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Astronomie - Integral: Ein Jahrzehnt Erkundung des Gamma-Universums

 

 

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This is an artist’s impression of ESA’s orbiting gamma-ray observatory, Integral. Credits: ESA

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Europas großes Gammastrahlen-Observatorium Integral (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) ist seit einem Jahrzehnt den energiereichsten Phänomenen des Universums auf der Spur. Im Visier stehen exotische Objekte, wie Schwarze Löcher, kollabierende Sterne oder die geheimnisvollen Gamma-Blitze, die stärksten bisher beobachteten Strahlungsausbrüche im Universum.

 
Integral ist eine internationale Gemeinschaftsmission, an der die ESA-Mitgliedsstaaten sowie die USA und Russland beteiligt sind. Als Flugkontrollzentrum fungiert das European Space Operations Centre ESOC in Darmstadt. 

Ambivalente Gammastrahlen
 
Gammastrahlen sind wesentlich energiereicher als Röntgenstrahlen und demzufolge für den Menschen höchst gefährlich. Glücklicherweise schützt uns die Erdatmosphäre vor dieser Strahlung. Erst die Raumfahrt ermöglichte der Astronomie dieses Fenster des elektromagnetischen Spektrums weit zu öffnen. Daher ist die Gamma-Astronomie eine recht junge, jedoch vielversprechende Wissenschaft.

Gammastrahlen treten immer bei außergewöhnlichen Ereignissen im Universum auf, beispielsweise bei gewaltigen Explosionen sowie Kollisionen von Sternen. Deren Beobachtung erlaubt uns wichtige Erkenntnisse über unbekannte Vorgänge im Weltraum.

Die ESA, die in der Gamma-Astronomie mit ihrem Satelliten COS-B (1975) Pionierarbeit leistete, hat mit Integral ihre führende Position auf diesem Gebiet gefestigt.

Einzigartiges Hightech-Observatorium
 
Das am 17. Oktober 2002 mit einer Proton-Trägerrakete vom Kosmodrom Baikonur (Kasachstan) gestartete 5 Meter hohe und 4 Tonnen schwere Observatorium erfasst die hochenergetische Gammastrahlung in den Tiefen des Alls. Auf seiner aktuell zwischen 3100 und 159 000 Kilometer hohen Umlaufbahn umkreist Integral einmal in drei Tagen die Erde. Das ermöglicht lange Beobachtungen außerhalb des irdischen Strahlungsgürtels.

Integral ist das leistungsfähigste und zugleich empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium. An Bord befinden sich insgesamt vier wissenschaftliche Instrumente, von denen zwei für Observierungen im Gamma-Spektrum eingesetzt werden. Die anderen beiden Geräte dienen Beobachtungen im Röntgenspektralbereich sowie im sichtbaren Licht.

Alle Instrumente sind stets simultan auf einen Himmelssektor ausgerichtet. Dadurch lassen sich Gammastrahlungsquellen eindeutig identifizieren. Gleichzeitig können wertvolle Informationen über die im Blickfeld liegenden astronomischen Objekte erzielt werden. Die gewonnenen Daten und Bilder gehen an das Integral Science Data Centre (ISDC) ins schweizerische Versoix, werden dort aufbereitet und dann den Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt.

Neue Erkenntnisse über das Gamma-Universum
 
Die Ergebnisse, die Integral bislang lieferte, sind außergewöhnlich. Von seltenen Sternen bis hin zu den „Fressgewohnheiten“ Schwarzer Löcher haben die scharfen Augen der vier Bordinstrumente alles registriert, was der Gammastrahlungsbereich aufzuweisen hat. Vor allem die im Zentrum unserer Milchstraße vorhandenen zahllosen hochenergetischen Röntgen- und Gammastrahlungsquellen wurden bis ins kleinste Detail dokumentiert. Hierzu gehören Röntgendoppelsterne mit zentralen Neutronensternen oder Schwarzen Löchern, Supernovae-Überreste und Pulsare. Viele dieser kosmischen Phänomene sind nur kurzzeitig sichtbar. Als Gammastrahlungsquellen können sie aber noch über einen sehr langen Zeitraum wahrgenommen werden.


Meilensteine der galaktischen Forschung
 
Integral entdeckte den am schnellsten rotierenden Neutronenstern der Galaxis: Der Gigant rotiert pro Sekunde 1122-mal um die eigene Achse. Erstmals gelang ein detaillierter Blick in das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Das Observatorium bescherte den Astronomen zwei weitere Überraschungen: Integral fand energiearme kosmische Gammablitze sowie radioaktives Eisen.  

In der Explosionswolke der jungen Supernova 1987A entdeckte Integral radioaktives Titan-44 und zwar in einer Menge, die 100-mal größer ist als die Masse unserer Erde. Die Astronomen können mitverfolgen, wie Titan-44 allmählich zu Calcium zerfällt. Ein Element, das wir auch in unseren Knochen wiederfinden. Damit wird nachvollziehbar, wie wichtig Sternexplosionen sind. Sie haben jene schweren Elemente produziert, ohne die Leben auf der Erde nicht möglich wäre.

 

Atemberaubende Energiemengen
 
Die Antimateriewelt haben die Astronomen zwar noch nicht entdeckt, wohl aber das Gegenstück zum Elektron, das Positron. Beobachtungen von Integral zeigen nun, dass diese Partikel innerhalb unserer Galaxis ungleich verteilt sind.

Treffen Elektron und Positron aufeinander, löschen sich beide gegenseitig aus. Es kommt zur Annihilation, bei der Energie in Form von Gammastrahlung freigesetzt wird. Anhand der Integral-Daten ließ sich erstmals die bei der Annihilation von Elektronen und Positronen entstehende Gesamtenergiemenge berechnen. In jeder Sekunde werden im galaktischen Zentrum 15 Septillionen Teilchenpaare vernichtet. Das ist eine Zahl mit 42 Nullen. Die dabei freigesetzte Energie entspricht dem Sechstausendfachem der Leuchtstärke unserer Sonne.

Die bei der Annihilation freigesetzte Gammastrahlung zeigt eine starke Konzentration in Richtung des galaktischen Zentrums, jedoch ist noch völlig unklar welche Objekte die große Anzahl von Positronen erzeugen.

Erneute Missionsverlängerung möglich
 
Die ursprünglich auf fünf Jahre angesetzte Mission konnte aufgrund des sehr guten Zustandes des Observatoriums sowie der überaus erfolgreichen Forschungsergebnisse bereits dreimal verlängert werden, zuletzt bis zum 31. Dezember 2014. Die ESA hält sich eine Option für zusätzliche zwei Jahre offen, denn „wir hoffen auf weitere bahnbrechende Entdeckungen“, so Christoph Winkler, der überaus glückliche wissenschaftliche Leiter des Integral-Programms.
 

     

Kontrollraum der Integral-Mission im European Space Operations Centre (ESOC)der ESA in Darmstadt.

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Quelle: ESA

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