MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003

3.    Experimentelle Entwicklung und Projekte /
   Experimental Development and Projects

3.4.   Gamma-Astronomie / Gamma-ray Astronomy

In Anbetracht der gegenwärtig allgemein angespannten finanziellen Situation wurde vom Direktorium des Instituts im Oktober des Berichtjahres beschlossen, die Hardware-Aktivitäten für noch nicht genehmigte, mögliche Zukunftsprojekte der Gamma-Astronomie (wie z.B. MEGA) zu beenden. Alle derzeit laufenden bzw. genehmigten Projekte werden jedoch weitergeführt.

In view of the present generally critical financial situation, it was decided by the institute's directorate, in October of this report year, to end the hardware activity for those future projects in gamma-ray astronomy, such as MEGA, which are not yet approved. All currently running and approved projects will however be continued.

Der Hauptdatenlieferant für die Gamma-Gruppe ist derzeit INTEGRAL. Die Instrumente an Bord von INTEGRAL, insbesondere das unter Beteiligung unseres Instituts gebaute Spektrometer SPI, funktionieren nach über einem Jahr Missionsbetrieb zu unser aller Zufriedenheit. Die Germanium Kamera von SPI wurde im Berichtsjahr dreimal erfolgreich getempert, um die durch Strahlenbelastung verursachte Degradation der Energieauflösung wieder auf die Ausgangswerte zurückzubringen. Von den insgesamt 91 Front-End-Elektroniken der Antikoinzidenz ist eine Einheit im Sommer 2003 ausgefallen. Wegen der eingebauten Redundanz entstanden dadurch jedoch keine negativen Auswirkungen auf die Funktionsweise der Antikoinzidenz. ESA hat im November 2003 beschlossen, die so erfolgreiche Mission nach Ende der nominellen Missionsdauer (Dezember 2004) um vier weitere Jahre zu verlängern.

The main source of data for the gamma-ray group is at present INTEGRAL. The instruments on board INTEGRAL, in particular the spectrometer SPI, built with the involvement of our institute, are all functioning to our full satisfaction. The Germanium Camera of SPI was successfully annealed three times this year, in order to recover the energy resolution which is degraded by radiation damage. Of the 91 anticoincidence front-end electronics, one unit failed in Summer 2003. On account of the built-in redundancy, this has no influence on the functionality of the anticoincidence. In November 2003, ESA decided to extend this successful mission by four years beyond the nominal mission duration (Dec. 2004).

Ebenfalls im November des Berichtsjahres erschien eine Spezialausgabe von "Astronomy and Astrophysics" mit insgesamt 75 INTEGRAL-Publikationen, in denen es um eine Beschreibung der Mission im Allgemeinen, der vier Instrumente sowie erster gamma-astronomischer Ergebnisse geht. An 32 der Publikationen ist unser Institut durch Co-Autorenschaft beteiligt. Bei 8 Publikationen stammt der Erst-Autor aus unserem Institut. Themen, mit denen sich Wissenschaftler unseres Instituts hauptsächlich beschäftigt haben, sind Morphologie und Linienprofile der 511 keV Annihilationslinie und der 1.809 MeV Linie von radioaktiven 26Al, der Ursprung der Röntgen- und Gamma-Emission aus der Scheibe der Milchstraße, sowie die Eigenschaften von Gamma-Bursts, die sich entweder im Gesichtsfeld der INTEGRAL-Teleskope ereigneten oder die vom SPI-Antikoinzidenz-Subsystem registriert wurden.

Also in November of this report year, a special edition of Astronomy and Astrophysics appeared with a total of 75 INTEGRAL publications, covering a description of the mission in general, the four instruments, and first gamma-ray astronomy results. Our institute is represented through co-authorship in 32 of these papers. 8 papers have a first author from our institute. Topics which have principally occupied scientists from our group are the morphology and line profile of the 511 keV annihilation line and the 1.809 MeV line of radioactive 26Al, the origin of the X-ray and gamma-ray emission from the ridge of the Galaxy, as well as the properties of the gamma-ray bursts which occurred either in the field of view of the INTEGRAL telescopes, or which were detected by the SPI Anticoincidence Subsystem.

Die übrigen Aktivitäten in der Gamma-Gruppe galten im Berichtsjahr hauptsächlich der Vorbereitung zukünftiger Missionen. Eine der Missionen ist GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope). Es soll die erfolgreichen Messungen der CGRO-Experimente EGRET und BATSE fortführen. GLAST besteht aus zwei Instrumenten, dem Large-Area Telescope (LAT) und dem GLAST-Burstmonitor (GBM). Das LAT soll unter anderem die Spektren von Gammastrahlenbursts bei hohen Energien messen. Damit soll vor allem das hochenergetische Nachleuchten untersucht werden, das von EGRET bei einigen Gammastrahlenbursts beobachtet wurde. Die Aufgabe des GBM wird es sein, diese Messungen zu niedrigen Energien hin zu erweitern. Während drei Wissenschaftler des Instituts als "Associate Investigators" am LAT beteiligt sind und Software für die Kalibrierung und die Auswertung der Daten entwickeln sowie Simulationen über den diffusen galaktischen Hintergrund durchführen werden, besteht beim GBM eine direkte Hardware-Beteiligung. So wird das MPE die Detektoren sowie die Nieder- und Hochspannungsversorgung des GBM bauen und liefern. Für GBM konnte im Frühjahr 2003 Phase B erfolgreich abgeschlossen werden. Wegen administrativer und finanzieller Probleme konnte aber mit der Phase C nicht unmittelbar nach Ende der Phase B begonnen werden, was zu einem Zeitverzug von einem viertel Jahr führte. Seit Juli 2003 arbeitet die Firma Jena-Optronik daran, die Qualifikationsmodelle für die beiden Detektortypen zu bauen und zu testen. Erste Ergebnisse dieser Arbeit wurden der NASA im Dezember bei einem Critical Design Review vorgestellt. Mit den zwei GLAST-Instrumenten werden Energiespektren von Gammastrahlenbursts über ~6 Energiedekaden (von ~10 keV bis ~500 GeV) gemessen. Es wird somit zum ersten Mal möglich sein, die hochenergetische Emission in Bezug zur niederenergetischen zu setzen, was eine genauere Bestimmung der Energie Ep, bei der die maximale Emission eines Bursts stattfindet, zulassen wird. Da Ep im Standard-Feuerballmodell stark von der Expansionsgeschwindigkeit der explodierenden Sternmaterie abhängt, wird es möglich sein, dieses Modell zu testen.

The other activities of the gamma-ray group this year were mainly dedicated to preparation for future missions. One of these missions is GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), which will follow up the successful measurements of the CGRO experiments EGRET and BATSE. GLAST consists of two instruments, the large-area telescope LAT and the GLAST Burst Monitor (GBM). The LAT will measure the spectra of gamma-ray bursts at high energies. Thus the high-energy afterglows will be studied, following their detection in a few bursts by EGRET. The goal of GBM will be to extend these measurements to lower energies. Three institute scientists are involved in the LAT as Associate Investigators, who will develop software for the calibration and data analysis and construct models of the diffuse Galactic emission; the GBM on the other hand is a direct hardware involvement. Thus MPE will build and deliver the detectors and the low and high-voltage supplies. The GBM Phase B was successfully completed in spring 2003. On account of administrative and financial problems however, it was not possible to begin Phase C directly after the end of Phase B, which led to a three month delay. The firm Jena-Optronik has been working since July 2003 on building and testing the qualification model for both detectors types. First results of this work were presented to NASA at a Critical Design Review in December. The two GLAST instruments will measure energy spectra of gamma-ray bursts over 6 decades of energy (from ~ 10 keV to ~ 500 GeV). It will thus be possible for the first time to relate the high- to the low-energy emission, allowing an exact determination of the energy Ep at which the maximum emission of bursts occurs. Since in the standard fireball model Ep depends strongly on the expansion velocity of the exploding stellar material, it will be possible to test this model.

Ein weiteres amerikanisches Gamma-Burst Experiment mit deutscher Beteiligung ist SWIFT. Es enthält 3 Instrumente: einen GRB-Detektor (BAT: 10-150 keV), ein Röntgenteleskop (0.5-10 keV) und ein UV/optisches Teleskop (170-650 nm). Nach der erfolgreichen Kalibration des Röntgenteleskops im Herbst 2002 an der PANTER-Anlage (siehe Jahresbericht 2002) erfolgte mittlerweile die Integration des Röntgenteleskops auf dem Satellitenbus. Zusammen mit dem optischen/UV Teleskop wurden 2003 umfangreiche Tests durchgeführt, die alle erfolgreich bestanden wurden. Wegen Verzögerungen beim Bau des Burst-Detektors BAT wurde der Starttermin von SWIFT auf Mitte 2004 verschoben.

Another American gamma-ray burst experiment with German involvement is SWIFT. It has 3 instruments: a GRB detector (BAT: 10-150 keV), an X-ray telescope (0.15-10 keV) and a UV/optical telescope (170-650 nm). Following the successful calibration of the X-ray telescope in autumn 2003 in the PANTER facility (see Annual report 2002), the integration of the Satellite bus took place. In 2003 extensive tests were carried out including the optical/UV telescope, and these were all successfully completed. Because of delays in the construction of the burst detector BAT, the launch of SWIFT has been postponed to mid-2004.

Die Entwicklung von GROND (Gamma-ray Burst Optical and Near-infrared Detector; siehe Jahresbericht 2002) hat in 2003 deutliche Fortschritte gemacht. Es wurde ein Grossteil der Konstruktion der Kamera abgeschlossen und der Bau der ersten Teile sowie die Entwicklung der Elektronik begonnen. Im Oktober wurde unter Beteiligung der ESO ein Critical Design Review abgehalten. Über die Randbedingungen des Beobachtungsbetriebes am 2.2 m Teleskop in Chile ab voraussichtlich 2005 wurde mit der ESO ein Vertrag abgeschlossen, der sofortige Beobachtungen innerhalb von 10-20 Minuten nach einem Gamma-ray Burst erlaubt. GROND wird in enger Zusammenarbeit mit der Thüringer Landessternwarte Tautenburg entwickelt und gebaut.

The development of GROND (Gamma-ray Burst Optical and Near-infrared Detector; see Annual Report 2002) made clear advances in 2003. The main part of the construction of the camera was completed and the building of the first mechanical parts and development of the electronics was started. A Critical Design Review was held in October with ESA involvement. A contract on the conditions for the observational operations at the 2.2 m telescope in Chile was signed with ESO, allowing immediate observation 10-20 minutes after a gamma-ray burst. GROND is being developed and built in close cooperation with the Thüringer Landessternwarte Tautenburg.

Unter der Bezeichnung MEGA (Mittel Energie Gammastrahlen Astronomie) haben wir in den letzten 10 Jahren ein Teleskop für den Gammaenergiebereich 0.4–50 MeV bis zu einem voll funktionsfähigen Prototypen entwickelt. Ein Satellitenteleskop auf der Basis der MEGA Technologie könnte den nächsten Schritt in der Gammastrahlenastronomie in diesem bisher wenig erforschten Spektralbereich realisieren. Der MEGA Prototyp besteht aus zwei Detektoreinheiten: einem bildgebenden Si Streifenzähler und einem Kalorimeter aus CsI Szintillatoren mit PIN Dioden. Insgesamt werden ca. 12000 Messkanäle aus diesen Teilchendetektoren elektronisch erfasst. Eine spezielle programmierbare Koinzidenzelektronik bewertet die Daten nach den Kriterien für gute Compton- oder Paarerzeugungsereignissen und startet im Erfolgsfall die Datenaufzeichnung. Zur Auswertung der Daten wurde eine bildgebende Software entwickelt, die sowohl Compton- als auch Paarereignisse analysiert und für die Rekonstruktion der Verteilung der Gammaquellen nutzt. Der MEGA Prototyp ist gegenwärtig das weltweit am weitesten fortgeschrittene Messgerät zur Abbildung von Gammastrahlung in dem oben genannten Energiebereich.

Under the name MEGA (Medium Energy Gamma-ray Astronomy) we have, over the last 10 years, developed a fully functional telescope for the energy range 0.4-50 MeV. A satellite-borne telescope on the basis of MEGA technology could realise the next step in this little-studied spectral range of gamma-ray astronomy. The MEGA-prototype consists of two detector units: an imaging Silicon strip detector and a calorimeter of CsI scintillators with PIN diodes. A total of 12000 channels are electronically read out of these particle detectors. A special programmable coincidence electronics checks the data according to the criteria for good Compton or pair-creation events, and if met the data transfer is started. For the data analysis, imaging software has been developed which analyses both Compton and pair events and uses these for the reconstruction of the sources. The MEGA prototype is at present the most advanced detector worldwide for the imaging of gamma radiation in the above-mentioned energy range.

Zur Verifikation des Messprinzips wurden zuerst Eichmessungen mit radioaktiven Quellen im Labor durchgeführt. Ein illustratives Beispiel für die Fähigkeit auch ausgedehnte Gammaquellen mit MEGA abzubilden ist in Abb. 3-13 dargestellt. In dieser Messung wurde eine Quelle (88Y, 898 und 1836 keV) kreisförmig im Gesichtfeld bewegt. Der Ring in der rekonstruierten Abbildung entspricht einer Winkelausdehnung von ca. 30°.

For the verification of the measurement principle, calibration measurements were first made in the laboratory with radioactive sources. An illustrative example for the potential to image extended sources also with MEGA is shown in Fig. 3-13. In this measurement a source (88Y, 898 and 1836 keV) was moved on a circle in the field-of-view. The ring in the reconstructed image corresponds to an angular extent of about 30°.

Abb. 3-13: Abbildung einer kreisförmig bewegten radioaktiven Quelle (88Y) bei einer Photonenenergie von 1.8 MeV. Dieses Ergebnis demonstriert, dass die MEGA Kamera auch ausgedehnte Strahlungsquellen erfolgreich abbilden kann.

Fig. 3-13: Image of a radioactive source (88Y) at a photon energy of 1.8 MeV, moved on a circle. This result demonstrates that the MEGA camera can also successfully image extended sources.

Abb. 3-14: Modulation der azimuthalen Streuverteilung für Compton-Wechselwirkungen bei 710 keV für einen 100% polarisierten Eichstrahl.

Fig. 3-14: Modulation of the azimuthal scattering distribution for Compton interactions at 710 keV for a 100% polarized calibration beam.

Im April/Mai 2003 wurde MEGA in einer Eichung am Beschleuniger der Duke University, NC, USA mit Gammaphotonen bestrahlt. Die "High Intensity Gamma-ray Source (HigS)" des Free Electron Lasers liefert in der Energie einstellbare monoenergetische Photonen im Bereich 0.7 bis 50 MeV (ΔE/E < 2%) welche 100% polarisiert sind. Während der Eichung wurden ca. 15 Millionen Ereignisse bei unterschiedlichen Energien und Einfallswinkeln aufgezeichnet. Wie erwartet wurde das große Gesichtsfeld (ca. 160° Durchmesser) bestätigt und die Winkelauflösung bei allen Energien vermessen. Besonders im Bereich der Paarerzeugung (>10 MeV) ist MEGA etwa um einen Faktor 2 besser in der Definition von Punktquellen als es das EGRET Teleskop war. Von besonderem astrophysikalischem Interesse ist die Messung der Polarisation. In der Abb. 3-14 ist die Modulation in der azimuthalen Streuverteilung von Compton-Ereignissen bei 710 keV dargestellt. Die Kurve entspricht der Modulation, die man für einen 100% polarisierten Strahl erwartet. Damit sind die polarimetrischen Eigenschaften von MEGA experimentell bestätigt. Ein Ballonflug des Prototypteleskops war für 2004 in Vorbereitung um die Hintergrundsunterdrückung in einer orbit-ähnlichen Strahlungsumgebung zu testen. Diese Planung, zusammen mit eventuellen Weiterentwicklungen des Detektors, wurde im Oktober durch einen Beschluss des Direktoriums beendet. MEGA soll jetzt als "wissenschaftliches Modell" an die University of New Hampshire übergeben werden um die Bewerbung für eine MidEx Mission der NASA im Jahr 2004 unter der Führung der UNH Gruppe zu unterstützen.

In April/May 2003 MEGA was calibrated with a photon beam at the accelerator of Duke University, NC, USA. The "High Intensity Gamma-ray Source (HiγS)"of the free electron laser produces selectable monoenergetic photons in the range 0.7 to 50 MeV (ΔE/E < 2%) which are 100% polarized. During the calibration about 15 million events with different energy and direction were registered. As expected the wide field-of-view (160°) was confirmed and the angular resolution was measured at all energies. Especially in the pair production range (>10 MeV) MEGA is about a factor 2 better than EGRET in the location of point sources. The measurement of polarization is of particular astrophysical interest. Fig. 3-14 shows the modulation in the azimuthal scattering distribution of Compton events at 710 keV. The curve corresponds to the modulation which is expected for a 100% polarized beam. Thus the polarimetric capabilities of MEGA are experimentally confirmed. A balloon-flight of the prototype telescope was in preparation for 2004 to test the background rejection in an orbit-like radiation environment. This plan, as well as possible further development of the detector, was ended by a decision of the directorate in October. MEGA will now be delivered to the University of New Hampshire (UNH) as "Scientific Model", to support the application in 2004 for a NASA MidEx Mission under the leadership of the UNH group.

Das optische Hochgeschwindigkeits-Photometer OPTIMA, das der Beobachtung von Gamma-Quellen im Optischen dient, wurde im Jahr 2003 in drei Messkampagnen eingesetzt. Im Mai wurden am SAAO (South African Astronomical Observatory) Binärsysteme mit schwarzen Löchern (Cir X-1, XTE J1746-32) gleichzeitig im optischen und Röntgenbereich (RXTE) beobachtet. Die Quelle Cyg X-1 wurde ebenfalls zusammen mit RXTE im September vom Skinakas Observatorium aus gemessen. Bei dieser Kampagne wurde auch eine gemeinsame Messung der Crab Lichtkurve im optischen und weichen Röntgenbereich (Chandra, XMM) realisiert. Ende November nahm OPTIMA, konfiguriert als Polarimeter, an einer Multifrequenzkampagne (Radio-optisch-TeV) zur Beobachtung von sog. "Giant Radio Pulses" des Crab Pulsars teil. Diese Messung wurde am 2.5m Teleskop des NOT (Nordic Optical Telescope) auf La Palma durchgeführt. Für 2004 bereiten wir einen Umbau von OPTIMA vor, um am Skinakas Observatorium zeitlich hochaufgelöste Beobachtungen von SWIFT-getriggerten Gammabursts zu ermöglichen.

The optical high-speed photometer OPTIMA, which serves to observe gamma-ray sources in the optical, was deployed in three observing campaigns in 2003. In May, at SAAO (South African Astronomical Observatory), binary systems with black holes (Cir X-1, XTE JI746-32) were simultaneously observed in optical and X-rays (RXTE). The source Cyg X-1 was also observed simultaneously with RXTE in September from the Skinakas Observatory. In this campaign a combined observation of the Crab light curve in optical and soft X-rays (Chandra. XMM) was also made. At the end of November, OPTIMA, configured as a polarimeter, took part in a multifrequency campaign (radio-optical-TeV) to measure the so-called "Giant Radio Pulses" from the Crab pulsar. This measurement was made from the 2.5 m telescope of NOT (Nordic Optical Telescope) on La Palma. For 2004 we will prepare a modification of OPTIMA to allow high time-resolved measurements of SWIFT-triggered gamma-ray bursts from the Skinakas Observatory.

Im Rahmen des OPTICON Konsortiums wurde bei der EU ein Antrag auf die Entwicklung von sehr schnellen pn-CCDs gestellt und genehmigt. Dieses Projekt soll vom MPE/HLL zusammen mit der Firma PN-Sensors durchgeführt werden.

In the context of the OPTICON consortium, an application for the development of very fast pn-CCDs was made to the EU and accepted. This project will be carried out by MPE/HLL together with the firm PN-Sensors.

INTEGRAL wird von der DLR unter 50.OG.9503.0, und der GLAST-Burst-Monitor unter 50.QV.0003 gefördert.

INTEGRAL is supported by DLR under 50.OG.9503.0 and the GLAST Burst Monitor under 50.QV.0003.

MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003


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