Der Bau eines Observatoriums für kosmische Strahlen in der Wüste Utahs hat begonnen, das zehnmal empfindlicher sein soll als bisherige Instrumente. Das Observatorium soll Anfang 2007 für Tests bereit sein und im Sommer 2007 den vollen Betrieb aufnehmen. Das „Telescope Array“ besteht aus 564 tischförmigen Detektoren, die Schauer von subatomaren Teilchen messen werden, die auf die Erde fallen, wenn kosmische Strahlung mit unsere Atmosphäre. Es wird Wissenschaftlern helfen, die Quelle der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung aufzudecken.
Der Bau eines 17 Millionen US-Dollar teuren Observatoriums für kosmische Strahlung westlich von Delta, Utah, beschleunigt sich dank zweier US-Behörden: Das Bureau of Land Management erteilte eine Genehmigung und die National Science Foundation genehmigte einen Zuschuss in Höhe von 2,4 Millionen US-Dollar.
Das als Telescope Array bekannte Observatorium „wird zehnmal empfindlicher sein als frühere Experimente, und wir hoffen, es wird uns ermöglichen, das Geheimnis des Ursprungs dieser ultrahochenergetischen Teilchen [kosmischer Strahlung], die die Erde bombardieren, endlich zu lösen. “, sagt Pierre Sokolsky, Professor und Lehrstuhlinhaber für Physik an der University of Utah.
„Wir werden den leistungsstärksten Detektor für kosmische Strahlung auf der Nordhalbkugel haben“, sagt Charlie Jui (ausgesprochen Ray), ein Physikprofessor an der University of Utah.
Sokolsky sagt, dass das neue Observatorium im späten Frühjahr 2007 mit Testläufen beginnen, im Spätsommer 2007 den vollen Betrieb aufnehmen und dann bis zu 10 Jahre lang Forschung betreiben soll.
Bisher wurde das Telescope Array mit 14,4 Millionen US-Dollar von der japanischen Regierung finanziert. Der dreijährige Zuschuss in Höhe von 2,4 Mio.
Bauwerke und Straßen werden nur 50 Morgen des 400 Quadratmeilen großen Experimentiergeländes einnehmen.
An drei Standorten auf dem Schulgelände in Utah werden Gebäude „Fluoreszenzdetektoren“ beherbergen, bei denen es sich um Sätze von Spiegeln und Aufzeichnungsinstrumenten handelt, die in den Nachthimmel blicken, um schwache ultraviolette Blitze zu erkennen, die auftreten, wenn einfallende kosmische Strahlung auf Stickstoffatome, das am häufigsten vorkommende Gas, trifft in der Erdatmosphäre. Jeder der drei Standorte wird etwa 25 Meilen von den anderen entfernt sein. Ein Gebäude der „zentralen Lasereinrichtung“ zwischen den drei Fluoreszenzdetektoren schickt Laserstrahlen in den Himmel, wenn die Spiegel und Rekorder kalibriert werden müssen.
Die andere Hauptkomponente des Observatoriums ist ein „Bodenarray“ von 564 tischförmigen Szintillationsdetektoren, von denen jeder etwa 3 Fuß hoch und 6 x 10 Fuß breit ist. Die Geräte werden „Luftschauer“ messen, bei denen es sich um Kaskaden von subatomaren Partikeln handelt, die auf die Erde fallen, wenn kosmische Strahlung auf Stickstoff in der Atmosphäre trifft.
Die Szintillationsdetektoren werden in einem Raster über ein 28 mal 22 Meilen großes Gebiet westlich von Delta verteilt. Das Bureau of Land Management „Wegerecht/vorübergehende Nutzungsgenehmigung“ wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die zentrale Laseranlage zu bauen und 460 der Szintillationsdetektoren auf dem BLM-Land zu installieren, das 80 Prozent des Observatoriumsgeländes bedeckt. Die Genehmigung zur Installation der anderen 104 Szintillationsdetektoren wurde bereits vom Staat Utah und privaten Landbesitzern eingeholt. Sie besitzen die restlichen 20 Prozent des weitläufigen Geländes.
Wissenschaftler kooperieren, anstatt es zu „duking it out“
Das neue Observatorium für kosmische Strahlung wird versuchen, eines der verwirrendsten Rätsel der Physik zu lösen: Was ist die Quelle der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung, bei der es sich um subatomare Teilchen handelt, die mit unglaublicher Energie kreischend in die Erdatmosphäre einströmen?
Kosmische Strahlung sind Atomkerne – ihrer Elektronen beraubte Atome – aus chemischen Elementen, hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Die Atmosphäre hindert sie daran, die Erde zu treffen, und selbst wenn sie könnten, würden sie unbemerkt durch eine Person ziehen. Aber wenn ein einzelner ultrahochenergetischer kosmischer Strahl Ihren Kopf treffen könnte, würde er sich wie ein schneller Baseball anfühlen.
Einige kosmische Strahlen stammen von Sternen, die als Supernovae explodieren. Aber ultrahochenergetische kosmische Strahlung ist stärker und kommt anscheinend aus weit entfernten Teilen des Universums. Sokolsky vermutet, dass sie von „aktiven galaktischen Kernen“ stammen, bei denen es sich um supermassereiche Schwarze Löcher handelt, die gebildet werden, wenn sich etwa 1 Milliarde kollabierte Sterne in den Zentren von Galaxien ansammeln. Andere mögliche Quellen sind Stoßwellen von kollidierenden Galaxien, verrauschte Radiowellen aussendende Galaxien, exotische Quellen wie theoretisierte kosmische Strings und der Zerfall massiver Teilchen, die vom „Urknall“ übrig geblieben sind, sagen Wissenschaftler, dass er das Universum vor etwa 13 Milliarden Jahren geschaffen hat.
Das Telescope Array wird zwei Technologien zusammenführen, die eine auffallend unterschiedliche Anzahl von ultrahochenergetischen kosmischen Strahlen gezählt haben, die die Erde erreichen. Das japanische AGASA-Observatorium für kosmische Strahlung hat zehnmal mehr von ihnen entdeckt als das hochauflösende Fliegenauge. Sokolsky sagt, dass die große von AGASA gemessene Zahl impliziert, dass sich die Quelle relativ nahe im Universum befindet, aber es gibt keine bekannten astronomischen Objekte, die die Quelle sein könnten.
Das Teleskop-Array wird also Fluoreszenzdetektoren enthalten, wie sie im High-Resolution Fly's Eye verwendet werden, und Szintillationsdetektoren, wie sie bei AGASA verwendet werden.
„Dieses Experiment ist insofern einzigartig, als es die Vereinigung zweier ursprünglich konkurrierender Wissenschaftsgruppen ist: einer japanischen und einer amerikanischen Gruppe, die ein Jahrzehnt lang zwei separate Experimente durchführten und zu gegenseitig unvereinbaren Ergebnissen kamen“, sagt Sokolsky. „Es ist sicherlich ungewöhnlich in der Geschichte solcher wissenschaftlicher Bemühungen, dass sie sich, anstatt sie für immer zu bekämpfen, entschieden haben, ihre Kräfte zu bündeln und gemeinsam ein Experiment aufzubauen, um die Unterschiede zu lösen.“
Das High-Resolution Fly's Eye und AGASA haben das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht – leistungsfähigere Instrumente werden benötigt – und der Betrieb des High-Resolution Fly's Eye wurde nach den Terroranschlägen auf New York vom 11. September 2001 schwierig und Washington. Dugway forscht zur Abwehr chemischer und biologischer Waffen, und strengere Beschränkungen hielten ausländische Doktoranden der Universität davon ab, den Standort zu besuchen.
BLM: Wildtiere untersuchen, Copter verwenden, um einige Geräte zu installieren
Bei der Ausstellung der Genehmigung verlangte die BLM von der University of Utah, Erhebungen für kulturelle Ressourcen, gefährdete und bedrohte Pflanzen und Wildtiere wie Kitfüchse, Kanincheneulen und Greifvögel durchzuführen und diese zu schützen, sagt Sokolsky.
Für die Installation der Szintillationsdetektoren werden die Erbauer des Observatoriums Helikopter – keine Geländewagen – einsetzen, und „wir haben vereinbart, sie entweder zu Fuß oder zu Pferd zu warten“ an Orten ohne Straßenzugang, sagt Sokolsky. Hubschrauber werden eingesetzt, wenn ein größeres Problem mit einem Detektor auftritt, dies jedoch voraussichtlich ungewöhnlich ist. Wissenschaftler müssen auch digitale Fotos machen, wenn sie einen Detektorstandort besuchen, und alle Veränderungen im Laufe der Zeit überwachen.
Hier ist der Status verschiedener Komponenten des Teleskop-Arrays:
* Der Bau des Observatoriums begann im August 2004 am ersten von drei Fluoreszenzdetektor-Standorten, die sich auf der Spitze von Black Rock Mesa etwa 21 km südsüdwestlich von Delta befinden. Das Gebäude ist fertig und viele der Spiegel sind installiert. Der Fluoreszenzdetektor Black Rock wird Ende dieses Sommers fertiggestellt.
* Der Bau des zweiten Fluoreszenzdetektors begann im Dezember 2005 in Long Ridge, 30 Meilen südwestlich von Delta. Bis zum Ende des Sommers wird das Gebäude fertig sein, die Spiegel werden noch vor dem Winter montiert.
* Im Gegensatz zu den Detektoren Black Rock Mesa und Long Ridge, die mit japanischen Mitteln gebaut werden, wird der dritte Fluoreszenzdetektor von der University of Utah mit Mitteln der National Science Foundation gebaut. Es heißt Middle Drum und liegt 40 km nordwestlich von Delta. Die Vorbereitung des Standorts sollte im August beginnen, wobei ein oder mehrere Gebäude für die Spiegel bis Dezember fertig sind, sagt Sokolsky. Spiegel und andere Geräte müssen aus dem High-Resolution Fly's Eye in Dugway entfernt, in einem Lagerhaus in Salt Lake City gereinigt und modifiziert und dann bis zum nächsten Sommer per LKW zum Standort Middle Drum transportiert werden.
* Die zentrale Laseranlage – gleich weit von den drei Fluoreszenzdetektoren entfernt – wird ab August gebaut und soll in etwa einem Monat fertig sein.
* Die Installation der Szintillationsdetektoren auf BLM-Land wird voraussichtlich Ende Juli oder Anfang August beginnen, sobald die Behörde die Ergebnisse der erforderlichen Wildtieruntersuchungen erhalten hat, sagt Sokolsky. Die ersten 200 Szintillationsdetektoren wurden bereits gebaut und lagern auf einem Feld in Delta, das „wie ein riesiges Feld voller Krankenhausbetten“ aussieht, fügt er hinzu. Sie werden per Lastwagen zu den Bereitstellungsbereichen transportiert und dann von einem Hubschrauber in Position gebracht. Sokolsky sagt, dass die restlichen 364 Szintillationsdetektoren bis Dezember installiert werden.
* Die Universität hat das Millard County Cosmic Ray Center in Delta eröffnet und verwendet 150.000 US-Dollar an staatlichen und privaten Mitteln, um ein Gebäude zu kaufen und auszustatten. Die Szintillationszähler werden dort zusammengebaut und auf einem angrenzenden, gemieteten Feld gelagert, aber das Zentrum wird hauptsächlich Exponate beherbergen, um die Öffentlichkeit über die Erforschung der kosmischen Strahlung aufzuklären.
