Quelle: WWU 10. Februar 2023.

10. Februar 2023 – Wie das Universum entstand, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt am Kernforschungszentrum CERN bei Genf herauszufinden. An der Forschung beteiligen sich auch Physikerinnen und Physiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster: Sie haben das Experiment „ALICE“ am Teilchenbeschleuniger LHC („Large Hadron Collider“) mit aufgebaut und werten nun Messdaten aus. Schülerinnen und Schüler ab 15 Jahren dürfen am 17. Februar (Freitag) gemeinsam mit den münsterschen Forschern Geheimnisse aus der Welt der kleinsten Teilchen lüften. Der kostenlose Workshop – eine „International Masterclass“ – findet von 9.30 bis 17 Uhr im Institut für Kernphysik der Universität Münster statt. Weitere Informationen und die Möglichkeit zur Anmeldung gibt es unter https://indico.uni-muenster.de/event/1806/.

Wenn im LHC Blei-Ionen mit unvorstellbarer Wucht aufeinandertreffen, entsteht ein Materiezustand mit Temperaturen, die bis zu eine Million Mal höher sind als im Zentrum der Sonne – Bedingungen, wie sie in den ersten Augenblicken des Universums herrschten. Die Schüler blicken gemeinsam mit den CERN-Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos und erfahren Wissenswertes über die Grundbausteine der Materie und die Kräfte, die im Universum wirken. Sie lernen Methoden kennen, mit denen sie echte Daten aus dem ALICE-Experiment auswerten, erleben eine Live-Schalte zu diesem Experiment und diskutieren ihre Ergebnisse in einer internationalen Videokonferenz – ganz so, wie es in den großen Forschungsverbünden am CERN üblich ist.

„International Masterclasses“ werden von CERN-Forschern auf der ganzen Welt an verschiedenen Terminen angeboten. In diesem Jahr sind etwa 225 Forschungseinrichtungen und Universitäten in 60 Ländern beteiligt, und es werden mehr als 13.000 Teilnehmer erwartet.

Damit die Schüler für die Teilnahme an der „Masterclass“ in Münster eine Befreiung vom Schulunterricht beantragen können, erhalten sie von den Veranstaltern entsprechende Teilnahmebestätigungen.

Anmeldung und weitere Informationen:
https://indico.uni-muenster.de/event/1806/

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Technische Universität München 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Einem Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die Überlebensrate von Antihelium-Kernen aus den Tiefen der Galaxis zu bestimmen – eine notwendige Voraussetzung für die indirekte Suche nach Dunkler Materie.

Hinweise auf Dunkle Materie gibt es viele. Daraus, wie sich Galaxien in Galaxienhaufen bewegen, oder wie schnell Sterne um das Zentrum einer Galaxie kreisen, lässt sich errechnen, dass sehr viel mehr Masse vorhanden sein muss als jene, die sichtbar ist. Unser Milchstraßensystem beispielsweise besteht zu rund 85 Prozent aus einer Substanz, die nicht sichtbar ist und sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ein direkter Nachweis dieser Materie ist bis heute noch nicht gelungen.

Mehrere theoretische Modelle für Dunkle Materie gehen davon aus, dass sie aus Teilchen bestehen könnte, die schwach untereinander wechselwirken. Dabei entstehen Antihelium-3-Kerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestehen. Auch bei hochenergetischen Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und gewöhnlicher Materie wie Wasserstoff und Helium entstehen diese Kerne – allerdings mit anderen Energien, als es bei der Wechselwirkung Dunkler-Materie-Teilchen der Fall sein müsste.

Bei beiden Prozessen haben die Antiteilchen ihren Ursprung in den Tiefen der Galaxis, mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns. Nach ihrer Entstehung macht sich ein Teil von ihnen auf den Weg zu uns. Wie viele der Teilchen diese Reise unbeschadet überstehen und als Boten ihres Entstehungsprozesses in die Nähe der Erde gelangen, wird über die Durchlässigkeit oder Transparenz der Milchstraße für Antihelium-Kerne bestimmt. Bislang konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert nur grob abschätzen. Eine bessere Eingrenzung der Transparenz, ein Maß für die Anzahl und Energien von Antikernen, ist allerdings wichtig für die Interpretation zukünftiger Antihelium-Messungen.

Teilchenbeschleuniger LHC als Antimateriefabrik
Forschende der ALICE-Kollaboration führten nun Messungen durch, mit denen sie die Transparenz erstmals genauer festlegen konnten. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und ist eines der größten Experimente der Welt, um die Physik auf den kleinsten Längenskalen zu erforschen. ALICE ist Teil des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN.

Am LHC lassen sich große Mengen an leichten Antikernen wie Antihelium erzeugen. Zu diesem Zweck werden jeweils Protonen und Blei-Atome auf Kollisionskurs gebracht. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchenschauer, die der Detektor des ALICE-Experiments aufzeichnet. Dank mehrerer Teilsysteme des Detektors können die Forschenden dann die entstandenen Antihelium-3-Kerne nachweisen und ihre Spur im Detektormaterial verfolgen. So lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und verschwindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TUM und des Exzellenzclusters ORIGINS haben maßgeblich zur Analyse der experimentellen Daten beigetragen.

Galaxis durchlässig für Antikerne
Mithilfe von Simulationen konnten die Forschenden die Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment auf die gesamte Galaxis übertragen. Das Resultat: Etwa die Hälfte der Antihelium-3-Kerne, die bei der Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen soll, würde die erdnahe Umgebung erreichen. Unsere Milchstraße ist somit zu 50 Prozent durchlässig für diese Antikerne. Für Antikerne, die durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen, variiert die erhaltene Transparenz von 25 bis 90 Prozent mit zunehmendem Antihelium-3-Impuls. Diese Antikerne lassen sich jedoch von jenen, die aus Dunkler Materie entstehen, aufgrund ihrer höheren Energie unterscheiden.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre Analyse, die zeigt, wie Messungen an Beschleunigern direkt mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung im Weltraum verbunden werden können“, sagt ORIGINS Wissenschaftlerin Prof. Laura Fabbietti von der TUM School of Natural Sciences. Die Ergebnisse vom ALICE Experiment am LHC sind von großer Bedeutung für die Suche nach Antimaterie im Weltraum mit dem AMS-02 Modul (Alpha Magnetic Spectrometer) auf der internationalen Raumstation ISS. Ab 2025 wird dann das GAPS-Ballonexperiment über der Arktis die ankommende kosmische Strahlung auf Antihelium-3 untersuchen.

Weitere Informationen:
An den Arbeiten zur Antihelium-3-Wechselwirkung unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Fabbietti waren Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Alejandro Ibarra an der TUM sowie Dr. Andrew Strong am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beteiligt. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster ORIGINS, EXC 2094 – 390783311 und den Sonderforschungsbereich SFB1258 gefördert sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy, Nature Physics.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01804-8

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• Dunkle Materie

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 6. Dezember 2022.

6. Dezember 2022 – Den Materiezustand kurz nach dem Urknall, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma, erforscht das ALICE-Experiment am Teilchenbeschleunigerzentrum CERN in Genf, wo Blei-Ionen miteinander kollidieren und für winzige Sekundenbruchteile ein solches Quark-Gluon-Plasma entstehen lassen. Jetzt wurden am CERN für das ALICE-Experiment in einem Testlauf erstmals Kollisionsenergien von 5,36 Teraelektronenvolt pro Blei-Blei-Kollision erzeugt, die weltweit höchste bislang erreichte Kollisionsenergie. Forschende um Harald Appelshäuser von der Goethe-Universität haben den zentralen ALICE-Detektor auf die nun höheren Kollisionsraten vorbereitet und hoffen auf neue Erkenntnisse über die Entstehung des Universums.

Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall lag die gesamte Materie des Universums in einer Art „Elementarteilchen-Suppe“ als so genanntes Quark-Gluon-Plasma vor. Solch ein Quark-Gluon-Plasma lässt sich in Teilchenbeschleunigern für extrem kurze Zeit erzeugen, wenn man schwere Ionen kollidieren lässt. Daher sind die Kollisionen von Blei-Ionen von zentraler Bedeutung für das ALICE Experiment am Beschleunigerzentrum CERN, das die Eigenschaften von Materie, wie sie kurz nach dem Urknall vorgelegen hat, untersuchen möchte.

Während einer vierjährigen Umbauphase von 2018 bis 2022 wurde der weltweit stärkste Teilchenbeschleuniger, der Large Hadron Collider am CERN, nochmals verbessert und kann jetzt deutlich mehr Bleiionen beschleunigen als zuvor. Auch der ALICE Detektor wurde in dieser Zeit ertüchtigt, um die höheren Kollisionsraten, die der LHC in Zukunft liefern wird, aufzeichnen zu können. Hierzu war es notwendig, die Auslesedetektoren des zentralen Detektors des Experiments, der sogenannten Spurendriftkammer TPC (engl. Time Projection Chamber) komplett auszutauschen. Die Projektleitung dieses bislang zehnjährigen Unterfangens liegt bei Prof. Harald Appelshäuser vom Institut für Kernphysik der Goethe-Universität Frankfurt. Die neue TPC soll es unter anderem ermöglichen, die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmas zu bestimmen, das während der Blei-Blei-Kollision entsteht.

Mit den jetzt am CERN durchgeführten Tests mit Blei-Ionen können die ALICE-Forscherinnen und Forscher überprüfen, ob die Auslese und Signalverarbeitung wie erwartet funktionieren. Eine große Herausforderung sind dabei die enormen Datenmengen, die während der Messungen anfallen und allein für die TPC im Bereich von mehreren Terabyte pro Sekunde liegen. Dieser Datenstrom muss in Echtzeit mit effektiven Mustererkennungsmethoden prozessiert werden, um die gespeicherte Menge der Daten ausreichend reduzieren zu können.

Eigens hierzu wurde das Rechencluster EPN (Event Processing Nodes) für das Experiment aufgebaut. Das EPN-Cluster basiert sowohl auf konventionellen Prozessoren (CPUs) als auch auf speziellen Grafikprozessoren. Die Leitung dieses Projekts liegt bei Prof. Volker Lindenstruth, Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und Institut für Informatik der Goethe-Universität.

Die ersten Messungen bei der neuen Energie sind ein großer Erfolg für das Schwerionenprogramm am CERN. Prof. Harald Appelshäuser sagt: “Wir können es kaum erwarten, dass es nun wirklich losgeht mit den Messungen.”

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• Large Hadron Collider

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Quelle: WWU.

4. März 2022 – Im Rahmen einer „International Masterclass“ lädt das Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster physikinteressierte Schülerinnen und Schüler ab der zehnten Klasse zu einem Online-Workshop ein. Der ganztägige Workshop findet am 16. März ab 9.30 Uhr statt. Die Teilnahme ist kostenlos und wird schriftlich für die Schule bestätigt. Eine Anmeldung ist ab sofort unter wwuindico.uni-muenster.de/event/1160/ möglich.

Zum Hintergrund: Auch die WWU ist am sogenannten ALICE-Experiment im weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik beteiligt, dem CERN in Genf. Im CERN treffen Blei-Atomkerne mit unvorstellbarer Wucht aufeinander – dadurch entstehen Bedingungen wie in den ersten Augenblicken des Universums. Den Workshop bieten Beschäftigte des ALICE-Experiments von mehreren deutschen Standorten an. Die Workshop-Teilnehmer blicken mit Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos und erfahren mehr über die Grundbausteine der Materie und über die Kräfte, die im Universum wirken. Neben Vorträgen findet eine Live-Führung durch das ALICE-Experiment am CERN sowie eine Auswertung echter Daten am eigenen Computer statt.

„International Masterclasses“ werden von CERN-Forschern auf der ganzen Welt an verschiedenen Terminen angeboten. In diesem Jahr sind etwa 225 Forschungseinrichtungen und Universitäten in 60 Ländern beteiligt, die Veranstalter erwarten mehr als 13.000 Teilnehmer.

Links
Anmeldung und weitere Informationen: https://wwuindico.uni-muenster.de/event/1160/
Termine am Institut für Kernphysik: https://www.uni-muenster.de/Physik.KP/outreach/events/index.html
International Masterclasses: https://physicsmasterclasses.org/main/

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Das deutsche Netzwerk der ALICE-Kollaboration am CERN lädt Jugendliche ab 16 Jahren und Studierende der ersten Semester ein, den Teilchendetektor ALICE mit Lego nachzubauen. Physiker*innen der Goethe-Universität Frankfurt und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster begleiten das Projekt. Vom 18. Januar an entwerfen die Teilnehmer*innen zunächst das Modell mit Konstruktionsprogrammen, im Juni soll der Lego-Detektor voraussichtlich in Frankfurt zusammengebaut werden. Mitmachen können junge Interessierte aus dem ganzen Bundesgebiet, da die Veranstaltungen online angeboten werden.

An der großen Teilchenbeschleunigeranlage CERN in Genf gehen Wissenschaftler*innen aus der ganzen Welt grundlegenden Fragen der Physik nach: Was ist Materie? Wie hat sich das Universum entwickelt? Dazu lassen die Forscher*innen Atomkerne mit hohen Geschwindigkeiten aufeinanderprallen und zerlegen sie in ihre elementaren Bestandteile. Vermessen werden diese Materie-Bausteine mithilfe großer Teilchendetektoren. Der ALICE-Detektor misst die Teilchen, die bei der Kollision von Blei-Ionen entstehen – 900 Millionen Teilchen pro Sekunde. Eines der Forschungsziele ist es, den Zustand von Materie kurz nach dem Urknall verstehen zu lernen.

Wie der 26 Meter lange und 16 Meter hohe ALICE-Detektor funktioniert, können Physik-interessierte Schülerinnen und Schüler jetzt in einem Online-Kurs erfahren, indem sie den Detektor nachbauen, maßstäblich und mit Lego-Bausteinen. Ähnliche Detektor-Nachbauten gab es in der Vergangenheit bereits für zwei weitere große CERN-Detektoren; das Modell für ALICE sollen die Teilnehmer*innen jetzt gemeinsam entwickeln und dabei lernen, wie das große ALICE-Original funktioniert und wie mit dem Detektor Forschungsfragen beantwortet werden können.

Unterstützt werden sie dabei von Physiker*innen der Goethe-Universität Frankfurt, der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und weiteren Forschenden aus dem deutschen ALICE-Netzwerk, die Wissen über Teilchenphysik und das ALICE-Experiment, über Detektortechnologie und die Zusammenarbeit in einer Forschungskollaboration vermitteln und auch für Fragen zu Studium und Beruf zur Verfügung stehen.

Start:
18. Januar 2021, 16:00 Uhr

Anmeldung:
ALICE-Klemmbaustein-Workshop

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• Large Hadron Collider

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Quelle: WWU.

Im Rahmen der Aktionswoche „Woche der Teilchenwelt“ lädt das Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) physikinteressierte Schülerinnen und Schüler ab der 10. Klasse zu einem zweitägigen Online-Workshop ein. Die Initiative für diese Aktion geht von allen deutschen Standorten des ALICE-Experiments aus – auch die WWU ist an diesem Experiment im weltweit größten Forschungszentrum für Teilchenphysik (CERN, Genf) beteiligt. Der Online-Workshop findet am 5. und 6. November 2020 jeweils von 14 bis 18 Uhr statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist ab sofort über die Website der „Woche der Teilchenwelt“ möglich.

Zum Hintergrund: Im CERN treffen Blei-Atomkerne mit unvorstellbarer Wucht aufeinander – damit entstehen Bedingungen wie in den ersten Augenblicken des Universums. Die Workshop-Teilnehmer blicken mit Forschern in die Geburtsstunde des Kosmos‘ und erfahren mehr über die Grundbausteine der Materie und über die Kräfte, die im Universum wirken. Neben Vorträgen findet eine Live-Führung sowie eine Auswertung echter Daten am eigenen Computer statt.

Weitere Informationen:
Workshop-Programm
Woche der Teilchenwelt

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• Urknall

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Quelle: Universität Bern.

Bei den Polarlichtern auf der Erde bewegen sich elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes entlang des irdischen Magnetfeldes. Diese treffen bei hohen Breitengraden auf Atome und Moleküle des Stickstoffs und des Sauerstoffs der oberen Erdatmosphäre und bringen diese dabei zum Leuchten. Solche oder ähnliche Aurora-Phänomene wurden aber auch bei anderen Planeten und deren Monden entdeckt. Wie ein internationales Team heute im Fachjournal Nature Astronomy berichtet, konnte das Phänomen nun auch beim Kometen Chury nachgewiesen werden. Auch bei Chury sind für die Aurora die Teilchen des Sonnenenwindes verantwortlich, die auf das Gas um den Kometen, die sogenannte Koma, treffen. «Das dabei entstehende Leuchten ist einzigartig», sagt Marina Galand vom Imperial College London, Hauptautorin der Studie. «Es wird durch einen Mix von Prozessen verursacht, welche auf der Erde, dem Mars aber auch bei den Jupitermonden beobachtet werden.»

Erstmals Aurora im ultravioletten Bereich bei einem Kometen beobachtet
Die Forschenden konnten dank der Analyse von Daten der Rosetta-Mission der Europäischen Weltraumbehörde ESA nachweisen, dass im Fall von Chury Sonnenwind-Elektronen zum Kometen hin beschleunigt werden und dort auf das Gas in der Koma treffen. «Da dieser Prozess sehr energiereich ist, ist auch das daraus resultierende Leuchten energiereich und daher im ultravioletten Bereich, der für das menschliche Auge unsichtbar ist», wie Martin Rubin, Mitautor der Studie vom Physikalischen Institut der Universität Bern, erklärt.

Diese UV-Emissionen waren zwar bereits früher bei Chury beobachtet worden. Damals hatte man aber fälschlicherweise angenommen, dass diese Emmissionen durch Teilchen des Sonnenlichts, sogenannte Photonen, verursacht werden, ähnlich dem sogenannten Nachthimmelsleuchten auf der Erde. «Unsere Analyse der Rosetta-Daten hat aber gezeigt, dass beim Kometen Chury Sonnenwind-Elektronen der Grund für das Leuchten sind und eben nicht Photonen, wie bislang angenommen», so Galand weiter.

«Rosetta ist die erste Mission die eine Aurora im UV-Bereich bei einem Kometen beobachtet hat», sagt Matt Taylor, wissenschaftlicher Projektleiter bei der ESA. «Aurora sind grundsätzlich schon spannend, wenn man aber so etwas zum ersten Mal beobachten und die Details studieren kann, ist es noch viel aufregender.».

Daten zur Gaszusammensetzung aus Bern
«Die Analyse war kompliziert und bedurfte Daten verschiedener Instrumente», erklärt Kathrin Altwegg, Leiterin des Instruments ROSINA, dem Massenspektrometer der Universität Bern, welches an Bord der ESA-Raumsonde Rosetta Daten des Kometen Chury gesammelt hatte und so unter anderem Informationen zur Zusammensetzung und der Dichte der Koma geliefert hatte. Die Studie sei ein Beleg dafür, dass unser Verständnis vertieft und neue Erkenntnisse gewonnen werden können, wenn Daten verschiedener Teams, Instrumente und Computermodelle herangezogen werden. «Und dies auch Jahre nach dem offiziellen Ende der Mission 2016 mit dem kontrollierten Absturz der Rosetta-Sonde auf die Oberfläche des Kometen Chury», so Altwegg weiter.

So analysierten die Forschenden um Marina Galand für die aktuelle Studie neben Daten des Rosetta Orbiter Spektrometers für Ionen- und Neutralgas Analyse (ROSINA) solche des Alice UV Spektrographen, des Ionen- und Elektronen Spektrometers (IES) sowie der Langmuir-Sonde (LAP) des Rosetta Plasma Consortiums (RPC), des Mikrowellen Instruments für den Rosetta Orbiter (MIRO) und des Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectromters (VIRTIS).

Aurora als Werkzeug zur Beobachtung des Sonnenwindes
Aurora-Phänomene werden in den unterschiedlichsten Umgebungen in unserem Sonnensystem und auch darüber hinaus beobachtet. «Ein Magnetfled wie auf der Erde wird dazu aber nicht benötigt, der Komet Chury hat selber nämlich keines», erklärt Martin Rubin. Das Aurora-Phänomen bei Chury ist deswegen diffuser als auf der Erde. «Die Beobachtung kometärer Aurora-Phänomene haben durchaus einen ästhetischen Wert. Darüber hinaus könnten die UV-Bobachtungen dereinst von der Erde aus aber auch Rückschlüsse zum Sonnenwind bei eben diesen Kometen bringen – auch ohne dass dabei eine Raumsonde wie Rosetta vor Ort sein muss», wie Martin Rubin erklärt.

Angaben zur Publikation:
M. Galand, P. D. Feldman, D. Bockelée-Morvan, N. Biver, Y.-C. Cheng, G. Rinaldi, M. Rubin, K. Altwegg, J. Deca, A. Beth, P. Stephenson, K. L. Heritier, P. Henri, J. Wm. Parker, C. Carr, A. I. Eriksson, J. Burch: Far-ultraviolet aurora identified at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Nature Astronomy, 21.09.2020.

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• Rosetta – wissenschaftliche Instrumente und Ergebnisse

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, JPL, Astronomy & Astrophysics.Vertont von Peter Rittinger.

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem weiteren Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems dabei intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten aus Entfernungen zwischen acht bis hin zu einigen hundert Kilometern.

Bei einem der dabei zum Einsatz kommenden Instrumente handelt es sich um ein abbildendes Spektrometer namens „ALICE“, welches in erster Linie die chemische Zusammensetzung der Koma des Kometen 67P im ultravioletten Wellenlängenbereich analysieren soll. Dies beinhaltet unter anderem Messungen zur Bestimmung der Häufigkeit der Edelgase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon. Aus den relativen Häufigkeiten dieser Gase lassen sich Informationen über die Umgebungstemperatur zum Zeitpunkt der Kometenentstehung ableiten. Des weiteren sucht ALICE in der Kometenkoma nach atomarem oder ionisiertem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff sowie nach signifikanten Molekülverbindungen wie Wasser, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Eine ausführlichere Beschreibung des ALICE-Spektrometers finden Sie auf dieser Internetseite der ESA in englischer Sprache.

Zweistufige Aufspaltung der Gasmoleküle in der Koma
Ein von Paul D. Feldman, Professor für Physik und Astronomie an der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore im US-Bundesstaat Maryland, geleitetes Team hat jetzt die Prozesse untersucht, welche zu dem rapiden Zerfall von Wasser- und Kohlenstoffdioxidmolekülen in der Koma des Kometen 67P führen. Hierfür analysierte das Team die Daten, welche von dem ALICE-Instrument zwischen August und November 2014 gewonnen wurden. In diesem Zeitraum umkreiste die Raumsonde Rosetta den Kometen 67P in Entfernungen zwischen lediglich acht bis hin zu etwa 80 Kilometern zu dessen Oberfläche.

Mit dieser Studie analysierten die beteiligten Wissenschaftler somit realtiv ’nahe am Kometenkern‘ die Emissionen von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, welche durch die Aufspaltung von Wassermolekülen freigesetzt werden. Ebenfalls untersucht wurden die ursprünglich in Kohlenstoffdioxidmolekülen enthaltenen Kohlenstoffatome. Dabei stellte sich heraus, dass die zugrunde liegenden Moleküle in einem zweistufigen Prozess aufgebrochen werden. Letztendlich werden die von dem Kometen 67P abgegebenen Gasmoleküle jedoch durch Elektronen und nicht – wie es bislang allgemein angenommen wurde – durch solare Photonen aufgespalten.

Zunächst trifft laut dieser Studie ein von der Sonne ausgehendes Photon ein in der Kometenkoma befindliches Wassermolekül und ionisiert dieses. Im Rahmen dieses Vorganges löst das Photon ein Elektron aus dem ‚getroffenen‘ Molekül heraus. Erst diese freigesetzten Elektronen treffen anschließend auf weitere Wassermoleküle in der Koma. Durch die dabei erfolgende Energieübertrag werden die Moleküle in einzelne Molekülbruchstücke oder gänzlich in jeweils zwei Wasserstoff- sowie ein Sauerstoffatom aufgespalten. Alle so freigesetzten Molekülbruchstücke und Atome befinden sich jetzt in einem angeregten Zustand und geben ihre überschüssigen Energien dabei in Form von ultravioletter Strahlung ab, deren charakteristische Wellenlängen von dem ALICE-Instrument registriert werden können. Gleichermaßen führt der Aufprall eines Elektrons auf ein Kohlenstoffdioxidmolekül zu dessen Aufspaltung in einzelne Atome, was die ebenfalls von ALICE beobachteten Kohlenstoffemissionen verursacht.

„Durch die Analyse der relativen Intensitäten der von uns beobachteten atomaren Emissionen konnten wir feststellen, dass wir tatsächlich die ursprünglichen Moleküle beobachten, die von Elektronen in der unmittelbaren Nähe des Kometenkerns – lediglich etwa einen Kilometer von diesem entfernt – aufgebrochen werden“, so Prof. Paul Feldman.

Die größte Aktivität fand bisher in der ‚Halsregion‘ statt
„Durch die Analyse der Emissionen von Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, die von den Wassermolekülen abgespalten werden, können wir außerdem die Position und die Struktur der Wasserschwaden, die aus der Kometenoberfläche heraustreten, bestimmen“, so Joel Parker vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado und einer der an dieser Studie beteiligten Forscher.

Hierbei zeigte sich, dass zum Zeitpunkt der zugrunde liegenden ALICE-Messungen in erster Linie der schmale ‚Halsbereich‘, welcher die beiden Hauptkörper des Kometenkerns miteinander verbindet, Wasserdampf freisetzte. Diese Beobachtung konnte durch die Aufnahmen der an Bord von Rosetta befindlichen Kamerasysteme sowie mit den Instrumenten MIRO, ROSINA, VIRTIS und RPC-IES bestätigt werden. Die Freisetzung von Wasserdampf erfolgt laut den Messergebnissen anscheinend kontinuierlich und weist keine größeren Schwankungen auf. Die Freisetzungsraten von Kohlenstoffdioxid variiert dagegen zeitlich.

„Diese frühen Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, einen Kometen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und mit unterschiedlichen Technologien zu untersuchen, um so verschiedene Aspekte der Kometenumwelt zu erforschen“, so Matt Taylor, der für die Rosetta-Mission zuständige Projektwissenschaftler der ESA. „Wir verfolgen derzeit, wie sich der Komet entwickelt, während er auf seinem Orbit der Sonne immer näher kommt, bis er im August sein Perihel erreicht. Wir sehen, wie die Schwaden wegen der zunehmenden Sonnenwärme immer aktiver werden und untersuchen die Auswirkungen der Interaktion des Kometen mit dem Sonnenwind.“

Während der vergangenen Monate konnten die an der Rosetta-Mission beteiligten Wissenschaftler eine durch die fortschreitende Annäherung an die Sonne bedingte kontinuierlich zunehmende Aktivität des Kometen 67P beobachten. Obwohl es noch etwa zwei Monate dauern wird, bis 67P auf seiner Umlaufbahn um die Sonne am 13. August 2015 in einer Entfernung von etwa 186 Millionen Kilometern zur Sonne das Perihel – den Punkt der dichtesten Annäherung an das Zentralgestirn unseres Sonnensystems – durchlaufen wird, ist der Komet bereits jetzt von einer deutlich erkennbaren Koma aus Gas und Staubpartikeln umgeben.
Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse über die Molekülaufspaltung in der Koma des Kometen 67P wurden von Prof. Paul Feldman et al. am 2. Juni 2015 in der Fachzeitschrift Astronomy and Astrophysics unter dem Titel „Mesaurements of the near-nucleus coma of Comet 67/P Churyumov-Gerasimenko with the Alice far-ultraviolet spectrograph on Rosetta“ publiziert.

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Fachartikel von Paul D. Feldman et al.:

• Mesaurements of the near-nucleus coma of Comet 67/P Churyumov-Gerasimenko with the Alice far-ultraviolet spectrograph on Rosetta (PDF, Volltext, engl.)

Der Beitrag Rosetta untersucht die Koma des Kometen 67P erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2014, JPL, ESA.

Nach einem mehr als zehn Jahre andauernden Flug durch unser Sonnensystem erreichte die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Rosetta am 6. August 2014 das finale Ziel ihrer Reise – den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Seitdem ‚begleitet‘ Rosetta diesen Kometen auf seinem Weg in das innere Sonnensystem und untersucht dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems intensiv mit elf wissenschaftlichen Instrumenten.

Bei einem dieser Instrumente handelt es sich um das abbildende UV-Spektrometer ALICE, dessen Aufgabe darin besteht, die Zusammensetzung des Kerns und der Koma von 67P sowie den wissenschaftlichen Zusammenhang zwischen diesen beiden Bestandteilen eines Kometen zu ermitteln. Hierzu führt das Instrument Messungen im Bereich des fernen und des extremen ultravioletten Strahlungsbereiches bei 205 beziehungsweise bei 70 nm durch.

Dabei soll ALICE sowohl in der Koma als auch im Schweif von 67P gezielt nach den Edelgasen Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon suchen. Die Bestimmung der relativen Häufigkeiten dieser Gase ermöglichen den Wissenschaftlern Rückschlüsse auf die Umgebungstemperatur, welche zum Zeitpunkt der Entstehung des Kometen vor etwa 4,6 Milliarden Jahren geherrscht hat. Gleichzeitig ist es auf diese Weise möglich, mehr über die weitere thermische Entwicklung des Kometen in Erfahrung zu bringen.

Das Instrument soll im Rahmen seiner Messungen zudem die – zeitlich und räumlich variierenden – Freisetzungsraten von Wasser, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid ermitteln und die Verteilung von Gas- und Staubpartikeln in der Koma und im Schweif bestimmen. Außerdem sucht das Instrument gezielt nach atomaren oder ionisierten Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff. Aus diesen Daten können Informationen über die chemische und mineralogische Zusammensetzung des Kometenkerns abgeleitet werden. Des weiteren kann ALICE genutzt werden, um die Oberfläche des Kometen im ultravioletten Spektralbereich abzubilden.

Die Oberfläche des Kometen: Schwärzer als Holzkohle…
ALICE nahm nach dem Abschluss einer ausführlichen Kalibrierungsphase den wissenschaftlichen Betrieb zeitgleich mit der Ankunft der Raumsonde Rosetta bei ihrem Zielkometen auf. Im fernen UV-Bereich – so das Ergebnis der ersten Messungen – erscheint die Oberfläche von 67P ungewöhnlich dunkel und ist „schwärzer als Holzkohle“.

…und frei von Eis
Ebenfalls auffallend an der Kometenoberfläche ist, dass dort bisher – entgegen den eigentlichen Erwartungen der Kometenforscher – keine größeren zusammenhängenden Ablagerungen von Wassereis mit Durchmesser von mehr als 20 Metern entdeckt werden konnten. Eigentlich, so die Wissenschaftler, befindet sich 67P gegenwärtig noch zu weit von der Sonne entfernt, als dass das einfallende Sonnenlicht genügend Energie freisetzen kann, um auf der Oberfläche abgelagertes Eis komplett zu verdunsten.

Der durch diese dunklen Ablagerungen bedingte geringe Albedo-Wert von 67P, so eine mögliche Erklärung für das Fehlen von Oberflächeneis, führt dazu, dass ein Großteil der von der Sonne empfangenen Wärmestrahlung gespeichert wird, was wiederum zu einer relativ hohen Oberflächentemperatur führt. Die ALICE-Abbildungen der Kometenoberfläche bestätigen somit das Resultat einer ersten Temperaturmessung, welche bereits im Juli 2014 erfolgten (Raumfahrer.net berichtete).

Zudem konnte das ALICE in der sich mittlerweile gebildeten Koma des Kometen bereits eindeutige Signaturen von Wasserstoff und Sauerstoff nachweisen. Hierbei, so die Wissenschaftler, handelt es sich um die ‚Zerfallsprodukte‘ des Wasserdampfes, welcher in zunehmenden Umfang von der Kometenoberfläche ausgast und anschließend von der Ultraviolettstrahlung der Sonne in seine einzelnen atomaren Bestandteile aufgespalten wird.

Die an der Rosetta-Mission beteiligten Wissenschaftler wollen mit ALICE auch weiterhin nach Anzeichen für Wassereis und anderen flüchtigen Substanzen auf der Oberfläche des Kometen Ausschau halten und dort nach farblichen, chemischen und mineralogischen Variationen suchen, während sich die Raumsonde dem Kern von 67P noch weiter annähert und diesen dabei mit den abbildenden Instrumenten kartiert.
Die hier kurz angerissenen Forschungsergebnisse wurden am heutigen Tag auf dem European Planetary Science Congress, einer gegenwärtig in der Nähe von Lissabon stattfindenden Fachtagung der Planetenforscher, vorgestellt.

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EPSC 2014:

• Rosetta Special Session (engl.)
• Comets: Getting Ready for the Rosetta Mission (Oral Program) (engl.)
• Comets: Getting Ready for the Rosetta Mission (Poster Program) (engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter und Oliver Karger. Quelle: JPL, ESA, MPI für Sonnensystemforschung. Vertont von Peter Rittinger.

Nachdem am 20. Januar 2014 um 19:18 MEZ nach einem 957 Tage andauernden „Winterschlaf“ ein erstes Kommunikationssignal der von der Europäischen Weltraumagentur ESA betriebenen Raumsonde Rosetta das Kontrollzentrum am ESOC in Darmstadt erreichte (Raumfahrer.net berichtete live) konnte das Kontrollteam in einem nächsten Schritt zunächst eine stabile Zwei-Wege-Kommunikation etablieren und die volle Kontrolle über die Raumsonde gewinnen. Nach der Übermittlung der ersten Telemetriewerte von der Raumsonde begann das Kontrollteam mit der schrittweisen Wiederinbetriebnahme von Rosetta (Raumfahrer.net berichtete). In den kommenden Wochen und Monaten sollen zunächst sämtliche Hardwarekomponenten und die Instrumente der Raumsonde und des mitgeführten Kometenlanders Philae ausführlich getestet, kalibriert und anschließend aktiviert werden.

Drei der insgesamt 21 Instrumente, mit denen Rosetta und Philae das Ziel der Mission, den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko, in den kommenden Monaten eingehend untersuchen sollen, wurden von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA zu der Mission beigesteuert beziehungsweise unter maßgeblicher Beteiligung von US-amerikanischen Wissenschaftlern entwickelt.

• Das UV-Spektrometer ALICE wird in der Koma und dem Schweif des Kometen nach verschiedenen Edelgasen suchen, deren relative Menge und Verteilung Aussagen über die Umgebungstemperatur während der Entstehung des Kometen vor etwa 4,6 Milliarden Jahren ermöglichen wird. Das Instrument soll im Rahmen seiner Messungen zudem die Freisetzungsraten von Wasser, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid ermitteln. Aus diesen Daten können Informationen über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche des Kometenkerns abgeleitet werden.
• Das Instrument MIRO (kurz für „Microwave Spectrometer for the Rosetta Orbiter“), eine Kombination aus einem Spektrometer und einem Radiometer, wird nach leicht flüchtigen chemischen Elementen auf der Oberfläche und in der unmittelbaren Umgebung des Kometenkerns suchen und dabei deren Ausgasungsraten bestimmen. Außerdem soll mit dem MIRO die Temperatur des Komtenkerns ermittelt werden. Hierdurch sollen zusätzliche Informationen bezüglich der Zusammensetzung von Kern und Koma, zu der jeweils aktuellen kometaren Aktivität und zu physikalischen Eigenschaften der Kernoberfläche sowie von Gas- und Staubpartikeln in der Kometenkoma gewonnen werden.
• Der „Ion and Electron Sensor“ (kurz „IES“) ist Bestandteil eines aus fünf Einzelinstrumenten bestehenden Instrumentenpaketes namens RPC (kurz für „Rosetta Plasma Consortium“), welches verschiedene Ionen- und Elektronendetektoren sowie ein Magnetometer beinhaltet. Diese Geräte sollen die physikalischen Eigenschaften des Kerns und der Koma sowie die Wechselwirkungen zwischen der Kometenkoma und dem Sonnenwind untersuchen.

Die an diesen Instrumenten beteiligten Wissenschaftler bereiten sich derzeit darauf vor, mit der „Check-out-Phase“ für ihre Experimente zu beginnen, in deren Verlauf die Instrumente zunächst getestet und anschließend kalibriert werden sollen. Die finale Aktivierung dieser Instrumente soll Anfang März 2014 erfolgen. So wird die OSIRIS-Kamerasystem, dass im sichtbaren Bereich Aufnahmen vom Kometenkern anfertigen soll, am 17. März wieder eingeschaltet. Das bereits genannte UV-Spektrometer ALICE soll einen Tag später mit der „Check-out-Phase“ beginnen. Dabei wird das Spektrometer zunächst einige Male ein- und wieder ausgeschaltet, um die Funktionsfähigkeit des Speichers ausreichend zu testen. Der reguläre wissenschaftliche Betrieb soll dann im August aufgenommen werden.

„Die US-amerikanischen Wissenschaftler sind davon begeistert, dass die Rosetta-Mission ihnen die Gelegenheit bietet, einen Kometen auf diese bisher noch nie mögliche Art und Weise zu untersuchen“, so Claudia Alexander, die Rosetta-Projektmanagerin der NASA am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien. Rosetta wird im Sommer 2014 in einen Orbit um den Kometen eintreten und diesen anschließend auf seinem weiteren Weg durch das innere Sonnensystem bis zum Ende des Jahres 2015 zu begleiten. Hierbei ergibt sich die Gelegenheit, die zunehmende Aktivität des Kometen, welche durch die dabei erfolgende Annäherung an die Sonne bedingt ist, direkt vor Ort über mehrere Monate hinweg zu studieren.

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