoch-energetischen Gammastrahlung im galaktischen Zentrum.
(Bild: H.E.S.S. Collaboration)

Bereits während der ersten Beobachtungsjahre ab 2002 hatte H.E.S.S. eine starke kompakte Quelle sowie ein ausgedehntes Band diffuser höchstenergetischer Gammastrahlung im galaktischen Zentrum nachgewiesen. Der Nachweis dieser diffusen Strahlung, die sich über eine Region von etwa 500 Lichtjahren Durchmesser erstreckt, war bereits ein deutlicher Hinweis auf eine Quelle kosmischer Strahlung in dieser Region; der Nachweis der Quelle selbst blieb den Forschern damals versagt. Deutlich größere Menge an Beobachtungsdaten und Fortschritte in den Analysetechniken erlaubten es jetzt, erstmals sowohl die räumliche Verteilung als auch die Energie der kosmischen Strahlung zu vermessen.

Obwohl der Zentralbereich unserer Milchstraße viele Objekte beherbergt, die kosmische Strahlung großer Energie erzeugen können, unter anderem einen Supernovaüberrest, einen Pulsarwindnebel und einen kompakten Sternhaufen, liefert die Vermessung der Gammastrahlung aus dem Galaktischen Zentrum deutliche Hinweise darauf, dass das supermassive Schwarze Loch im Galaktischen Zentrum Protonen auf eine Energie von bis zu einem PeV beschleunigt. „Unsere Daten zeigen, dass der beobachtete Schein aus Gammastrahlen symmetrisch um das Galaktische Zentrum liegt", sagt H.E.S.S.-Forscher Stefan Klepser aus Zeuthen. „Die Gammastrahlen haben so hohe Energie und sind derart zum Zentrum hin konzentriert, dass es nahelegt, dass sie das Echo eines gewaltigen Teilchenbeschleunigers sein müssen, der sich im Zentrum dieses Scheins befindet. Vermutlich im Galaktischen Zentrum selbst." Prof. Stegmann ergänzt, dass „mehrere Beschleunigungsregionen vorstellbar sind, entweder in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs oder etwas weiter außerhalb, wo ein Teil des Materials, das in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, wieder herausgeschleudert und möglicherweise in der Umgebung weiter beschleunigt wird."

Die Analyse der Messungen zeigt aber auch, dass diese Quelle allein den auf der Erde gemessenen Fluss der kosmischen Strahlung nicht aufrechterhalten kann. „Wenn das Schwarze Loch aber in der Vergangenheit aktiver war", so das Argument der Forscher, „dann könnte sie tatsächlich für die gesamte galaktische kosmische Strahlung verantwortlich sein". Ist ihre Vermutung korrekt, so wäre die 100 Jahre alte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung geklärt.

On March 10, at its launch event at the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences in Amsterdam, the European Strategy Forum for Research Infrastructures (ESFRI) announced that KM3NeT 2.0 is selected for the 2016 ESFRI Roadmap. KM3NeT is a distributed research infrastructure with deep-sea sites planned in the Mediterranean Sea near Toulon (France), Sicily (Italy) and Pylos (Greece). The scientific goals of the KM3NeT Collaboration are the discovery of astrophysical sources of cosmic neutrinos, the determination of the neutrino mass ordering and synergetic research opportunities for marine and environmental studies.

The ESFRI Roadmap identifies new Research Infrastructures of pan-European interest corresponding to the long-term needs of the European research communities. Its mission is to ensure that scientists in Europe have access to world-class facilities for cutting-edge research.

To be eligible for the roadmap a research infrastructure should have at least three countries with funding commitment and political support.

Dr. S. Harissopulos, director of the Institute of Nuclear and Particle Physics of NCSR "Demokritos": "The Greek Minister of Research encouraged us to actively participate in KM3NeT 2.0."

After a rigorous selection process in which projects were assessed for scientific excellence, pan-European relevance, socio-economic impact, e-needs and maturity level, KM3NeT 2.0 is amongst the 21 chosen projects.

"Full steam ahead for KM3NeT 2.0. The ESFRI review was maybe not easy, but certainly beneficial." said Prof. Dr. Maarten de Jong, spokesperson of the KM3NeT Collaboration, during his talk at the launch event, in which he explained the scientific goals of the research infrastructure and highlighted the recent progress.

Prof. Dr. Michel Spiro, chairperson of the KM3NeT Scientific and Technical Advisory Committee confirms: "This is a new step towards neutrino astronomy and further deciphering the Universe and neutrino mysteries."

Prof. Dr. Antonio Masiero, the chairperson of the KM3NeT Resources Review Board, chairperson of the APPEC Scientific Advisory Committee and vice-president of INFN notes, "This is excellent news, KM3NeT continues to be considered by EU as an important project and an innovative research infrastructure at the continental level. This vote of confidence will be instrumental as KM3NeT rapidly moves forward on the realisation of the envisaged research facility."

Press release: KM3Net, Physik Journal
Reference: Strategy Report on Research Infrastructures, ESFRI Roadmap 2016

Luftschauer nach Simulationen mit dem CORSIKA-Programm,
dargestellt auf einem Foto der Zentralstation("Superterp") des Radioteleskop-
Netzwerks LOFAR in der Nähre von Exloo in den Niederlanden.
(Bild: ASTRON/KIT)

Das Niederfrequenz-Radioteleskopnetzwerk LOFAR empfängt normalerweise Radiowellen aus dem entfernten Universum. Gelegentlich fängt es aber auch starke Radiopulse von extrem kurzer Dauer ein, irgendwo zwischen Kurzwelle und UKW. Im Autoradio sind solche Signale als kurzes Knacken hörbar. Normalerweise vielleicht überhört, sind sie der letzte Aufschrei von Elementarteilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre auftreffen. Diese Teilchen wurden vor Millionen von Jahren bereits von einem kosmischen Beschleuniger abgefeuert.

Einem internationalen Team von Astronomen unter Beteiligung von Forschern des „German Long Wavelength Consortium" (GLOW) ist es nun gelungen, die Radiobotschaft dieser kosmischen Eindringlinge zu entschlüsseln, und dadurch Erkenntnisse über ihre Herkunft und physikalische Natur zu gewinnen.

Supernova-Explosionen, sterbende Sterne, Schwarze Löcher. Alle diese Phänomene wurden bereits als Quellen zur Erklärung der kosmischen Teilchenstrahlung herangezogen. Aber tatsächlich kennt bisher noch keiner eindeutig den Ursprung dieser Strahlung. Teilchen der kosmischen Strahlung sind Elementarteilchen, deren Energie bis zu einer Million mal größer ist als in den leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern auf der Erde. Sie treffen als Geschosse mit fast Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre und zerfallen dadurch in eine Kaskade von Sekundärteilchen. Ihre Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Erde führt dabei zu einem extrem kurzen Radiosignal von weniger als einer Milliardstel Sekunde Dauer. Tausende einzelner Dipolantennen des LOFAR-Teleskopnetzwerks tragen dazu bei, dieses Signal aufzuspüren und genau zu vermessen.

Das Signal zu finden, ist eine Sache, die Ursache dafür zu entdecken, eine andere. Zum ersten Mal haben es Astronomen jetzt geschafft, genau zu berechnen und zu modellieren, welche Art kosmischer Teilchen für das gemessene Radiosignal verantwortlich war. „Wir können das Geschoss jetzt identifizieren", sagt Heino Falcke von der Radboud-Universität in den Nijmegen/Niederlande, der Vorsitzende des Ausschusses für das Internationale LOFAR-Teleskop. „In den meisten Fällen scheint es sich dabei um ein einzelnes Proton oder den leichten Kern eines Heliumatoms zu handeln."

„Wegen der enormen Energie glauben die meisten Forscher bis jetzt, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung aus großen Entfernungen im Universum stammen, zum Beispiel von Schwarzen Löchern in anderen Galaxien", ergänzt Stijn Buitink von der Freien Universität Brüssel, der Erstautor der Veröffentlichung in Nature. „Aber wir finden jetzt, dass sie einen viel näheren Ursprung haben und ihre Energie von einem kosmischen Beschleuniger in unserer Milchstraße herrührt – zum Beispiel von einem sehr massereichen Stern."

„Die Quellen kosmischer Teilchenstrahlung sind kosmische Beschleuniger, die bis zu einer Million mal stärker sind als der Large Hadron Collider (LHC) in Genf oder irgendein anderer irdischer Beschleuniger, den Menschen in der Lage sind zu bauen", sagt Heino Falcke, der auch als Gastwissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn tätig ist und eine Pionierrolle in dieser Beobachtungstechnik gespielt hat. „Wir können jetzt sozusagen Hochenergiephysik mit einfachen UKW-Radios durchführen." Das eröffnet ein neues Fenster zum Hochenergie-Universum und sehr präzisen Messungen von kosmischen Teilchen.

„Der Hauptunterschied zu gewöhnlichen UKW-Radios liegt in der Digitalelektronik und in den breitbandigen Empfängern, mit denen es möglich wird, eine große Zahl unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit aufzuzeichnen", erklärt Andreas Horneffer vom MPIfR, der die Antennen des Vorläuferprojekts für das aktuelle Experiment, LOPES („LOFAR Prototype Experimental Station") als Teil seiner Doktorarbeit aufgebaut hat.

Die Identifikation der eintreffenden Teilchen aus den Radiobeobachtungen beruht auf exakter Kenntnis der Radioemissionsphysik. Die LOFAR-Daten werden mit Simulationen im CoREAS-Code verglichen, der von Tim Huege und seinen Kollegen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Rahmen des CORSIKA-Luftschauer-Simulationsprogramms entwickelt wurde. „Als wir mit den Simulationen der Radiosignale vor zehn Jahren begonnen hatten und die Signale mit Daten unseres LOPES-Experiments verglichen, war die Physik der Radioemission für uns noch ein großes Rätsel. Heute können wir mit den Simulationen die hochwertigen LOFAR-Resultate sehr detailliert wiedergeben und haben dadurch sehr viel Vertrauen in die Interpretation der Messungen", sagt Tim Huege.

Der Nachweis kosmischer Teilchenstrahlung mit LOFAR eröffnet einen Zugang zu Präzisionsmessungen, die dazu beitragen, die Ursprungsquellen dieser höchstenergetischen Partikel zu enträtseln. Vom „Square Kilometre Array" (SKA) Radioteleskop-Netzwerk mit seiner sehr hohen Dichte von Einzelantennen ist schließlich das volle Potential dieser Methode zum Nachweis kosmischer Partikelstrahlung zu erwarten, und zwar noch mit wesentlich höherer Messgenauigkeit als zur Zeit mit LOFAR.

„Es ist schon eine bemerkenswerte Erfahrung, dass Teilchenphysiker und Radioastronomen zusammenarbeiten, um ein solch erfolgreiches Experiment im aufsteigenden Forschungsfeld der Astroteilchenphysik durchzuführen", schließt Ralf-Jürgen Dettmar von der Ruhr-Universität Bochum, der Sprecher des deutschen GLOW-Konsortiums.

 
Pressemitteilung: Max-Planck-Gesellschaft, KIT, idw
Reference: A large light-mass component of cosmic rays at 10¹⁷–10^17.5 electronvolts from radio observations, S. Buitink, A. Corstanje, H. Falcke, J. R. Hörandel, T. Huege, A. Nelles et al., Nature 531, 70–73, 061102 (arXiv:1603.01594)

Upper limit on the high-energy muon neutrino spectral fluence from GW150914 as a function of source direction. For comparison, the contours of the GW sky map are also shown. See more details about the figure in the paper.
(Quelle:The ANTARES Collaboration, the IceCube Collaboration, the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration)

Der Nachweis von Gravitationswellen ist ein beispielloser Erfolg der Grundlagenforschung. Er setzt einerseits den i-Punkt auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und öffnet andererseits ein völlig neues Beobachtungsfenster zum Universum.

Diese Entdeckung gibt Anlass, an einen anderen Durchbruch zu erinnern, der vor 3 Jahren mit dem  IceCube-Detektor gelang: der Nachweis von extraterrestrischen Neutrinos hoher Energie. Auch hier die Öffnung eines neuen Beobachtungsfensters. So lag es nahe, dass IceCube- und ANTARES-Physiker schon vor einigen Monaten nachprüften, ob zeitgleich mit dem Signal von GW150914 Neutrinos in IceCube/ANTARES registriert worden waren.

Grundlage dazu ist eine entsprechende Vereinbarung zwischen den Kollaborationen LIGO und IceCube (analog auch zwischen LIGO und ANTARES), die u.a. strengste Vertraulichkeit in bezug auf die ausgetauschten Informationen einschließt. Ohne die Signifikanz und die Richtung des LIGO-Signal zu kennen, suchte zunächst Thomas Kintscher vom DESY aus dem "online stream" (den direkt am Südpol in Echtzeit rekonstruierten Daten) die Ereignisse in einem Zeitfenster von ±500 Sekunden um GW150914 heraus und leitete sie an seine Kollegen Chad Finley (Universität Stockholm) und Imre Bartos (Columbia University, New York ) weiter.  Nur diese beiden kannten die genaueren Koordinaten. Sie führten dann auch die vollständige Analyse durch und kamen zu dem Ergebnis, dass IceCube keinen Überschuss aus der möglichen Richtug des Gravitationssignals sieht. Auch ANTARES hat keine zeitgleichen Neutrinosignale registriert.  Die enstprechende Veröffentlichung ist zu finden unter
https://dcc.ligo.org/LIGO-P1500271/public.

Resumé: Ein Jahrhunderterfolg der Gravitationsphysik und eine Detektivgeschichte mit offenem Ausgang für die Neutrinophysik. Man darf auf die nähere Zukunft gespannt sein!

Pressemitteilung: GNN
Mehr lesen: IceCube, ANTARES
Reference: High-energy Neutrino follow-up search of Gravitational Wave Event GW150914 with ANTARES and IceCube,The ANTARES Collaboration, the IceCube Collaboration, the LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration.

 
So sieht eine Gravitationswellensignale aus Sicht der beiden LIGO-Detektors aus.
(Quelle: LIGO Collaboration)

LIGO öffnet mit der Beobachtung kollidierender schwarzer Löcher ein neues Fenster zum Universum / Entscheidende Beiträge von Forschern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität Hannover

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die – ausgelöst von einem Großereignis im fernen Universum – die Erde erreichten. Diese Beobachtung bestätigt eine wichtige Vorhersage der von Albert Einstein im Jahr 1915 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie öffnet gleichzeitig ein neues Fenster zum Kosmos.

Gravitationswellen tragen Information über ihre turbulente Entstehung und das Wesen der Gravitation. Physiker haben festgestellt, dass die jetzt beobachteten Gravitationswellen während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern entstanden. Dabei bildete sich ein einzelnes, massereicheres rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zwar vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden.

Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 um 5.51 Uhr US-Ostküstenzeit (10.51 Uhr MEZ) von beiden identischen Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA registriert. Die LIGO-Observatorien werden von der National Science Foundation (NSF) finanziert.

Caltech und MIT entwarfen, bauten und betreiben die Detektoren. Die Entdeckung wurde zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters akzeptiert. Forscher der LIGO Scientific Collaboration (welche die GEO Collaboration und das Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy umfasst) und der Virgo Collaboration entdeckten das Signal in den Daten der zwei LIGO-Detektoren.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover und Potsdam und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben in mehreren Schlüsselgebieten entscheidend zur Entdeckung beigetragen: mit der Entwicklung und dem Betrieb extrem empfindlicher Detektoren an den Grenzen der Physik, mit effizienten Methoden der Datenanalyse, die auf leistungsfähigen Computerclustern laufen und mit hochgenauen Wellenformmodellen, um das Signal aufzuspüren und astrophysikalische Information daraus zu gewinnen.

(Quelle: Ligo Scientific Collaboration, Scientific American)

Fortschrittliche Detektortechnologien von GEO600

Die GEO-Kollaboration besteht aus Wissenschaftlern der Max-Planck-Gesellschaft und der Leibniz Universität sowie von britischen Institutionen. Sie entwickelten und betreiben den Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover. Er dient als Ideenschmiede und Prüfstand für fortschrittliche Detektortechnologien. 

Die meisten der Schlüsseltechnologien, die zur nie zuvor erreichten Empfindlichkeit von Advanced LIGO (aLIGO) beigetragen haben und die Entdeckung ermöglichten, wurden innerhalb der GEO-Kollaboration entwickelt und getestet. Beispiele sind Signalüberhöhung, resonante Seitenband-Extraktion und monolithische Spiegelaufhängungen. AEI-Forscher haben gemeinsam mit Kollegen des Laser Zentrum Hannover e.V. außerdem die Hochleistungslaser-Systeme von aLIGO entwickelt und am Detektor installiert. Die Laser sind entscheidend für die hochpräzisen Messungen.

„Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

„Diese Entdeckung wäre unmöglich gewesen ohne die Anstrengungen innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft, der Leibniz Universität, der GEO-Kollaboration und der dort entwickelten Technologien.“

(Quelle: Ligo Scientific Collaboration, Scientific American)

Rechenleistung und Analysemethoden für die Entdeckung

Max-Planck-Forscher entwickelten und brachten fortschrittliche und effiziente Methoden zur Datenanalyse ein, um nach schwachen Gravitationswellen-Signalen in den Daten der aLIGO-Detektoren zu suchen. Sie führten außerdem den Großteil der Produktions-Datenanalyse aus.

Zusätzlich stellte der vom AEI betriebene Cluster Atlas, der weltweit leistungsfähigste Großrechner für die Suche nach Gravitationswellen, den Hauptteil der Rechenleistung für die Entdeckung und die Analyse von aLIGO-Daten zur Verfügung. Atlas trug mehr als 24 Millionen CPU-Kern-Stunden zu dieser Analyse bei.

„Ich bin stolz darauf, dass zwei Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik das Signal als Erste gesehen haben und dass unser Institut eine führende Rolle bei dieser spannenden Entdeckung spielt“, sagt Bruce Allen, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. „Einstein selbst glaubte, Gravitationswellen wären zu schwach, um sie nachzuweisen. Und er glaubte nicht an die Existenz schwarzer Löcher. Aber ich denke, dass er nichts dagegen hätte, sich geirrt zu haben!“

Genaue Wellenformmodelle ebnen den Weg

Max-Planck-Forscher entwickelten hochgenaue Modelle der Gravitationswellen, die schwarze Löcher beim Umrunden und letztendlichen Kollidieren miteinander aussenden. Diese Wellenformmodelle wurden in der fortlaufenden Suche nach verschmelzenden Binärsystemen in den LIGO-Daten eingebracht und angewandt. Diese Suche hat das Signal von der Verschmelzung schwarzer Löcher, das als GW150914 bezeichnet wird, mit einer statistischen Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen beobachtet.

Max-Planck-Forscher nutzen außerdem dieselben Wellenformmodelle, um auf die astrophysikalischen Parameter der Quelle zu schließen: dazu zählen die Massen und Eigendrehungen der beiden schwarzen Löcher, die Ausrichtung des Systems und seine Entfernung zur Erde und auch Masse und Eigendrehung des riesigen schwarzen Lochs, dass in der Verschmelzung entstand. Diese Modelle dienten auch dazu, die Übereinstimmung von GW150914 mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu überprüfen.

„Seit Jahren arbeiten wir daran, die Gravitationswellen zu modellieren, die von einem der extremsten Ereignisse im Universum ausgestrahlt werden: Paare schwarzer Löcher, die einander umrunden und dann miteinander verschmelzen. Und genau dieses Signal haben wir nun gefunden!“ sagt Alessandra Buonanno, Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm. „Es ist überwältigend zu sehen, wie genau Einsteins Relativitätstheorie die Realität beschreibt. GW150914 stellt eine bemerkenswerte Gelegenheit dar, Gravitation unter Extrembedingungen zu untersuchen.

 
Pressemitteilung: Max-Planck-Gesellschaft, LIGO Caltech
Mehr lesen: LIGO/VIRGO, Physik Journal, Spektrum der Wissenschaft, Welt der Physik, Zeit, Spiegel
Reference: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (arXiv:1602.03837)

The scientific potential of the ORCA detector of KM3NeT. On the x-axis, the year of operation of ORCA starting in 2020. On the y-axis, the significance to determine the neutrino mass hierarchy using ORCA. (credit: KM3Net Collaboration, picture from the Executive summary of the Letter of Intent for KM3NeT 2.0)	The scientific potential of the ARCA detector of KM3NeT. On the x-axis the year of operation of ARCA starting in 2020. On the y-axis the significance for observing the cosmic neutrino flux reported by the IceCube Collaboration. (credit: KM3Net Collaboration, picture from the Executive summary of the Letter of Intent for KM3NeT 2.0)

Today, scientists of the KM3NeT Collaboration have publicly announced KM3NeT 2.0, their ambition for the immediate future to further exploit the clear waters of the deep Mediterranean Sea for the detection of cosmic and atmospheric neutrinos. The published Letter of Intent details the science performance as well as the technical design of the KM3NeT 2.0 infrastructure.

The two major scientific goals of KM3NeT 2.0 are the discovery of astrophysical sources of neutrinos in the Universe with the KM3Net/ARCA detector and the measurement of the neutrino mass hierarchy using atmospheric neutrinos with the KM3NeT/ORCA detector. Thanks to the flexible KM3NeT design, efficient detection of neutrinos is possible over a wide energy range (GeV to PeV) with an almost identical implementation.

"The combination of the cost effective design of the ARCA detector of KM3NeT and state-of-the-art reconstruction software allows for efficient detection of all three neutrino flavours from cosmic origin in a few years," explains Rosa Coniglione, KM3NeT Workgroup leader HE Astrophysics. The KM3NeT scientists estimate that with the ARCA detector installed at the KM3NeT-It site south of Sicily, Italy, the observation of the cosmic neutrino flux reported by the IceCube Collaboration will be possible within one year of operation.

"With the densely instrumented ORCA detector of KM3NeT we will be able to determine the relative ordering of the neutrino masses, also referred to as the neutrino mass hierarchy," explains Antoine Kouchner, KM3NeT Workgroup leader LE Physics. With the ORCA detector installed at the KM3NeT-Fr site south of Toulon, France, the collaboration expects to determine neutrino mass hierarchy with at least 3-sigma significance after three years of operation.

The Letter of Intent is now open for scrutiny by the neutrino scientific community and will serve as the reference document for requests for funding by the various stakeholders in Europe and abroad. Pending funding, KM3NeT 2.0 could become reality as early as in 2020. Uli Katz, KM3NeT Physics and Software manager concludes, "The modular design of KM3NeT with detector blocks for the telescope makes it possible to swiftly react on new scientific developments. With KM3NeT 2.0 we are able to not only perform all-flavour neutrino astroparticle physics but also advance fundamental neutrino particle physics".

 
Press release: KM3Net
Reference: Letter of Intent for KM3NeT 2.0 (arXiv:1601.07459)

Scientists working with the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) observatory have reported the discovery of the most energetic pulsed emission radiation ever detected from the neutron star in the center of the supernova of 1,054 A.D. , known as the Crab pulsar.

The Crab pulsar is the corpse left over when the star that created the Crab nebula exploded as a supernova. It has a mass of 1.5 the mass of the Sun concentrated in a bout 10 kilometer s diameter object, rotates 30 times per second, and is surrounded by a region of intense magnetic field ten thousand billion times stronger than that of the Sun. This field is strong enough to dominate the motion of charges and forces them to rotate at the same rate as the stellar surface. This region is called the magnetosphere. The rotation of the magnetic field also generates intense electric fields that literally tear electrons from the surface. As these accelerated electrons stream outward, they produce beams of radiation that we receive every time the beam crosses our line of sight, like a lighthouse.

In 2011, the MAGIC and VERITAS observatories discovered unexpected very energetic photons. Emma de Oña Wilhelmi from the Institute of Space Sciences (IEEC - CSIC, Barcelona) and Principal Investigator of this observation program says : "We performed deep observation of the Crab pulsar with MAGIC to understand this phenomenon, expecting to measure the maximum energy of the pulsating photons". Roberta Zanin (ICCUB - IEEC, Barcelona) continues: "The new observations extend this tail to much higher, above TeV energies, that is, several times more energetic than the previous measurement, violating all the theory models believed to be at work in neutron stars."

The photons arrive in two precise beams which should be created far from the neutron star surface: on the far end of the magnetosphere or outside it, in the ultra-relativistic wind of particles around the pulsar, to be able to accelerate electrons to such energies and to escape the large absorption in the magnetised atmosphere. But very surprisingly, the TeV beams arrive at the same time as the radio and X-ray beams, which are very likely produced within the magnetosphere. This tight synchronization of the beams at different energies implies that the bright radiation observed in the multi-wavelength spectrum is produced altogether in a rather small region. Alternatively one can say that the electrons responsible from the TeV radiation keep somehow memory of the low-energy beams. Daniel Galindo Fernandez (ICCUB - IEEC, Barcelona) says: "Where and how this TeV emission is created remains still unknown and difficult to reconcile with the standard theories." And David Carreto Fidalgo from Complutense University of Madrid adds: "But how and where this effect is achieved in such a small region challenges our knowledge of physics".

MAGIC Spokeperson Razmik Mirzoyan from the – HAP partner – Max Planck Institute for Physics (MPP) in Munich, Germany says: "This is another very important result achieved by MAGIC on the puzzling celestial object, which incidentally besides the Sun is the most investigated oranges. Hence from the beginning of operation of the MAGIC experiment in 2004, we have been intensively observing the Crab Nebula and the Crab pulsar. And that has really paid-off – in the mean time we revealed significant features of this enigmatic object thus providing substantial input to our theory colleagues – now it is their move to explain how the things are at work. MAGIC has been designed to be the mo st suitable instrument among imaging atmospheric Cherenkov telescopes to perform this kind of observations."

Press release: MAGIC
Publication: Teraelectronvolt pulsed emission from the Crab Pulsar detected by MAGIC, MAGIC Collaboration:
S. Ansoldi et al., Astronomy&Astrophysics 585 (2016) A133 (A&A, arXiv:1510.07048)