Der Ballon trug einen Stapel radioaktiver, pfannkuchenförmiger Filme durch die Luft und machte die weltweit präzisesten Fotos des Gammastrahlenstrahls eines Neutronensterns. Diese Pionierarbeit wurde von Forschern der Universität Kobe geleistet, die die früheste Technologie zur Erkennung radioaktiver Strahlung mit fortschrittlicher Datenerfassungstechnologie und innovativen Zeiterfassungsgeräten kombinierten.

Ein Blatt Pfannkuchen erfasst die Stelle, an der ein Strohhalm eingeführt wird, aber um die Richtung des Strohhalms zu erfassen, wäre ein ganzer Stapel Pfannkuchen erforderlich. Ebenso konnten Forscher der Universität Kobe mithilfe eines Stapels radioaktiver Sensorfilme auf einem Ballon präzise fotografische Aufnahmen von Gammastrahlen aussendenden Pulsaren (Leuchtfeuern am Himmel) machen. Um die Ausrichtung der schwebenden Gondel relativ zu den Sternen bestimmen zu können, fügten sie außerdem eine Sternenhimmelkamera und ein Gerät zur Zeitstempelung von Gammastrahleneinschlägen hinzu. Quelle: Universität Kobe

Sterne leuchten uns im gesamten Lichtspektrum an, von Infrarot bis Gammastrahlung. Für jedes Band ist eine andere Sensorausrüstung erforderlich. Am anspruchsvollsten ist dabei die Gammastrahlung, die als energiereiches Produkt der Kernspaltung bekannt ist, da sie aufgrund ihrer sehr kurzen Wellenlänge im Gegensatz zu anderen Lichtformen nicht mit Materie interagiert und daher nicht mit Linsen abgelenkt und von Standardsensoren nicht erfasst werden kann. Infolgedessen besteht eine Lücke in unserer Fähigkeit, Licht von faszinierenden Sternobjekten wie Supernovae und ihren Überresten zu erkennen.

Eine Gondel mit einem Teleskop startet in Alice Springs, Australien. Bildquelle: GRAINE-Kooperationsprojekt

Um dieses Problem zu lösen, richteten der Astrophysiker Shigeki Aoki und sein Team ihre Aufmerksamkeit auf das älteste Material, das zum Nachweis von Radioaktivität verwendet wurde – lichtempfindliche Filme. „Unsere Forschungsgruppe hat sich auf die bemerkenswerte Fähigkeit des Emulsionsfilms konzentriert, Gammastrahlen mit hoher Präzision zu verfolgen, und schlug vor, dass der Emulsionsfilm durch die Einführung einiger moderner Datenerfassungs- und Analysefunktionen zu einem hervorragenden Gammastrahlenteleskop werden könnte“, erklärte Aoki.

Basierend auf der hohen Empfindlichkeit dieser Filme und einem neuartigen, automatisierten Hochgeschwindigkeitsverfahren zum Extrahieren von Daten aus den Filmen besteht die Idee darin, mehrere Filme zu stapeln, um die Flugbahnen der Partikel, die beim Auftreffen von Gammastrahlen auf sie entstehen, genau zu erfassen. Genauso wie ein Pfannkuchen erfassen könnte, wo man einen Strohhalm hineinsteckt, aber um die Richtung des Strohhalms zu erfassen, wäre ein ganzer Stapel Pfannkuchen erforderlich.

Abschnitte eines entwickelten Emulsionsfilms. Spuren von Partikeln, die durch Gammastrahleneinschläge entstanden sind, sind auf der gesamten Ebene als winzige graue Punkte zu erkennen. Quelle: GRAINE Partnership

Um atmosphärische Störungen zu reduzieren, montierten sie den Filmstapel anschließend auf einem wissenschaftlichen Beobachtungsballon und hoben ihn auf eine Höhe von 35 bis 40 Kilometern. Da der Ballon jedoch im Wind schwankte und sich drehte, war die Richtung des „Teleskops“ instabil, weshalb sie eine Reihe von Kameras hinzufügten, um die Position der Gondel relativ zum Sternenhimmel jederzeit aufzuzeichnen.

Dies führt jedoch zu einem weiteren Problem, denn wie jeder weiß, der mit Langzeitbelichtungen fotografiert hat, kann der fotografische Film den Lauf der Zeit nicht aufzeichnen, sodass es keine direkte Möglichkeit gibt, festzustellen, wann der Gammastrahleneinschlag stattgefunden hat. Um dieses Problem zu lösen, bewegten sie die unteren drei Folienschichten mit festen, aber unterschiedlichen Geschwindigkeiten hin und her, wie die Zeiger einer Uhr. Anhand der relativen Fehlausrichtung der Markierungen auf dem darunter liegenden Film konnten sie den genauen Zeitpunkt des Aufpralls berechnen und ihn mit den Kameraaufnahmen korrelieren.

Jetzt haben sie das erste von dem Gerät erzeugte Bild im Astrophysical Journal veröffentlicht. Dies ist das genaueste Bild des Vela-Pulsars, das jemals aufgenommen wurde. Der Vela-Pulsar ist ein sich schnell drehender Neutronenstern, der nachts wie ein Leuchtfeuer einen Strahl aus Gammastrahlen in den Himmel projiziert. „Insgesamt haben wir Billionen von Flugbahnen mit einer Genauigkeit von 1/10.000 Millimetern erfasst. Durch das Hinzufügen von Zeitinformationen und deren Kombination mit Informationen zur Lageüberwachung konnten wir das „Wann“ und „Wo“ des Ereignisses mit großer Präzision bestimmen, mit einer Auflösung, die mehr als 40-mal höher ist als bei herkömmlichen Gammastrahlenteleskopen.“

Bild des Vela-Pulsars. Die Auflösung des Bildes ist mehr als 40-mal höher als zuvor: Der Kreis unten links stellt die Bildausbreitung des Pulsars zum Vergleich mit der Bildausbreitung des besten vorherigen Gammastrahlenbildes (einem anderen Sternobjekt) dar, dargestellt durch den gepunkteten Kreis. Quelle: GRAINE Collaboration Group

Während diese Ergebnisse bereits beeindruckend sind, bieten neue Techniken die Möglichkeit, noch mehr Details in diesem Lichtband einzufangen. Forscher der Universität Kobe erklärten: „Durch wissenschaftliche Ballonexperimente können wir versuchen, zu vielen Bereichen der Astrophysik beizutragen, insbesondere durch den Einsatz von Gammastrahlenteleskopen in der ‚Multi-Messenger-Astronomie‘, bei der gleichzeitige Messungen desselben Ereignisses, das mit verschiedenen Techniken erfasst wird, erforderlich sind. Basierend auf den erfolgreichen Daten, die durch das Ballonexperiment im Jahr 2018 generiert wurden, werden wir den Beobachtungsbereich und die Beobachtungszeit bei den folgenden Ballonflügen erweitern und freuen uns darauf, wissenschaftliche Durchbrüche auf dem Gebiet der Gammastrahlenastronomie zu erzielen.“

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily