Tscherenkow-Teleskope Digitizer-Messkarten vermessen Durchmesser von Sternen

Supernovae, Schwarze Löcher oder den Durchmesser von Sternen vermessen: Auf La Palma beobachtet ein Zwillingsteleskop den Himmel. Das ist wegen des sehr kleinen Winkeldurchmessers anspruchsvoll. Gemessen wird die abgestrahlte Lichtintensität.

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Kosmische Objekte: Das Zwillingsteleskop MAGIC auf einer Höhe von über 2.200 m auf der Insel La Palma.
Kosmische Objekte: Das Zwillingsteleskop MAGIC auf einer Höhe von über 2.200 m auf der Insel La Palma.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Supernovae und Schwarze Löcher gehören zweifellos zu den faszinierendsten kosmischen Gebilden. Die kosmischen Objekte lassen sich über ihre hochenergetischen Gammastrahlen beobachten. Mit den MAGIC-Teleskopen auf der Kanareninsel La Palma

Astronomen verwenden das Zwillingsteleskop auch, um den Durchmesser von Sternen zu messen und die Prozesse während ihres gesamten Lebenszyklus zu untersuchen. Für erdgebundene Teleskope ist das eine anspruchsvolle Aufgabe, da der Winkeldurchmesser von Sternen extrem klein ist: nur wenige Millibogensekunden. Das ist wie die Vermessung einer Münze auf der Spitze des Eiffelturms, mit einem Fernrohr in New York. Nicht einmal die größten Teleskope der Welt sind in der Lage, den Durchmesser der Sterne direkt zu messen.

Kleine Signalstörungen und geringes Übersprechen

Stattdessen zeichnen die Forscher die Lichtintensität eines Objekts auf, indem sie das Licht zweier Teleskope kombinieren, die einige Dutzend Meter entfernt voneinander stehen – eine Technik, die als Intensitäts-Interferometrie bezeichnet wird. Die Signale sind jedoch sehr schwach, so dass Übersprechen und Störsignale sie sehr leicht überlagern können.

„Wir haben festgestellt, dass die Karten von Spectrum von allen verglichenen PC-Karten die kleinsten Signalstörungen und das niedrigste Übersprechen aufwiesen“, sagte David Fink vom Max-Planck-Institut für Physik, der für die elektronische Entwicklung des Projekts verantwortlich ist.

„Außerdem waren die Ausgangswerte jeder Karte absolut identisch. Das ist extrem wichtig, da wir die Signalunterschiede der beiden Teleskope ermitteln müssen. Die Technik ist sehr empfindlich gegenüber korrelierten Signalen und Übersprechen zwischen Kanälen, einschließlich allem, was auf dem Weg von den optischen Sensoren der Teleskope bis zum Computer mit den Digitizer-Karten an Störungen einfällt.

Die Digitizer ermöglichen uns, Schwankungen der Lichtintensität im Nanosekundenbereich extrem präzise zu messen. Die Empfindlichkeit ist etwa zehnmal höher als die mit dem Narrabri Interferometer in den 1970er Jahren erreichte Empfindlichkeit.“

Lange Beobachtungszeiten

MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) sind die weltweit größten Luft-Tscherenkow-Teleskope mit einem Durchmesser von jeweils 17 Metern.
MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) sind die weltweit größten Luft-Tscherenkow-Teleskope mit einem Durchmesser von jeweils 17 Metern.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

„Der andere wichtige Faktor, der zur Auswahl der Digitizer-Karten führte, ist ihre Zuverlässigkeit. Die Karten befinden sich bei den beiden Teleskopen, hoch oben in den Bergen auf der Insel La Palma, so dass es sehr umständlich wäre, eine defekte Karte auszutauschen. Hinzu kommen die Kosten für Geräteausfallzeiten und die verlorene Beobachtungszeit. Außerdem versicherte uns Spectrum, dass sie die Karten auch lange nach dem Ablauf der fünf Jahre reparieren können“, David Fink.

Eine Garantiedauer von fünf Jahren ist besonders für Langzeitexperimente wichtig. Denn wenn wichtige Hardware-Komponenten nicht mehr verfügbar sind, müssten diese durch andere Instrumente ersetzt werden.

Große Datenmengen verarbeiten

Aufgrund der großen Datenmengen, die verarbeitet werden müssen, nutzen die Forscher zusätzlich die SCAPP-Software von Spectrum (Spectrum's CUDA Access for Parallel Processing). Dabei werden die gesammelten Daten der Digitizer im PC nicht an die CPU mit 16 Prozessorkernen gesendet, sondern an eine NVIDIA PC-Grafikkarte. Da der GPU-Grafikprozessor bis zu 5.000 Kerne hat, kann eine viel schnellere parallele Datenverarbeitung realisiert werden. Damit sind Datenerfassungen in hoher Auflösung mit 500 MS/s möglich.

Der Durchmesser eines weit entfernten Sterns wird gemessen, indem die Variationen des empfangenen Lichts digitalisiert werden. Die Kreuzkorrelation wird dann während der Beobachtung berechnet und gemittelt, um ihre Variation als Funktion des Abstands zwischen den Teleskopen zu bestimmen. Die Geometrie ändert sich, wenn sich der Stern über den Himmel bewegt. Das Messen einer Form erfordert Beobachtungen entlang mehrerer Achsen.

Hintergrund-Information

Bildgebende atmosphärische Tscherenkow-Teleskope (IACTs) haben große Spiegel und eine Reaktionszeit von etwa einer Nanosekunde auf die Signale von Photoelektronen, die von optischen Photonen erzeugt werden.

Damit eignen sie sich für optische Interferometrie-Beobachtungen. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit bei sichtbaren Wellenlängen können Winkelauflösungen bis wenigen zehn Mikrobogensekunden erreicht werden. Ein zusätzlicher optischer Aufbau, der auf den Kameras der beiden 17-Meter-Spiegel installiert wurde, konnte kohärente Fluktuationen in der Photonenintensität beobachten, die für drei verschiedene Sterne gemessen wurden.

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