Im Rahmen ihres Programms „Structure and Evolution of the Universe“ hat die NASA im Juni 2008 ihren nächsten Satelliten zur Gammastrahlen-Astronomie ins All gestartet. Der zunächst als „GLAST“ (Gamma-ray Large Area Space Telescope) bezeichnete Satellit wurde nach erfolgreicher Inbetriebnahme in „Fermi Gamma-ray Space Telescope“ umbenannt. Mit dieser Umbenennung würdigt die NASA die Bedeutung von Enrico Fermi (1901-1954), einem der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts und Pionier der Hochernergiephysik. Dieser schlug als erster einen brauchbaren Mechanismus zur Beschleunigung kosmischer Teilchen vor. Seine Arbeiten bilden somit die Grundlage zum Verständnis vieler Gammastrahlungsquellen, die mit dem Gamma-ray Space Telescope gemessen werden.
Mit dem Fermi Gamma-ray Space Telescope können die energiereichsten Phänomene im Weltall beobachtet werden, die zum großen Teil in anderen Wellenlängenbereichen nicht beobachtbar sind. Durch die Untersuchung solcher hochenergetischer Objekte und Ereignisse mit der fortschrittlichen Technologie von Fermi und seinen Experimenten erhofft man sich wesentliche Beiträge zum Verständnis unseres Universums und die Entdeckung noch unbekannter Phänomene mit Auswirkungen auf die fundamentalen Grundlagen der Physik. Insbesondere erwartet man von den Messungen Fortschritte auf den folgenden Gebieten:
Kosmische Teilchenstrahlung und interstellare Emission
Solare Flares
Missionsverlauf
Nach erfolgreich abgeschlossener Inbetriebnahme wurde in einer einjährige Phase der ganze Himmel nach Gamma-Strahlungsquellen durchsucht. Seit dem Abschluss dieser Durchmusterung wird Fermi als Observatorium weiter betrieben, mit dem ausgewählte Quellen nach einem festgelegten Beobachtungsplan gemessen werden. Es steht auf genehmigten Antrag hin auch Gastbeobachtern zur Verfügung.
Der Satellit vor dem Schließen der Fairing
Der Satellit auf der Delta-Rakete vor dem Schließen der Fairing. Das Large Area Telescope sitzt oben auf dem Satelliten. Darunter erkennt man rechts und links je drei Natriumiodid-Detektoren des Burst Monitor. Etwas unterhalb in der Mitte des Satelliten ist einer der Wolframgermanat-Detektoren des GBM zu sehen.
Die Instrumentierung des Fermi Gamma-ray Space Telescope
Fermi trägt als Hauptinstrument ein abbildendes Gammastrahlen-Teleskop, das „Large Area Telescope“ (LAT), das kosmische Gammastrahlung im Energiebereich zwischen 20 Megaelektronenvolt 300 Gigaelektronenvolt messen soll.
Seine Leistung geht weit über das hinaus, was ähnliche Instrumente bei früheren Raumflugmissionen leisten konnten: Mit erhöhter Sammelfläche der Detektoren, gesteigerter Winkelauflösung, größerem Blickfeld und verbesserter zeitlicher Auflösung erwartet man zum Beispiel gegenüber Instrumenten auf dem Compton Gamma-Ray Observatory eine Steigerung der Empfindlichkeit um mehr als einen Faktor 30 und die Fähigkeit zur Beobachtung kurzlebiger/vorübergehender kosmischer Phänomeme. So genügten während der Phase der Inbetriebnahme nur 95 Stunden Messzeit, eine Karte des gesamten Gammastrahlungshimmels zu erstellen, die qualitativ vergleichbar ist mit Daten, für die das Compton Gamma-ray Telescope eine Messzeit von mehreren Jahren benötigte. Am LAT-Experiment sind neben amerikanischen Wissenschaftlern auch Gruppen aus Frankreich, Italien, Schweden und Japan beteiligt.
Der in deutsch-amerikanischer Kooperation gebaute „Gamma-ray Burst Monitor“ (GBM) hat im Vergleich zum LAT ein mehrfach größeres Sichtfeld und bietet eine spektrale Abdeckung, die sich von der unteren Grenze des LAT hinunter bis zu etwa zehn Kiloelektronenvolt erstreckt. Beide Fermi-Instrumente zusammengenommen überdecken damit einen Energiebereich, wie er bislang bei keiner Raumflugmission erreicht wurde.
Die Aufgabe des Gamma-ray Burst Monitor ist es, während der gesamten Mission den Himmel nach den noch weitgehend unverstandenen Gammastrahlen-Ausbrüchen, den energiereichsten Ereignissen im Kosmos, abzusuchen. Dazu wird er ständig parallel zum Hauptinstrument LAT betrieben. Wird ein Gammablitz entdeckt, können die ablaufenden Beobachtungen unterbrochen werden. Der Satellit wird dann neu auf die Position des Ausbruchs am Himmel ausgerichtet und beginnt eine eingehende Untersuchung der Strahlenquelle.
Zusätzlich werden das kosmische Ereignis und sein ungefährer Ort an der Himmelssphäre ohne Verzug an bodengebundene Observatorien und Kontrollzentren von anderen Satelliten weitergegeben, sodass der Ausbruch bzw. sein „Nachglühen“ gleichzeitig in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums beobachtet werden kann. Über diese Trigger-Funktion hinaus soll der GBM zeitaufgelöste Energiespektren und energieaufgelöste Lichtkurven erbringen, was allgemein zum physikalischen Verständnis der Ausbrüche beitragen wird.
Detektoren mit Photomultipliern
Darstellung der Detektoren mit Photomultipliern und Halterungen, mit denen sie am Satelliten befestigt sind. Die NaI-Detektorkristalle haben einen Durchmesser von jeweils 12,7 Zentimetern und sind 1,27 Zentimeter dick. Die zylindrischen BGO-Kristalle haben denselben Durchmesser und sind 12,7 Zentimeter lang.
Um ein möglichst großes Blickfeld zu erhalten, besteht der Gamma-ray Burst Monitor aus vier mal drei Natriumiodid (NaI)-Detektoren (Energiebereich: zehn Kiloelektronenvolt - ein Megaelektronenvolt) und zwei Wismutgermanat (BGO)-Detektoren (Energiebereich: 150 Kiloelektronenvolt - 30 Megaelektronenvolt), die gleichmäßig um die Peripherie des Satelliten angeordnet sind. Bursts werden durch Zählratenvergleich zwischen den einzelnen NaI-Detektoren grob lokalisiert.
Bis Mitte 2018, also innerhalb der ersten zehn Betriebsjahre, konnte GBM schon mehr als kosmische 2.300 Gammablitze nachweisen, darunter am 17. August 2017 einen, der mit einem Gravitationswellen-Ereignis in Verbindung gebracht wird. GBM wies außerdem mehr als 5.000 terrestrische Gammastrahlenblitze in der Erdatmosphäre nach, die auf Gewitter zurückzuführen sind, und lieferte Hinweise darauf, dass diese Blitze Antimaterie erzeugen können.
Wichtige Parameter des GBM-Experiments
Effektives Gesichtsfeld:
8.6 Steradian (LAT: 2 bis 3 Steradian)
Winkelauflösung:
ca. 15° (Echtzeit), nach Auswertung am Boden ca. 1,5°
Zeitauflösung:
normal: 0,256 Sekunden während Bursts: 0,064 Sekunden
Erwartete Burst-Rate:
150 bis 200 Bursts pro Jahr
Wissenschaftliche Kooperation
Die Entwicklung des GBM und die spätere Auswertung der Beobachtungsdaten ist eine Gemeinschaftsaufgabe des „National Space Science and Technology Center“ in den USA mit der Gamma-Gruppe des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching bei München. Die deutschen Aktivitäten wurden von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Auf deutscher Seite wurden die 14 Detektoreinheiten einschließlich der Detektorelektronik und Spannungsversorgung gefertigt, getestet und geeicht (MPE mit Jena-Optronik GmbH und EADS Astrium (heute: Airbus Defence and Space)). Bei den amerikanischen Partnerinstitutionen NASA-MSFC und University of Alabama in Huntsville lag die Verantwortung für „Data Processing Unit“ (DPU), Steuerelektronik, Systemintegration und -test, sowie für das Interface mit dem Satelliten.
Allgemeine Parameter der Fermi Gamma-ray Space Telescope-Mission
Startzeit:
11. Juni 2008, 12:05 p.m. EDT (entsprechend 18:05 Uhr MESZ)
Startort:
Launch Complex 17-B auf der Cape Canaveral Air Force Station, Florida, USA
Trägerrakete:
Delta II 7920-H (9 Feststoff-Booster)
Orbit:
Kreisförmig in 565 km Höhe bei einer Neigung von 28,5° gegen den Äquator
Lebensdauer:
5 Jahre (Ziel: 10 Jahre)
Äußere Abmessungen des Satelliten:
Höhe: 2,8 Meter Breite und Tiefe: 1,8 Meter (LAT) Spannweite des Solargenerators: 15 Meter
Gesamtmasse des Satelliten beim Start:
4.303 Kilogramm, davon Satelllitenbus: 1.050 kg, das Large Area Telescope: 2.789 kg, der Burst Monitor: 99,2 kg und Treibstoff: 358 kg
Datenübertragungsrate:
40 Megabits/Sekunde (Downlink)
Energieversorgung:
Solargeneratoren mit durchschnittlich 1.500 Watt Leistung (Maximum: 3.122 Watt)
