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Messungen des Nachthimmelshelligkeit bei der Standortsuche für den HiSCORE Detektor in
Südaustralien
Daniel Hampfmit
Gavin Rowella, Neville Wilda, Tristan Sudholza, Dieter Hornsb, Martin Tluczykontb
a) b)
School Of Chemistry & Physics Institut für Experimentalphysik
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Was ist Nachthimmelshelligkeit?
ESO Public Images, S. Brunier
Die Milchstraße im sichtbaren Wellenlängenbereich
2
• Nachthimmelshelligkeit ist die Helligkeit des Himmels in klaren, mondlosen Nächten
• Nachthimmelshelligkeit ist grundsätzlich ein Störfaktor für terrestrische astronomische Beobachtungen
• Ursachen unter anderem:
• Air-glow (Rekombinationvon Molekülen in derIonosphäre)
• Direktes undgestreutes Sternenlicht
• Zodiakallicht
• Abkürzung NSB (engl. NightSky Brightness)
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Warum haben wir es untersucht?
geladenes Teilchenoder
gamma Photon
Cherenkov-Licht
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• Standortsuche für den HiSCORE Detektor
• HiSCORE ist ein Weitwinkel-Cherenkov-Detektor
• Ziel: Messung ultra-hoch energetischer Gamma-Strahlung (jenseits von 30 TeV)
• Wegen großerEintrittsöffnung undgroßem Raumwinkel (~ 0.6 sr) gelangtsehr viel NSBauf den Detektor
• Probleme:Hoher AnodenstromFalsche TriggerS/N Verhältnis
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Der untersuchte Standort: Fowler’s Gap
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• Anforderungen:
• Große ebene Fläche
• Klare Nächte
• Gute Sicht auf die galaktische Ebene
• Dunkelheit
• Fowler’s Gap:
• Forschungsstation der Uni New South Wales (Sydney)
• 112 km nördlich von Broken Hill
• knapp 40 000 Hektar
• Gute Infrastruktur
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011 5
Adelaide
Broken Hill
x Fowler’s Gap
From: Word-wide atlas of night sky brightness, Cinzano (2001)
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Der Messaufbau
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• Photon Counting PMT Hamamatsu HC124-3:
• Zählrate bis 1 MHz
• Dunkelrate 200 Hz
• TTL Ausgang
• 12 V Versorgung
• Langes Plastikrohr zur Verringerung der Zählrate
• Farbfilter für Spektren
• Laptop misst die Zählrate und die Teleskoprichtung
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Dunkle Regionen des Himmels
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• Count rate: Zählrate des PMTs
• p.e. rate: Zählrate in SI Einheiten, Photoelectrons / (s sr m2)
• photon rate: Photonen / (s sr m2), mit Annahme einer durchschnittlichen Quanteneffizienz
[1] Preuß et al 2002, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 481, 229-240[2] Mirzoyan and Lorenz 1994, Measurement of the night sky light background at La Palma, Tech. rep., MPI für Physik, München
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Helle Regionen des Himmels
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• Wichtig, weil hier viele Gamma-Quellen
• Bis zu 4 mal heller als dunkle Regionen
• Bei galaktischer Ebene große Helligkeit auf b = ±10° beschränkt
scan over southern cross region
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Spektrum (Photonenfluss)
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• Ähnlich wie Spektren aus Namibia und La Palma
• Etwas dunkler bei kurzen Wellenlängen, etwas heller bei langen Wellenlängen
• mögliche Ursache: Fowler’s Gap liegt tiefer (180 m über Meeresspiegel), stärkere Absorption im blauen Bereich
[CCD] Benn & Ellison 1998, Brightness of the night sky over La Palma. New Astronomy Reviews 42, 503–507[PMT] Preuß et al 2002, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 481, 229-240
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Spektrum (Photoelektronen)
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• Ähnlich wie Spektren aus Namibia und La Palma
• Etwas dunkler bei kurzen Wellenlängen, etwas heller bei langen Wellenlängen
• mögliche Ursache: Fowler’s Gap liegt tiefer (180 m über Meeresspiegel), stärkere Absorption im blauen Bereich
• Allerdings: PMT ist im blauen Bereich empfindlicher
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Filter zur NSB Unterdrückung
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• Cherenkovlicht (Signal):Stark im U und B band
• NSB (Untergrund):vor allem B und V Band
• Filter zur Unterdrückung von V und R Band verbessern Signal-zu Rausch-Verhältnis um 1.2
• Annahme: Idealer Filter
Normalisierte Spektra inkl. Absorption und PMT Quanteneffizienz
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Zusammenfassung
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• Fowler’s Gap ist ein exzellent dunkler Standort für astronomische Messungen
• Helle Regionen des Himmels drei bis vier mal heller als dunkle (wichtig für Detektor-Triggerlevel)
• Helle Regionen räumlich nicht so weit ausgedehnt
• Spektrum dominiert von langen Wellenlängen, allerdings:Hauptbeitrag zum Rauschen im PMT kommt aus B und V Band
• Ideale Filter können Signal-zu-Rausch Verhältnis leicht verbessern (Faktor ~ 1.2)
Paper submitted to “Advances In Space Research”:
D. Hampf, G. Rowell, N. Wild, T. Sudholz, D. Horns, M.Tluczykont: Measurement of the night sky brightness in southern Australia
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Backup slides
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Daniel Hampf: Messungen des Nachthimmelsleuchten DPG Karlsruhe 2011
Kalibration
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• Effektive Fläche: Öffnung des Rohres
• Effektiver Raumwinkel:
• Effektive Quanteneffizienz:Faltung der wellenlängenabhängiger Quanteneffizienz und des NSB Spektrums:
Ω = 2π
(θ) sin(θ) dθ
PMT = λ2
λ1S(λ)PMT(λ) dλ = 0.0935