Der weiche/mittlere Gammastrahlenbereich ist der astrophysikalisch am wenigsten erforschte Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Empfindlichkeit aktueller Missionen ist um Größenordnungen schlechter als in benachbarten Bändern, was auf hohe instrumentelle und atmosphärische Hintergründe, niedrige Wechselwirkungsquerschnitte und die inhärente Schwierigkeit der Bildgebung bei diesen Energien zurückzuführen ist. Es bleibt ein äußerst interessanter Bereich, der die Positronenvernichtungslinie, Signaturen der stellaren Nukleosynthese, Emissionen aus den extremsten Umgebungen und Multi-Messenger-Astrophysik beherbergt.
Das Compton Spectrometer and Imager (COSI) ist ein Soft-Gamma-Ray-Survey-Teleskop (0,2-5 MeV), das entwickelt wurde, um die Ursprünge galaktischer Positronen zu untersuchen, die Orte der Nukleosynthese in der Galaxie aufzudecken, Pionierstudien zur Gammastrahlenpolarisation durchzuführen und Gegenstücke zu Multi-Messenger-Quellen zu finden. Das kompakte Compton-Teleskop von COSI kombiniert Verbesserungen in Bezug auf Empfindlichkeit, spektrale Auflösung, Winkelauflösung und Himmelsabdeckung, um bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse zu ermöglichen. Unsere Gruppe ist stark in die Analyse- und Simulationspipeline-Entwicklung für COSI involviert. Insbesondere in die Hintergrundsimulation und -modellierung sowie in die Detektor-Response-Approximation. Wir sind auch an den wissenschaftlichen Zielen von COSI beteiligt, wie der Suche nach dunkler Materie oder der Entstehung und Entwicklung chemischer Elemente in unserer Galaxie durch Beobachtungen von Gammastrahlenlinien.
Hintergrundmodellierung
Die Beobachtung von MeV-Gammastrahlen wird von Hintergrundstrahlung dominiert, insbesondere aufgrund der Aktivierung der Detektormaterialien, die durch kosmische Strahlung induziert wird. Daher sind Hintergrundsimulation und -identifizierung entscheidend für die Datenanalyse. Unsere Gruppe hat eine vollständige und sehr detaillierte Simulation von 3 Monaten im Orbit erstellt, um den erwarteten Hintergrund abzuschätzen, den COSI messen wird. Dieser Hintergrund wird in der aktuellen COSI Data Challenge verwendet.
Response-Approximation
Um unsere rekonstruierten Daten mit wissenschaftlichen Modellen zu vergleichen, benötigen wir eine präzise und dennoch leichtgewichtige Charakterisierung der COSI-Detektor-Response, die effizient in unserer umfangreichen Analyse-Pipeline ausgeführt werden kann. Wir lösen dieses Problem durch die Entwicklung eines neuronalen Netzwerk-Approximationsschemas in einem speziellen relativen Koordinatenraum, das normalisierende Flüsse mit einer Entwicklung in Kugelflächenfunktionen koppelt. Schließlich erstellen wir auch die notwendigen Werkzeuge, um ein neues Analyse-Framework rund um diesen Ansatz zu unterstützen.
Ereignisklassifizierung und -rekonstruktion
Um die Datenqualität zu verbessern, müssen wir die Daten, die der Rekonstruktion ausgesetzt sind, so sauber wie möglich halten. Um dies zu erreichen, ist eine Ereignisklassifizierung vor der Rekonstruktion erforderlich. Frühere Deep-Learning-Modelle, die für ein anderes Detektorkonzept entwickelt wurden, zeigten vielversprechende Ergebnisse und werden an COSI angepasst. Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der gesamten Datenqualität ist die Optimierung der Ereignisrekonstruktion. Hier sollen verschiedene Machine Learning Ansätze ausprobiert und getestet werden.
COSI und die Suche nach dunkler Materie
COSI ist dank seiner ausgezeichneten Energieauflösung im MeV-Bereich gut für die indirekte Suche nach dunkler Materie geeignet. Dies macht es besonders empfindlich für Signale von verschiedenen Kandidaten für dunkle Materie, wie z. B. primordiale Schwarze Löcher, von denen erwartet wird, dass sie in diesem Energieband nachweisbare Gammastrahlenemissionen erzeugen. Unsere Gruppe untersucht, wie empfindlich COSI für diese potenziellen Quellen dunkler Materie sein könnte.
Die Vela-Region und 26Al
Mit einer Spitzensensitivität bei 1,8 MeV ist COSI ideal ausgestattet, um die charakteristische Zerfallsstrahlung des Radioisotops Aluminium-26 zu untersuchen. Mit einer mittleren Lebensdauer von etwa einer Million Jahren dient dieses Isotop als leistungsstarker Tracer der laufenden Nukleosynthese (der Bildung von Elementen) und gibt Aufschluss über massereiche Sterne, Wolf-Rayet-Winde, Auswurfmechanismen und Supernova-Explosionen. Ein vorrangiges Ziel ist die Vela-Region, wo COMPTEL erstmals einen deutlichen Überschuss an 1,8-MeV-Emissionen feststellte, der nach wie vor keiner bekannten Quelle zugeordnet werden kann. Durch die Analyse der ersten Beobachtungen von COSI wollen wir dieses langjährige Rätsel lösen und unser Verständnis von Aluminium-26 in unserer Galaxie verbessern.
Ein zukünftiges MeV/GeV-Compton/Paar-Teleskop
Wir arbeiten auch an der Realisierung eines zukünftigen großen Compton/Paar-Teleskops, um die MeV-Empfindlichkeitslücke bis zu 100 MeV auch für Kontinuumsquellen vollständig zu schließen und mit überlegener Winkelauflösung von 30 MeV an die Leistungen des Fermi/LAT-Instruments im GeV-Bereich anzuknüpfen. Ein Beispiel ist die vorgeschlagene ESA-Mission newASTROGAM mit einem Energiebereich von 200 keV bis 3 GeV, mit einer zusätzlichen codierten Röntgenmaske bei 15-45 keV.
