VERITAS

VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System ) ist ein bedeutendes bodengebundenes Gammastrahlenobservatorium mit vier 12-Meter-Reflektoren für die Gammastrahlenastronomie im GeV- bis TeV- Photonenenergiebereich . VERITAS nutzt die ICT-Technik (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope) , um Gammastrahlen zu beobachten, die in der Erdatmosphäre Teilchenschauer verursachen – sogenannte ausgedehnte Luftschauer . Das VERITAS-Array befindet sich am Fred Lawrence Whipple Observatory im Süden Arizonas , USA . Die Reflektoren von VERITAS ähneln in ihrer Konstruktion dem früheren 10-Meter-Gammastrahlenteleskop des Whipple-Observatoriums am selben Standort, sind jedoch größer und haben eine längere Brennweite, um optische Aberrationen besser zu korrigieren. VERITAS besteht aus einer Reihe von abbildenden Teleskopen, die zur Beobachtung atmosphärischer Tscherenkow-Strahlungsschauer von verschiedenen Standorten aus eingesetzt werden, um höchste Empfindlichkeit im Energiebereich von 100 GeV bis 10 TeV (mit einer Empfindlichkeit von 50 GeV bis zu 50 TeV) zu erreichen. Dieses 2007 fertiggestellte Hochenergie-Observatorium ergänzt das Large Area Telescope (LAT) des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops durch seine größere Sammelfläche und die Abdeckung eines höheren Energiebereichs.

VERITAS besteht aus vier abbildenden atmosphärischen Tscherenkow-Teleskopen mit jeweils 12 m Durchmesser und einem Abstand von etwa 100 m zwischen benachbarten Teleskopen. ^{[ 1 ]} Jedes Teleskop umfasst einen großen, schwenkbaren optischen Reflektor und eine Hochgeschwindigkeits -Photomultiplier- Kamera. Mehrere Teleskope in einem Array sind für stereoskopische Beobachtungen des in ausgedehnten Luftschauern erzeugten Tscherenkow-Lichts erforderlich. Diese stereoskopischen Beobachtungen ermöglichen die präzise Rekonstruktion der Geometrie des Teilchenschauers und erzielen so eine deutlich verbesserte Winkel- und Energieauflösung im Vergleich zu einem einzelnen Teleskop. Die Winkelrichtung des einfallenden Schauers wird bestimmt, indem die Mittelachse der Schauerausbreitung auf jedem Teleskop ermittelt und diese Achsen bis zu ihrem Schnittpunkt verfolgt werden. Der Schnittpunkt dieser Achsen bestimmt die Einfallsrichtung des primären Teilchens (kosmische Strahlung oder Gammastrahlung), das den Luftschauer in der oberen Atmosphäre ausgelöst hat. Er bestimmt auch die Position des Schauerkerns, d. h. die extrapolierte Position des primären Teilchens auf der Erdoberfläche, falls es nicht mit der Atmosphäre wechselgewirkt hätte. Die Energie des Primärteilchens wird aus der Gesamtmenge des in jedem Teleskop gemessenen Tscherenkow-Lichts sowie aus dem Abstand des jeweiligen Teleskops vom Kern des Schauers bestimmt.

Jedes der einzelnen Teleskope hat eine Apertur von 12 m Durchmesser und ein Sichtfeld von 3,5 Grad. Die Teleskope basieren auf einem Davies-Cotton-Design mit einem sphärischen Reflektor, das sich einfach konstruieren und ausrichten lässt. Dieses Design führt zwar zu einer geringen Zeitverzögerung beim Eintreffen der Tscherenkow-Photonen an der Kamera (ca. 4 Nanosekunden). ^{[ 2 ]} Der Reflektor besteht aus 350 einzelnen, hexagonalen Spiegelflächen, die auf einer starren optischen Trägerstruktur montiert sind. Die Kamera jedes Teleskops verfügt über 499 Pixel (Hochgeschwindigkeits- Photomultiplier mit 26 mm Durchmesser ). VERITAS ist, wie andere IACTs , empfindlich gegenüber Primärteilchen, die ausreichend atmosphärisches Tscherenkow-Licht erzeugen, um am Boden detektiert zu werden. Der Empfindlichkeitsbereich erstreckt sich von 50 GeV bis 50 TeV (die spektrale Rekonstruktion beginnt jedoch erst ab mindestens 100 GeV, abhängig von der Quellstärke). Die Energie- und Winkelauflösung hängen von der Energie der einfallenden Gammastrahlung ab. Bei 1 TeV beträgt die Energieauflösung etwa 17 % und die Winkelauflösung 0,08 Grad (65 % des Erfassungsradius). Das gesamte Array hat oberhalb von 1 TeV eine maximale effektive Fläche von 100.000 Quadratmetern. Eine sehr schwache astrophysikalische Quelle mit einem Gammastrahlenfluss von nur 1 % des Flusses des Krebsnebels kann von VERITAS in weniger als 25 Stunden Beobachtungszeit detektiert werden. Stärkere Quellen lassen sich in deutlich kürzerer Zeit nachweisen.

Um zwischen Hintergrundereignissen (d. h. hadronischen Schauern und Myonen ) bzw. Rauschen (d. h. Sternen- und Mondlicht) und den Zieldaten (d. h. elektromagnetischen Schauern, die durch Gammastrahlen erzeugt werden) zu unterscheiden, verwendet VERITAS ein dreistufiges Triggersystem. Stufe eins entspricht einem Pegeldurchgang an jedem Pixel mithilfe von Diskriminatoren mit konstantem Anteil . Stufe zwei ist ein Musterselektionstrigger, der photonenähnliche Schauer mit kompakten Formen auswählt und den Großteil der Hintergrundschauer eliminiert, die in jeder Kamera eher zufällige Formen erzeugen. Stufe drei ist der Array-Trigger, der nach einer Koinzidenz der Ankunftszeit des Schauers an mehreren Teleskopen sucht. ^{[ 3 ]}

Das von Gammastrahlen in der oberen Atmosphäre erzeugte Tscherenkow-Licht ist sehr schwach, daher erzielt VERITAS die besten Beobachtungsergebnisse bei klarem, dunklem Himmel. Beobachtungen sind bei bewölktem oder regnerischem Himmel oder bei sehr hellem Mond nicht möglich. Allerdings werden regelmäßig Beobachtungen durchgeführt, wenn der Mond schwach oder mäßig hell ist (typischerweise unter 60 % Beleuchtung). Die jährliche Beobachtungszeit beträgt in der Regel etwa 1200 Stunden (davon etwa 200–250 Stunden bei hellem Mondlicht mit einer Beleuchtung zwischen 20 und 60 %). Aufgrund der lokalen Monsunbedingungen sammelt die Sternwarte im Juli und August in der Regel keine Daten.

VERITAS wurde entwickelt, um den Himmel über hochenergetischer Gammastrahlung (VHE) oberhalb von 100 GeV zu erforschen und knüpft damit an den Erfolg des 10-m-Whipple-Gammastrahlen-Teleskops an. Das Whipple-Teleskop leistete Pionierarbeit bei der Verwendung einer abbildenden Tscherenkow-Kamera in Kombination mit einem großen Reflektor von 10 m Durchmesser und ermöglichte so 1989 den ersten eindeutigen Nachweis einer VHE-Gammaquelle, des Krebsnebels . ^{[ 4 ]} Anschließend demonstrierte das HEGRA- Teleskop auf La Palma eine gute Empfindlichkeit oberhalb von 1 TeV mithilfe eines Arrays abbildender atmosphärischer Tscherenkow-Teleskope. VERITAS kombiniert die Vorteile stereoskopischer Beobachtungen in einem Array mit großen Reflektoren für eine niedrige Energieschwelle. Im Vergleich zum Whipple-Teleskop verwendet VERITAS größere Reflektoren mit 12 m Durchmesser, eine verbesserte Optik und Lichtsammelleistung sowie eine Kamera mit höherer Pixelauflösung. Sowohl die Aufzeichnungselektronik (mit speziell angefertigten Flash-ADCs mit 500 MS/s) als auch die Triggerelektronik (mit einem ausgeklügelten Drei-Pegel-System) wurden im Vergleich zu früheren Instrumenten deutlich verbessert. VERITAS wurde in den 1990er-Jahren zusammen mit drei weiteren IACT-Teleskop-Arrays (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope) konzipiert: CANGAROO-III, HESS und MAGIC . VERITAS ist derzeit das einzige IACT-Array, das auf der westlichen Hemisphäre in Betrieb ist.

Der erste Vorschlag für VERITAS (damals VHEGRA genannt) wurde 1995 von Trevor Weekes ( Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO)) bei der Smithsonian Institution eingereicht. Dieser Vorschlag beschrieb ein Array aus neun Tscherenkow-Teleskopen mit je 10 m Durchmesser. 1998 fand das erste Treffen der VERITAS-Kollaboration an der Universität Chicago statt . Im Jahr 2000 wurde das Konzept von VERITAS als Array aus sieben Teleskopen von der „Decadal Survey in Astronomy and Astrophysics 2000“ als Projekt mittlerer Größe empfohlen. ^{[ 5 ]} Verzögerungen traten aufgrund von Schwierigkeiten mit zwei vorgeschlagenen Standorten in Arizona (Montosa Canyon am Fuße des Mount Hopkins und Kitt Peak ) sowie aufgrund reduzierter Fördermittel auf. Der Vorschlag für ein Array aus vier Teleskopen (nun mit Reflektoren von 12 m Durchmesser) wurde 2002 positiv begutachtet, und der Bau von VERITAS begann 2003 am Fred Lawrence Whipple Observatory . Ein erster Prototyp des Teleskops, Teleskop Nr. 1, wurde fertiggestellt und nahm 2004 seinen Betrieb auf. Der Bau von Teleskop Nr. 2 wurde 2005 abgeschlossen, und im selben Jahr begannen die ersten Stereobeobachtungen. Die Teleskope Nr. 3 und 4 wurden Anfang 2007 fertiggestellt, und die Einweihung des gesamten Teleskoparrays fand am 27. und 28. April 2007 statt. ^{[ 6 ]} Der reguläre wissenschaftliche Betrieb von VERITAS begann im September 2007. Der Bau von VERITAS wurde in den USA größtenteils vom Energieministerium , der National Science Foundation und der Smithsonian Institution finanziert . Weitere Mittel kamen von Enterprise Ireland (heute Science Foundation Ireland ) und dem Particle Physics and Astronomy Research Council im Vereinigten Königreich .

Seit 2007 wurden an VERITAS regelmäßig Verbesserungen und Modernisierungen vorgenommen. Teleskop Nr. 1 wurde im Sommer 2009 an einen neuen Standort verlegt, um eine optimierte Array-Geometrie (und damit eine verbesserte Gammastrahlenempfindlichkeit) zu erzielen. ^{[ 1 ]} Zwischen 2009 und 2011 wurde ein Modernisierungsprogramm durchgeführt, das die Ausrichtung der Spiegelfacetten von VERITAS verbesserte und das Triggersystem der Stufe 2 ersetzte. Im Sommer 2012 wurden zudem alle Photomultiplier-Röhren der Kameras durch hocheffiziente Röhren ersetzt, was die Empfindlichkeit, insbesondere im unteren Energiebereich der Gammastrahlung, weiter erhöhte. Im Vergleich zur ursprünglich geplanten Empfindlichkeit ist die tatsächlich erreichte Empfindlichkeit von VERITAS deutlich besser, und die Zeit zum Nachweis schwacher Gammastrahlenquellen konnte um mehr als die Hälfte reduziert werden. ^{[ 6 ]}

Im Juni 2017 fand im Whipple-Observatorium eine Feier zum zehnjährigen Bestehen des VERITAS-Forschungsprojekts statt. ^{[ 7 ]}

VERITAS verfolgt ein breit angelegtes wissenschaftliches Programm, das Schlüsselaspekte der Astronomie – die Erforschung des Universums im neuen Wellenlängenbereich hochenergetischer Gammastrahlen – und der Physik – die Suche nach neuen Teilchen und Phänomenen jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik – vereint. Zu den grundlegenden Fragestellungen gehören: das Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung in unserer Galaxie (mit besonderem Fokus auf den Ursprung der kosmischen Strahlung ) und darüber hinaus, die Untersuchung extremer Umgebungen in der Nähe kompakter Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher , die Natur der Dunklen Materie und des intergalaktischen Magnetfelds sowie die Frage, ob die Lichtgeschwindigkeit bei diesen extremen Gammastrahlenenergien konstant ist. Das Beobachtungsprogramm von VERITAS umfasst galaktische Quellen wie Supernovaüberreste , Pulsare , Pulsarwindnebel , Doppelsternsysteme und die rätselhafte Gammastrahlenquelle im galaktischen Zentrum . Zu den extragalaktischen Quellen zählen aktive Galaxienkerne , Starburst-Galaxien und Gammablitze . Ein wichtiger Bestandteil der VERITAS-Beobachtungen sind die Nachbeobachtungen in mehreren Wellenlängenbereichen und mit verschiedenen Botenstoffen , darunter schnelle Radioblitze (FRBs), hochenergetische Neutrinos und Gravitationswellenereignisse . VERITAS verfügt über ein umfangreiches Programm zur Erforschung Dunkler Materie, in dem indirekt nach hochenergetischen Gammastrahlen gesucht wird, die durch die Annihilation von Dunkle-Materie-Teilchen entstehen. Die meisten dieser Suchen konzentrieren sich auf das galaktische Zentrum und Zwergsphäroidgalaxien . Seit 2017 umfasst das wissenschaftliche Programm von VERITAS auch Beobachtungen im optischen Wellenlängenbereich durch hochauflösende Messungen von Asteroidenbedeckungen und stellarer Intensitätsinterferometrie.

Bis 2020 führten die VERITAS-Forschungsergebnisse zu 58 Promotionen und über 100 Fachpublikationen. Wie die Abbildung zeigt, hat VERITAS (Stand: Januar 2020) 63 astrophysikalische Quellen hochenergetischer Gammastrahlen entdeckt. Der erste VERITAS-Quellenkatalog umfasste lediglich sechs Quellen.

Zu den wissenschaftlichen Höhepunkten von VERITAS gehören unter anderem:

• 2008: Entdeckung des ersten Blazars vom Typ BL Lacertae (IBL) mit intermediärem Frequenzmaximum bei sehr hohen Energien, W Comae ^{[ 8 ]} , gefolgt von einem zweiten IBL 3C 66A. ^{[ 9 ]}

• 2009: Entdeckung der ersten Starburst-Galaxie, die Gammastrahlen emittiert, der Zigarrengalaxie oder M 82. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Dieses Ergebnis war bedeutend, da es das erste extragalaktische Objekt darstellte, bei dem die Gammastrahlen vermutlich durch typische astrophysikalische Prozesse unserer Galaxie erzeugt werden, im Gegensatz zu extremen Prozessen in den Jets aktiver Galaxienkerne . ^{[ 12 ]}

• 2010; Nachweis ausgedehnter Gammastrahlung aus dem Quallennebel oder IC 443 ^{[ 13 ]} , gefolgt von detaillierten morphologischen Untersuchungen durch VERITAS, die, in Kombination mit Daten von Fermi-LAT , starke Hinweise auf die Beschleunigung kosmischer Strahlung durch einen galaktischen Supernovaüberrest liefern. ^{[ 14 ]}

• 2011: Entdeckung einer neuen und unerwarteten Komponente der Gammastrahlung oberhalb von 100 GeV vom Krebs-Pulsar , die bestehende Pulsarmodelle ernsthaft in Frage stellt. ^{[ 15 ]}

• 2011: Entdeckung der TeV-Gammastrahlung aus dem Supernovaüberrest Tycho ; ^{[ 16 ]} dieser Überrest entstand bei einer der wenigen historischen Supernovae in unserer Galaxie.

• 2013: Lokalisierung der Gammastrahlung im Jet eines aktiven Galaxienkerns durch die Kombination von VHE-Gammastrahlenbeobachtungen mit VERITAS und hochauflösenden Beobachtungen mit dem Very Long Baseline Array . ^{[ 17 ]}

• 2015: Nachweis von TeV-Gammastrahlen des Quasars PKS 1441+25 bei einer Rotverschiebung von etwa 1, was auf die allgemeine Transparenz des Universums für Photonen dieser Energien hinweist. ^{[ 18 ]}

• 2018: Nachweis von VHE-Gammastrahlen aus Richtung des BL-Lac-Objekts TXS 0506+056 , ^{[ 19 ]} , was mit dem Hochenergie-Neutrinoereignis IC 170922A übereinstimmt, das vom Neutrinoteleskop IceCube gemeldet wurde.
• 2019-2020: Direkte Messung von Sternwinkeldurchmessern mit einem abbildenden atmosphärischen Tscherenkow-Teleskop ^{[ 20 ]} und Demonstration der Sternintensitätsinterferometrie mit einem modernen Teleskopsystem. ^{[ 21 ]}

Die VERITAS-Forscher leisteten Pionierarbeit bei der Nutzung von IACT für Citizen Science . Um die Erkennung von Myonenereignissen zu verbessern , wurde das Projekt „Muon Hunter“ auf der Zooniverse- Plattform ins Leben gerufen. Im Rahmen des Projekts wurden mit VERITAS aufgenommene Bilder gezeigt, die von freiwilligen Helfern als Myonen- oder Nicht-Myonenereignisse klassifiziert wurden. Anschließend trainierten die Forscher einen Algorithmus für maschinelles Lernen , der bessere Ergebnisse als die Standardanalyse lieferte. ^{[ 22 ]} In „Muon Hunter 2.0“ wird das Projekt versuchen, die Ergebnisse mit einem anderen Ansatz des maschinellen Lernens weiter zu verbessern. ^{[ 23 ]}

Die VERITAS-Kollaboration wurde im Jahr 2000 durch die Unterzeichnung eines Kooperationsabkommens zwischen neun Mitgliedsinstitutionen in drei Ländern offiziell gegründet. Die Mitgliedsinstitutionen waren: die Iowa State University , die Purdue University , das Smithsonian Astrophysical Observatory , die University of California, Los Angeles , die University of Chicago , die University of Utah und die Washington University in St. Louis (USA), die University of Leeds (Großbritannien) und die National University of Ireland Dublin (Irland). Mit einem aktualisierten Abkommen im Jahr 2008 wurde die McGill University (Kanada) als zehnte Mitgliedsinstitution aufgenommen. Vertreter der Mitgliedsinstitutionen bilden den VERITAS Executive Council (VEC), der die oberste Entscheidungsinstanz innerhalb der Kollaboration darstellt. ^{[ 6 ]}

Im Jahr 2008 wurde die Zusammenarbeit durch den Beitritt von Institutionen erweitert, die im VERITAS Science Board vertreten sind, welches das wissenschaftliche Programm von VERITAS leitet. Zu den ursprünglichen Kooperationspartnern gehörten: das Adler-Planetarium , das Barnard College , das Cork Institute of Technology , die DePauw University , das Galway-Mayo Institute of Technology , das Grinnell College , die National University of Ireland, Galway , die University of California, Santa Cruz , die University of Iowa und die University of Massachusetts, Amherst .

Die VERITAS-Kollaboration besteht seit 2019 aus rund 80 Wissenschaftlern von Institutionen in Kanada, Deutschland, Irland und den USA. Zu den beteiligten Institutionen gehören: Barnard College , Columbia University , Cork Institute of Technology , DESY , Georgia Institute of Technology , Iowa State University , McGill University , National University of Ireland, Galway , Purdue University , Smithsonian Astrophysical Observatory , University College Dublin , University of California, Los Angeles , University of California, Santa Cruz , University of Chicago , University of Delaware , University of Iowa , University of Minnesota , University of Utah und Washington University in St. Louis . Darüber hinaus gibt es assoziierte Mitglieder und nicht-zugehörige Mitglieder zahlreicher weiterer Institutionen. ^{[ 6 ]}

Der Vorsitzende des VERITAS-Wissenschaftsbeirats fungiert als Sprecher/in. Ein/e stellvertretende/r Sprecher/in unterstützt die Leitung der Kooperation. Eine chronologische Liste der VERITAS-Sprecher/innen und stellvertretenden Sprecher/innen findet sich in der untenstehenden Tabelle. Seit 2007 beträgt die Amtszeit des/der Sprechers/in bzw. des/der stellvertretenden Sprechers/in zwei Jahre; eine Wiederwahl ist möglich.

Stand 2019 wird VERITAS von folgenden Institutionen operativ finanziert: der National Science Foundation und der Smithsonian Institution in den USA, dem Natural Sciences and Engineering Research Council in Kanada und der Helmholtz-Gemeinschaft in Deutschland.

• Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop
• Hochenergetisches stereoskopisches System
• IACT
• Liste der astronomischen Observatorien
• MAGIC (Teleskop)

• Offizielle VERITAS-Website