Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

Astronomie im kurzwelligen Spektralbereich
Indirekter Nachweis von Gammastrahlung
Auf den kanarischen Inseln, genauer auf La Palma, befindet sich in 2225 m Höhe ein
außergewöhnliches optisches Teleskop, welches in seiner Größe und Bauweise (17 m Durchmesser)
eher einem Radioteleskop ähnelt. Es hat den Namen MAGIC („Major Atmospheric Gamma Imaging
Cherenkov Telescope“) erhalten und dient in erster Linie der Untersuchung kosmischer
Gammastrahlenquellen in dem schwer meßbaren Energiebereich zwischen 20 und 300 GeV.
Bekanntermaßen kann kosmische Gammastrahlung die Erdoberfläche nicht erreichen, da sie in der
Erdatmosphäre sehr effektiv absorbiert wird. Dieser „Absorptionsvorgang“ ist aber aufgrund der hohen
Energie der γ − Quanten mit einer ganzen Kaskade von Sekundärprozessen verbunden, die in der
Atmosphäre letztlich zu einem optisch nachweisbaren Lichtblitz führen (Cherenkov-Strahlung). Die
Aufspürung und Vermessung derartiger Lichtblitze in der sauberen Atmosphäre über den Roque de los
Muchachos ist die eigentliche Aufgabe von MAGIC und erklärt auch dessen Design.
Die Idee, kosmische Gammastrahlung indirekt durch ihre Sekundäreffekte nachzuweisen, wird schon
seit einigen Jahrzehnten verfolgt. Nach der Entdeckung der kosmischen Strahlung durch VIKTOR
FRANZ HESS (1883-1964, Nobelpreis 1936) im Jahre 1912 begann man eine primäre und eine
sekundäre Komponente der damals Höhenstrahlung genannten Erscheinung zu unterscheiden. Zur
primären Komponente gehören die Teilchen (einschließlich der hochenergetischen γ − Quanten), die
von außerhalb kommend die Erdatmosphäre erreichen. Dort stoßen sie mit den Luftmolekülen
zusammen, wodurch sich in einem kaskadeartigen Prozeß die Energie auf eine Vielzahl von Teilchen
verteilt, von denen einige in Form der „Sekundärstrahlung“ bis zur Erdoberfläche vordringen können.
Diese Teilchenkaskaden werden als Luftschauer bezeichnet.
Durch die hohe Energie der primär einfallenden Gammastrahlungsquanten entstehen in der
Hochatmosphäre eine große Anzahl geladener Teilchen (zuerst in Form von Elektronen-
Positronenpaaren), die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit in Richtung Erdoberfläche bewegen. Diese
Teilchen senden elektromagnetische Strahlung bevorzugt innerhalb eines Kegels in
Bewegungsrichtung aus, die nach ihrem Entdecker Cherenkov-Strahlung genannt wird (PAVEL
ALEKSEYEVICH CHERENKOV, 1904-1990, Nobelpreis 1958). Sie entsteht immer dann wenn die
Geschwindigkeit v der emittierenden Teilchen die Lichtgeschwindigkeit c m im Medium (hier dem Gas
der Atmosphäre) übersteigt:
v c
c
n λ
0 > m = [1.45]
( )
n Brechungsindex des Mediums, c 0 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Als Resultat erhält man – ähnlich wie bei einem Flugzeug, das mit Überschallgeschwindigkeit fliegt –
eine Wellenfront, die sich mit der Geschwindigkeit v unter dem Winkel
π
− ϑ
[1.46]
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