IV Future Missions and Prospects
Die Entwicklung eines jeden neuen Teleskops hat als primäres Ziel eine Erhöhung der Empfindlichkeit, kombiniert mit einer verbesserten Winkel- und Spektralauflösung. Im Bereich der Gammastrahlung bedeutet dies immer eine verbesserte Bestimmung der Positionen der Photonenwechselwirkung und der Energiedispositionen im Detektionsmedium. Eine genauere Bestimmung der Eigenschaften der wechselwirkenden Gammastrahlen führt direkt zu einer geringeren Hintergrundrate, da echte Himmelsereignisse weniger wahrscheinlich mit Hintergrundwechselwirkungen verwechselt werden können. Praktisch jedes Gammastrahlenteleskop, das derzeit entwickelt wird, versucht, diese Wechselwirkungsmessungen durch den Einsatz neuer Detektortechnologien zu verbessern. Die räumliche und energetische Auflösung innerhalb der Detektormaterialien wird zum Beispiel durch den Einsatz neu entwickelter Halbleiterstreifen- und Pixeldetektoren (wie Silizium, Germanium und CdZnTe) erheblich verbessert. Die anhaltende Herausforderung besteht darin, solche empfindlichen, kleinen Geräte in ausreichend großen und zuverlässigen Mengen herzustellen, um sie in neue großflächige Instrumente einzubauen, und zwar zu Kosten, die man sich leisten kann. Ein weiteres gemeinsames Merkmal von Hochenergie-Teleskopen ist die große Anzahl von Datensignalen, die in mehrkanaligen Detektorsystemen verarbeitet und aufgezeichnet werden müssen. Für den effizienten Betrieb von Hochenergie-Instrumenten ist der verstärkte Einsatz von anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASICs) mit VLSI-Techniken (Very Large Scale Integration) unabdingbar. Erfreulicherweise steigen die Rechengeschwindigkeit und die Datenspeicherkapazitäten stetig an, und die Experimentatoren nutzen diese neuen Möglichkeiten bei der Entwicklung ihrer Instrumente.
Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts (2001) ist der Start einer Reihe von Gammastrahlenmissionen für die nahe Zukunft geplant (siehe Tabelle II). Eine der wichtigsten ist das Internationale Labor für Gammastrahlenastrophysik (INTEGRAL), eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit Beteiligung Russlands und der NASA. INTEGRAL soll im Jahr 2002 gestartet werden und wird hochauflösende Spektroskopie (E/ΔE ∼ 500) und Bildgebung (∼ 12″ FWHM) über den Energiebereich von 15 kev bis 10 MeV betreiben. INTEGRAL verfügt über zwei Gammastrahlen-Instrumente, das SPI-Spektrometer und den IBIS-Imager, die beide als Teleskope mit kodierter Blende zur genauen Identifizierung von Quellen betrieben werden. Das SPI verwendet hochreine Germaniumdetektoren, während das IBIS zwei Detektorebenen verwendet, eine vordere Schicht aus CdTe-Elementen und eine zweite Schicht aus CsI-Pixeln. Angesichts der Notwendigkeit einer breitbandigen Abdeckung verfügt INTEGRAL auch über zwei Röntgenmonitore mit kodierter Öffnung (JEM-X) sowie eine optische Überwachungskamera (OMC). Das primäre wissenschaftliche Ziel der INTEGRAL-Instrumente ist die Durchführung hochauflösender spektroskopischer Studien von Quellen im Kernlinienbereich des Spektrums.
Das Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), das von der NASA im Jahr 2005 gestartet werden soll, wird die Nachfolgemission des äußerst erfolgreichen CGRO EGRET-Experiments sein. Die Empfindlichkeit von GLAST, die von 20 MeV bis 300 Gev reicht, wird weit über den EGRET-Bereich hinausgehen und die dringend benötigte Abdeckung des schlecht beobachteten Gev-Bereichs des Spektrums ermöglichen. Bei GLAST wird eine modernere Teilchenverfolgungstechnologie (Siliziumstreifendetektoren) anstelle der Funkenkammergitter eingesetzt, die in früheren Teleskopen zur Paarproduktion verwendet wurden. GLAST wird ein großes Gesichtsfeld haben (∼ 2 sr) und im Vergleich zu EGRET eine um den Faktor 30 verbesserte Fluxempfindlichkeit und eine um den Faktor 10 verbesserte Fähigkeit zur Lokalisierung von Punktquellen aufweisen. GLAST wird auch einen Monitor für Gammastrahlenausbrüche enthalten.
Zu den speziell für die Untersuchung von Gammastrahlenausbrüchen entwickelten Missionen gehören HETE-2 und Swift. Das High-Energy Transient Experiment-2 (HETE-2) wurde im Jahr 2000 gestartet und ist seit Anfang 2001 in Betrieb. Dieser Satellit trägt drei wissenschaftliche Instrumente: ein nahezu omnidirektionales Gammastrahlen-Spektrometer, einen Weitwinkel-Röntgenmonitor und eine Reihe von Kameras für weiche Röntgenstrahlung. Ein Hauptziel der HETE-2-Mission ist die schnelle Identifizierung und genaue Lokalisierung von Gammastrahlenausbrüchen, deren Koordinaten innerhalb von Sekunden an bodengestützte Observatorien weitergeleitet werden sollen, um nach Gegenstücken in der Tiefe zu suchen. Die kürzlich ausgewählte Swift-Mission (Start für 2003 geplant) wird ebenfalls Multiwellenlängenstudien von Gammastrahlenausbrüchen durchführen, ähnlich wie BeppoSAX und HETE-2. Wie sein vogelähnlicher Namensvetter wird Swift „fliegende Nahrung“ liefern, indem es Gammastrahlenausbrüche schnell und mit einer Genauigkeit von ∼ 1-4′ lokalisiert und die Koordinaten innerhalb von ∼ 15 s an den Boden überträgt, um nach Gegenstücken zu suchen. Swift kann auch schnell umorientiert werden, um Beobachtungen mit seinen Röntgen- und Ultraviolett-/Optik-Teleskopen durchzuführen, die zur Untersuchung der Eigenschaften des Nachleuchtens, zur Positionsbestimmung auf Bogensekunden genau und zur Bestimmung von Entfernungen durch spektrale Messungen der Rotverschiebung verwendet werden.
Der High-Energy Solar Spectroscopic Imager (HESSI) ist eine von der NASA finanzierte Mission zur Untersuchung der Eigenschaften der Teilchenbeschleunigung in Sonneneruptionen anhand der Röntgen- und Gammastrahlenemission, die bei diesen energiereichen Ereignissen entsteht. HESSI, dessen Start für 2001 auf dem Höhepunkt des Sonnenzyklus geplant ist, wird mit einem Satz gekühlter hochreiner Germaniumdetektoren hochauflösende spektroskopische Messungen der Kernlinien und des zugrunde liegenden Bremsstrahlungskontinuums über den Energiebereich von 3 kev bis 20 MeV durchführen. HESSI wird mit Hilfe rotierender, modulierender Kollimatoren eine Fourier-Transformationsabbildung der gesamten Sonne mit einer Auflösung von ∼ 2″-36″ über den gesamten empfindlichen Bereich durchführen. Da HESSI nicht abgeschirmt ist, kann es auch andere nicht-solare Beobachtungen durchführen, einschließlich der Messung der galaktischen diffusen Linien, die auf radioaktives 26Al (bei 1,809 MeV) und Positronenvernichtung (bei 0,511 MeV) zurückzuführen sind.
Im Bereich der Planetenforschung soll 2001 auch die NASA-Mission Mars Odyssey starten. Zu ihren Instrumenten gehören ein Gammastrahlenspektrometer und zwei Neutronendetektoren. Mit diesen Instrumenten soll die Marsoberfläche vollständig kartiert und ihre elementare Zusammensetzung bestimmt werden. Die Kombination von Neutronen- und Gammastrahlenmessungen wird auch dazu dienen, den Wassergehalt der nahen Marsoberfläche abzuschätzen.
Weitere Gammastrahlenexperimente und -missionen wurden von der Gamma-Ray Astronomy Program Working Group, einem beratenden Gremium der NASA, das sich aus Wissenschaftlern aus dem Hochenergiebereich zusammensetzt, als vorrangig eingestuft. Zu ihren Empfehlungen für die künftige Entwicklung gehört ein fortschrittliches Compton-Teleskop, das die neuesten Detektortechnologien für die Anwendung im MeV-Bereich des Spektrums einsetzt.
Wissenschaftliche Ballonfahrten in großer Höhe dienen seit langem als Testfeld für neue Instrumente. Gammastrahlenteleskope benötigen aufgrund des vergleichsweise geringen Quellenflusses und des hohen instrumentellen Hintergrunds lange Belichtungszeiten, während die Dauer eines typischen Ballonfluges leider oft recht begrenzt ist (höchstens ein paar Tage). Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, hat die NASA kürzlich das Projekt ULDB (Ultra-Long Duration Balloon) ins Leben gerufen, dessen geplante 100-tägige Ballonflüge rund um die Welt die Verweildauer wissenschaftlicher Instrumente in der Luft erheblich verlängern werden. Das ULDB-Programm wird dringend benötigte Gelegenheiten für Ballonflüge mit längerer Exposition sowie eine attraktive, kostengünstige Alternative zu Weltraummissionen in vollem Umfang bieten.
Unter den Kollaborationen, die sich aktiv mit bodengestützten Luft-Cherenkov-Studien von TeV-Gammastrahlen befassen, gibt es auch eine Reihe von Bemühungen, bestehende Einrichtungen zu verbessern, vor allem durch eine Vergrößerung der optischen Sammelfläche. Die vielleicht ehrgeizigsten sind die der VERITAS-Kollaboration mit einer geplanten Anordnung von sieben 10-m-Teleskopen in den USA, der deutsch-französisch-italienischen HESS-Gruppe mit vier bis 16 Teleskopen der 12-m-Klasse, die in Namibia gebaut werden sollen, des deutsch-spanischen MAGIC-Projekts mit einem Teleskop von 17 m Öffnung und der japanischen SuperCANGAROO-Anordnung von vier 10-m-Teleskopen in Australien. In diesem Zusammenhang baut die MILAGRO-Kollaboration in New Mexico in den USA einen Wasser-Cherenkov-Detektor mit einem breiten Sichtfeld für TeV-Messungen. Als überdachter, lichtdichter Detektor hat MILAGRO den zusätzlichen Vorteil, dass er 24 Stunden am Tag in Betrieb bleiben kann.