PAMELA – Auf der Suche nach der Dunklen Materie



Start: 15. Juni 2006

Wissenschaftliche Ziele

Eine der noch ungelösten Fragen der Astrophysik ist die Beweisführung der Masse- und Energieverteilung im Universum. Einen Anteil an dieser Masse- und Energiebilanz trägt die Dunkle Materie, deren Existenz theoretisch vorhergesagt wird, aber deren Nachweis noch offen steht.

Die Gesamtmasse des Universums soll nach gängigen Theorien zu etwa fünf Prozent aus Materie, zu 20 Prozent aus Dunkler Materie und zu 75 Prozent aus Dunkler Energie bestehen. Als Fundorte der Dunklen Materie werden vorwiegend sehr große Blasen mit rund 1.000 Lichtjahren Durchmesser erwartet. Die Geschwindigkeit von deren Partikeln kann bis etwa neun Kilometer pro Sekunde betragen, was auf Temperaturen bis ca. 10.000 Grad Celsius schließen lässt.

Das PAMELA-Experiment. Bild: Universität Rom
Die Teilchenmessung mit PAMELA steht in Zusammenhang mit Studien über den Ursprung der energiereichen Materie und ihrer Ausbreitung im interstellaren Raum, wie auch der Suche nach der Natur der Dunklen Materie. Das Experiment PAMELA misst Teilchen und Antiteilchen aus dem Weltraum (kosmische Strahlung), um deren Entstehungsvorgänge und Beschleunigungsprozesse zu untersuchen. Wissenschaftler aus Italien, Schweden, Russland, USA, Indien und Deutschland haben sich zusammengetan, um mit einem gemeinsamen Experiment der Teilchenastrophysik den Nachweis der Existenz oder des Fehlens von Antimaterie im Universum zu führen.

Der Missionsname PAMELA ist eine Abkürzung und steht für "Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics". PAMELA hat im Sommer 2006 seine wissenschaftlichen Untersuchungen gegonnen. Das Experiment PAMELA besteht aus einem Magnetspektrometer, das - in Kombination mit einem Kalorimeter und einer Flugzeitmessung - die aus dem Weltraum einfallenden energiereichen Teilchen im Hinblick auf Ladung, Ladungsvorzeichen, Impuls und Masse präzise vermessen wird.

Trägerplattform für PAMELA ist der russische Erderkundungs-Satellit Resurs-DK1, der im Sommer 2006 mit einer Soyuz-Rakete von Baikonur aus gestartet wurde. Resurs-DK1 ist ein Multispektral-Fernerkundungssatellit mit Sensoren, die im Bereich des sichtbaren Lichts arbeiten. PAMELA flog als Piggy-Back-Nutzlast bei Resurs-DK1 mit, untergebracht in einem seitlich befestigten Druckcontainer, der schwenkbar am Satelliten montiert ist. Alle Kontroll- und Kommunikationsaktivitäten der PAMELA-Mission werden von der Bodenstation NTsOMZ (bei Moskau) durchgeführt.

Instrumente

Mit seinen Experimenten an Bord soll die PAMELA-Mission die folgenden wissenschaftlichen Untersuchungen durchführen:

  • Messung des Antiprotonen-Flusses und des dazu gehörigen Energiespektrums (100 Megaelektronenvolt - 190 Gigaelektronenvolt),
  • Messung des Flusses von Elektronen (50 Megaelektronenvolt - 2 Teraelektronenvolt)/ Positronen (50 Megaelektronenvolt - 270 Gigaelektronenvolt) und deren Energiespektren,
  • Suche nach Antikernen (<10 hoch -7 Antihelium/Helium),
  • Messung der Flüsse und Energiespektren von leichten Elementen (Z ≤ 6),
  • Messung der Isotope leichter Elemente bis in den Gigaelektronenvolt-Bereich,
  • Modulation galaktischer kosmischer Strahlen durch den Sonnenwind.

Um diese Aufgaben erledigen zu können, besteht die PAMELA-Nutzlast aus den Bestandteilen:

  • Magnetspektrometer (deutsche Beteiligung): Definition von Impuls und Steifigkeit der einfallenden Teilchen. Permanentmagnet (Neodym-Eisen-Bor, 0,4 Tesla Feldstärke, 115 Kilogramm Masse), fünf Subsektionen für Einführung von sechs Lagen Silizium-Streifenzählern für die Bestimmung der Teilchen-Flugbahn.
  • Flugzeitmessung (deutsche Beteiligung): Zur Messung der Ladung und Geschwindigkeit der einfallenden Teilchen. Ermöglicht die Unterscheidung zwischen aufwärts und abwärts fliegenden Teilchen. Fünf Lagen von Plastik-Szintillatoren. Zeitauflösung 100 Picosekunden (eine Picosekunde ist gleich einer Milliardstel Sekunde).
  • Abbildendes Silizium-Streifen-Kalorimeter: Zur Messung der Energie von aufgefangenen Elektronen bzw. Positronen und zur Identifizierung von Antiprotonen bzw. Protonen.
  • Antikoinzidenz-System: Zur Identifizierung von Teilchen, die das Spektrometer von außerhalb des Akzeptanz-Volumens treffen.
  • Neutronen-Detektor: Zur Identifizierung von Elektronen bis 3 Teraelektronenvolt aus der Anzahl der Neutronen, die im Kalorimeter produziert werden.

Das Experiment PAMELA steht unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Piergiorgio Picozza von der Universität Rom (Tor Vergata), der als Principal Investigator (PI) fungiert. PAMELA wurde mit Mitteln des INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), der Agenzia Spaziale Italiana (ASI) und der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos entwickelt und gebaut. Das italienisch-russische Team wird durch deutsche Wissenschaftler vom Fachbereich Physik der Universität Siegen unterstützt. Das Projekt unter der Leitung von Prof. Manfred Simon wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.V. über eine Zuwendung mit Mitteln aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm unterstützt.

Der deutsche Beitrag zu PAMELA

Die Universität Siegen war an der Entwicklung und dem Bau des Magnetspektrometers maßgeblich beteiligt. Der Permanentmagnet wurde von der Firma Vakuumschmelze in Hanau gekauft und dem Experiment beigestellt. Weitere Beteiligungen der Universität Siegen bestehen in der Entwicklung und dem Bau der Flugzeitmessung, der Photoröhren und der elektronischen Ausleseeinheit. Wissenschaftler der Universität Siegen haben aktiv bei der Missionsgestaltung und Datengewinnung mitgewirkt und unterstützten die italienischen Partner bei der Integration der Instrumente, sowie bei den vorbereitenden Bodentests.

Parallel zur Hardware-Beteiligung ist die Universität Siegen beteiligt an der Software-Entwicklung (1) für die Online-Kontrolle des Experiments, (2) für die Bodensimulation und (3) für die Datenanalyse am Boden.

Start: 15. Juni 2006 von Baikonur (Kasachstan)
Trägerrakete: Soyuz FG
Orbit: elliptisch, Bahnhöhe zwischen 350 km und 610 km, Umlaufzeit 94 Minuten
Inklination 70,4°
Ausrichtungsgenauigkeit: 0,2 Bogenminuten
Bodenstation:

NTsOMZ bei Moskau
(RUIIT, Kanthy Mansisk, (Russland) als Backup)

Telemetriekapazität: 10 GByte/Tag
Datenrate: bis 300 MBit/sec
Nominelle Missionsdauer: 3 Jahre
Masse des Experiments: 750 kg gesamt, 470 kg ohne Container, davon 330 kg Detektormasse
(Masse des Magneten: 115 kg)
Abmessungen: 120 cm x 40 cm x 45 cm
Container: Aluminium (AlMg6M), 2 mm Wandstärke, druckdicht
Energiebedarf: 360 W

 


Kontakt
Heiner Witte
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Raumfahrtmanagement
, Extraterrestrik
Tel: +49 228 447-344

Fax: +49 228 447-745

E-Mail: Heiner.Witte@dlr.de
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PAMELA Datenblatt (http://www.dlr.de/rd/Portaldata/28/Resources/dokumente/RX/Pamela_D_04_06.pdf)