Aus eins mach vier

Am 15. Oktober feierten 250 Gäste von führenden Forschungseinrichtungen des Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) einen Meilenstein auf dem Weg in ein neues Zeitalter der Gammastrahlen-Astronomie. Das LST-Array am Observatorium Roque de los Muchachos auf La Palma besteht nun aus vier statt bisher einem sogenannten Large-Sized Telescope (LST). Damit ist die Bauphase des Subarrays von CTAO abgeschlossen; in den kommenden Jahren findet die vollständige Inbetriebnahme von LST-2, LST-3 und LST-4 statt, während der wie schon bei LST-1 nach und nach auch wissenschaftliche Daten anfallen.

Das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) ist als weltweit größtes und leistungsstärkstes Observatorium für die Astronomie mit Gammastrahlung geplant. Die mehr als 60 Teleskope der finalen Ausbaustufe umfassen drei verschiedene Typen: Benannt nach ihrer Baugröße – large-sized, medium-sized und small-sized – arbeiten sie optimal in einem Teil des Energiebereichs zwischen 20 GeV und mehreren TeV. Dabei entspricht eine Energie von 1 GeV einer Wellenlänge von etwa 1,3 fm.

Die vier LST auf La Palma decken dabei die niedrigen Energien ab. Ihre Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 23 Metern sammeln das Tscherenkow-Licht auf, das entsteht, wenn die Gammastrahlung in der Atmosphäre einen Schauer mit schnellen Sekundärteilchen erzeugt. Die Kamera jedes LST deckt ein Sichtfeld von 4,3 Grad ab und besteht aus 1855 Photomultiplier-Röhren, die in 265 Modulen mit jeweils eigener Ausleseelektronik angeordnet sind, was die Kalibrierung und Wartung erleichtert.

Um das LST-Array zu bauen, haben mehr als 500 Forschende, Ingenieurinnen und Techniker über 15 Jahre lang zusammengearbeitet. Das LST-1 wurde 2018 eingeweiht; zwei Jahre später lieferte es erste wissenschaftliche Daten im Rahmen der laufenden Inbetriebnahme. Nach dem erfolgreichen Nachweis der geringen Energieschwelle und schnellen Reaktionszeit, die es erlaubt, das rund hundert Tonne schwere und etwa 45 Meter hohe Teleskop in weniger als zwanzig Sekunden auszurichten, begann der Bau der drei weiteren Anlagen. Weil die vier Teleskope eine Strahlungsquelle gleichzeitig von verschiedenen Standorten aus beobachten, ergeben die kombinierten Daten eine deutlich höhere Empfindlichkeit und Winkelauflösung bei verbesserter Rauschunterdrückung und Energierekonstruktion.

Ziel des CTAO ist es, das Fenster zu den höchsten Energien im elektromagnetischen Spektrum weiter zu öffnen. Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht es, weit entfernte – und damit sehr alte – Quellen zu beobachten. Die Daten sollen unter anderem klären, wie relativistische Teilchen in der kosmischen Strahlung entstehen, welche Mechanismen hinter sich schnell verändernden Quellen von Gammastrahlung stecken und ob es sich bei der Dunklen Materie um schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMP) handelt. Dazu ergänzte Stuart McMuldroch, Generaldirektor von CTAO, während der Feierlichkeiten, dass auch die Hoffnung besteht auf ganz neue Phänomene zu stoßen: „Bereits bestehende Anlagen, wie H.E.S.S., MAGIC oder VERITAS, haben rund 200 Objekte kartiert. Mich würde wundern, wenn unter den tausenden, die durch CTAO hinzukommen dürften, nicht auch das ein oder andere ist, das wir bisher noch nicht beobachtet haben.“

Darüber hinaus kann das CTAO einen wichtigen Beitrag zu Multimessenger-Beobachtungen leisten. Denn einerseits erlaubt es die weltweit verteilte Anlage, sehr schnell zu reagieren und von anderen Teleskopen entdeckte Quellen bezüglich ihrer Gammastrahlung zu untersuchen. Andererseits dürfte der besondere Energiebereich in Kombination mit der hohen Empfindlichkeit dafür sorgen, dass CTAO Strahlungsquellen zuerst entdeckt und Beobachtungen in anderen Wellenlängen, von Neutrinos oder Gravitationswellen anstößt. So erhofft sich auch der Ehrengast bei der Einweihung des LST-Arrays, Nobelpreisträger Takaaki Kajita, dass das LST und CTAO künftig für neue und noch breitere Erkenntnisse aus Multimessenger-Beobachtungen sorgen.

Parallel zur Inbetriebnahme des LST-Arrays auf La Palma schreitet der Bau des CTAO voran. Auch der südliche Standort am Paranal-Observatorium in der chilenischen Atacama-Wüste soll in den nächsten Jahren zwei LST erhalten, die derzeit in Italien gebaut werden. Derweil bereiten sich die Zentrale des CTAO, die das Istituto Nazionale die Astrofisica in Bologna betreibt, und das Science Data Management Centre am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Zeuthen unter anderem darauf vor, die wachsende Datenmenge der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen.