Quelle: Universität Zürich 24. September 2024.

24. September 2024 – Der neue Standort im Innovationspark Zürich bietet die Chance, ein einzigartiges Weltraum-Ökosystem aufzubauen, das Forschung, Technologie und Wirtschaft verknüpft und den Weg für zukünftige Innovationen ebnet.

Die Erkundung des Weltraums hat das Wissen über das Universum, aber auch über die Erde und den Menschen in den letzten Jahrzehnten enorm erweitert. Treiber dahinter waren vornehmlich staatlich geförderte, internationale Kooperationen und heute zunehmend auch private Raumfahrtunternehmen. Der Kanton Zürich hat sich dieses Jahr zum Ziel gesetzt, seine Innovationskraft im Thema Raumfahrt zu stärken. «Mit ihrer Forschungsstärke, ihrer interdisziplinären Expertise und ihren internationalen Kooperationen ist die Universität Zürich prädestiniert, dazu einen entscheidenden Beitrag zu leisten», sagt Regierungsrätin Silvia Steiner anlässlich der Medienkonferenz zum UZH Space Hub. Dieser bündelt seit 2018 die Luft- und Raumfahrtaktivitäten der Universität Zürich (UZH) und ist vor kurzem in die Halle 4 im Innovationspark Zürich eingezogen.

Multiperspektivische Annäherung an den Weltraum
Die wichtigsten Forschungsschwerpunkte des UZH Space Hub umfassen Fernerkundung und Erdbeobachtung, Astrophysik, Space Life Science sowie die autonome Navigation von Drohnen. Einbezogen werden aber weit mehr als nur technische oder naturwissenschaftliche Fragen, sondern auch ethische, philosophische und theologische – selbst in den Filmwissenschaften ist das All Gegenstand von Forschung. «Die Vielfalt der Themen zeigt, dass der Weltraum und die Erde multiple Aspekte des menschlichen Daseins umfassen, mit denen sich Naturwissenschaftlerinnen ebenso wie Geistes- und Sozialwissenschaftler auseinandersetzen. Als grösste Schweizer Volluniversität möchten wir möglichst viele dieser Dimensionen in die Erkundung des Weltraums und der Erde einbringen und mittels interdisziplinärer Arbeit gewinnbringend verknüpfen», betont UZH-Rektor Michael Schaepman.

Blick auf die Erde und ins Universum
Dies geschieht etwa in der Fernerkundung, wo UZH-Forschende mittels modernster Sensortechnik auf Flugzeugen, Drohnen und Satelliten detaillierte Daten über Umweltbedingungen und atmosphärische Prozesse sammeln. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel Biodiversität quantifizieren oder die Veränderung in der Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften überwachen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, den menschlichen Einfluss auf regionale, aber auch globale Ökosysteme zu verstehen, und dienen als Basis, um Schutz- oder Anpassungsstrategien für Umwelt und Klima zu entwickeln. Dank dem direkten Zugang zum Flugplatz Dübendorf können die benötigten Sensoren und Daten gleich vor Ort verbessert und verarbeitet werden, bevor sie später in weiteren Forschungsprojekten oder Satelliten zum Einsatz kommen.

Die umgekehrte Blickrichtung – von der Erde ins All – nehmen UZH-Forschende in der Astrophysik ein. Sie ergründen die grossen Fragen des Universums: Wie entstehen und entwickeln sich Planeten, Sterne und Galaxien? Mit Beobachtungsdaten und Simulationen, unterstützt durch modernste Hochleistungsrechner, widmen sie sich den Rätseln um Dunkle Materie, Dunkle Energie und ihren Einfluss auf die Expansion des Kosmos. Über ihre Beteiligung an bedeutenden internationalen ESA- und NASA-Missionen wie EUCLID, LISA, ARRAKIHS oder JUNO tragen sie massgeblich zum Verständnis kosmologischer Phänomene sowie zur internationalen Vernetzung bei.

Der Weltraum als Werkstatt
In den Space Life Sciences wiederum ergründen Forschende des UZH Space Hub die fundamentalen Auswirkungen der Schwerkraft. Im Zuge des im Innovationspark Zürich initiierten Schweizer Parabelflugprogramms oder auf der International Space Station (ISS) erforschen sie, wie zelluläre und molekulare Prozesse unter Erd- und Mikrogravitationsbedingungen ablaufen und wie sich Schwerkraft auf Körperfunktionen und genetische Stabilität auswirkt. Dabei haben sie ein Verfahren entwickelt, das Schwerlosigkeit als hochwirksames Werkzeug einsetzt, um dreidimensionale Gewebe herzustellen. Auf der Erde gelingt dies ohne aufwändige Stützskelette nur zweidimensional. Das UZH-Spin-off Prometheus Life Technologies AG züchtet auf diese Weise aus adulten menschlichen Stammzellen sogenannte Organoide, die dereinst etwa in der Präzisions- und Transplantationsmedizin verwendet werden könnten.

Inkubator für Forschung, Technologie und Innovation
Jungunternehmen wie Prometheus Life Technologies können die Infrastruktur des UZH Space Hub mitnutzen: In der Halle 4 lassen sich Fluglabor-, Werkstatt- und Büroflächen mieten sowie Testungen in hochmodernen Labors durchführen. Letzteres ist für Start-ups besonders attraktiv, da die Einrichtung eines eigenen Labors die finanziellen Möglichkeiten meist weit übersteigt. «Der UZH Space Hub möchte einen Rahmen dafür schaffen, dass Wissen geteilt, Synergien genutzt und Neues erforscht, entdeckt und entwickelt werden kann», sagt Oliver Ullrich, Direktor des UZH Space Hub. Er ist überzeugt, dass der erdnahe Orbit mit dem Ende der ISS im Jahr 2030 im Zuge einer neuen Weltraumwirtschaft noch viel intensiver genutzt werden wird – nicht nur als Forschungs-, sondern auch als Produktionsstätte.

UZH-Forschung bildet Fundament einer Wertschöpfungskette
Die Integration in den Innovationspark Zürich mit bereits bestehendem Fokus auf Luft- und Raumfahrt, die Anbindung an den Flugplatz Dübendorf, dies alles in nächster Nähe zur Hochschul- und Wirtschaftsmetropole Zürich, wo sich neben der ETH Zürich weitere Institutionen und Firmen von Weltruf befinden, bietet laut Ullrich ein einzigartiges Setting, um ein Weltraum-Ökosystem zu entwickeln. Dieses soll weitere Akteure aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt anziehen: von Forschungsinstitutionen über Start-ups, KMUs bis hin zu etablierten und global agierenden Unternehmen aus den Bereichen Space und Aviation. «Die UZH legt mit ihren hervorragenden Forschungsleistungen ein stabiles Fundament und bildet dank ihrer starken Vernetzung zugleich ein Scharnier zwischen Wissenschaft und Entwicklung, Technologie und Wirtschaft», so Ullrich. «Wir sind Teil einer Wertschöpfungskette, indem wir Wissen generieren, weitergeben und über Innovationen schliesslich für die Gesellschaft nutzbar machen.»

Factsheet zum UZH Space Hub
https://www.news.uzh.ch/dam/jcr:4b81b6c2-7ef9-44c4-b093-08eaad8d83e7/Factsheet_SpaceHub.pdf

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• Raumfahrtaktivitäten an Universitäten

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Quelle: Universität Zürich 5. August 2024.

5. August 2024 – Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien ist eines der grössten Rätsel der Astronomie. Diese Objekte könnten entweder bereits früh im Universum mit grosser Masse entstanden sein oder im Laufe der Zeit durch das Ansammeln von Materie und durch die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern gewachsen sein. Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch ein anderes massereiches Schwarzes Loch verschlingt, entstehen Gravitationswellen, die sich als kleine Erschütterungen in der Raumzeit durch das Universum bewegen.

Detektion massereicher Schwarzer Löcher als Herausforderung
Vor knapp zehn Jahren gelang Astrophysikern zum ersten Mal der direkte Nachweis von Gravitationswellen, welcher der Astronomie ein neues Fenster ins Universum öffnete. Bisher konnten diese Gravitationswellen jedoch nur von relativ kleinen Schwarzen Löchern gemessen werden, die Überreste sterbender Sterne sind und somit das Endstadium schwerer Sterne darstellen. Das Erkennen der Signale von Paaren weitaus schwerer Schwarzer Löcher ist mit heutiger Technologie nicht möglich, da die Detektoren nicht empfindlich genug auf die extrem niedrigen Frequenzen dieser Gravitationswellen reagieren. Zukünftige Missionen wie die von der ESA geleitete LISA (Laser Interferometer Space Antenna) sollen dies ändern. Dennoch bleibt die Detektion der massereichsten Schwarzen Loch Paare eine grosse Herausforderung.

Hohe Frequenzen nutzen, um niedrigere Frequenzen zu messen
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung ehemaliger Studenten der Universität Zürich schlägt eine neuartige Methode vor, um Paare der grössten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien zu entdecken. Diese Methode nutzt die Analyse von Gravitationswellen kleiner nahegelegener Schwarzer Löcher, welche die Überreste sterbender Sterne sind. Diese neue Beobachtungstechnik erfordert einen Gravitationswellendetektor im Dezihertz-Bereich und könnte das Studium supermassereicher Schwarzer Löcher ermöglichen, die ansonsten unentdeckt bleiben würden.

«Unsere Idee funktioniert im Grunde wie das Hören eines Radiosenders. Wir schlagen vor, das Signal von Paaren kleiner Schwarzer Löcher ähnlich wie Radiowellen zu nutzen. Die supermassereichen Schwarzen Löcher verhalten sich dabei ähnlich wie die Radiomusik, die in Form einer Frequenzmodulation (FM) des empfangenen Signals übertragen wird», erklärt Jakob Stegmann, Hauptautor der Studie, die er als Gaststudent an der Universität Zürich begann und als Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astrophysik fortführte. «Das Neue an dieser Idee ist, hohe Frequenzen zu nutzen, die leicht zu erkennen sind, um niedrigere Frequenzen zu messen, die unsere Instrumente eigentlich nicht detektieren können.»

Ein Leuchtfeuer zeigt grössere Schwarze Löcher an
Aktuelle Ergebnisse dieser pulsar timing arrays unterstützen bereits die Existenz von verschmelzenden supermassereichen Schwarzen Loch-Paaren. Diese Beweise sind jedoch indirekt und resultieren aus dem kollektiven Signal vieler entfernter Paare, die effektiv ein Hintergrundrauschen erzeugen.

Die vorgeschlagene Methode zur Detektion einzelner supermassereicher Schwarzer Loch-Paare nutzt die subtilen Veränderungen, die sie in den von einem Paar nahegelegener kleiner Schwarzer Löcher emittierten Gravitationswellen verursachen. Diese wirken somit als eine Art Leuchtfeuer, das die Existenz der grösseren Schwarzen Löcher anzeigen. Durch die Erkennung der winzigen Modulationen in den Signalen der kleinen Schwarzen Löcher könnten Wissenschaftler selbst über grosse Entfernungen hinweg bisher verborgene Paare supermassereicher Schwarzer Löcher mit Massen von 10 Millionen bis 100 Millionen Sonnenmassen identifizieren.

Lucio Mayer, Mitautor der Studie und Theoretiker für Schwarze Löcher an der Universität Zürich, fügt hinzu: «Da der Weg für LISA nun feststeht, nachdem die ESA die Mission im letzten Januar bestätigt hat, muss die wissenschaftliche Gemeinschaft die beste Strategie für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren ausloten, insbesondere in welchem Frequenzbereich man sich konzentrieren sollte. Studien wie diese liefern eine starke Motivation, ein Detektordesign im Dezihertz-Bereich zu priorisieren.»

Publikation:
Stegmann J.; Zwick L.; Vermeulen S. M.; Antonini F.; Mayer L. Imprints of massive black-hole binaries on neighbouring decihertz gravitational-wave sources. Nature Astronomy, 5 August 2024. doi:10.1038/s41550-024-02338-0 (2024).
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02338-0.pdf

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• Gravitationswellen

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 13. Mai 2024.

13. Mai 2024 – Der νr-Prozess funktioniert, wenn neutronenreiches Material intensiver Neutrinobestrahlung ausgesetzt ist. Der theoretische Vorschlag, der kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, könnte die Lösung für ein seit langem bestehendes Problem im Zusammenhang mit der Produktion einer Gruppe seltener Isotope sein: Die sogenannten p-Kerne kommen im Sonnensystem vor, ihr Ursprung ist aber immer noch schlecht verstanden.

Fusionsprozesse in massereichen Sternen erzeugen Kerne bis hin zu Eisen und Nickel. Darüber hinaus werden die meisten stabilen schweren Kerne, wie Blei und Gold, durch langsame oder schnelle Neutroneneinfangprozesse erzeugt. Für die Produktion der übrigen, neutronenarmen Kerne wurde eine Vielzahl von Nukleosyntheseprozessen vorgeschlagen. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, die großen Mengen an ^92,94Mo, ^96,98Ru und ⁹²Nb im (frühen) Sonnensystem zu erklären.

Der νr-Prozess ermöglicht die gleichzeitige Produktion all dieser Kerne, da Neutrinos eine Reihe von Einfangreaktionen katalysieren. So funktioniert der Prozess: Der νr-Prozess findet in neutronenreichen Ausströmungen astrophysikalischer Explosionen statt, die anfangs, wenn die Temperaturen hoch sind, aus Neutronen und Kernen im Bereich von Eisen und Nickel bestehen. Wenn die Temperatur des Materials sinkt, werden schwerere Kerne aus leichteren Kernen durch eine Abfolge von Neutroneneinfang- und schwachen Wechselwirkungsprozessen erzeugt. Anders als beim schnellen Neutroneneinfangprozess, bei dem die schwachen Reaktionen Betazerfälle sind, handelt es sich beim νr-Prozess jedoch um Neutrino-Absorptionsreaktionen. Sobald die freien Neutronen aufgebraucht sind, werden die in den Kernen gebundenen Neutronen durch weitere Neutrinoabsorptionen in Protonen umgewandelt, wodurch Atomkerne nahe der Beta-Stabilitätslinie und sogar darüber hinaus erzeugt werden. Die Energie der Neutrinos ist groß genug, um Kerne in Zustände anzuregen, die durch die Emission von Neutronen, Protonen und Alphateilchen zerfallen. Die emittierten Teilchen werden von den schweren Kernen eingefangen. Dadurch wird eine Reihe von Einfangreaktionen ausgelöst, katalysiert durch Neutrinos, die die endgültigen Häufigkeiten der durch den νr-Prozess erzeugten Elemente bestimmen. Auf diese Weise können Neutrinos neutronenarme Kerne erzeugen, die sonst unerreichbar sind. „Unsere Entdeckung eröffnet eine neue Möglichkeit, die Entstehung von p-Kernen durch Neutrino-Absorptionsreaktionen mit Kernen zu erklären“, sagt Zewei Xiong, Wissenschaftler der GSI/FAIR-Abteilung „Nukleare Astrophysik und Struktur“ und korrespondierender Autor der Publikation.

Offen ist noch die Frage, in welcher Art stellarer Explosion der νr-Prozess auftritt. In ihrer Veröffentlichung schlagen die Autoren vor, dass der νr-Prozess in Material abläuft, das in einer Umgebung mit starken Magnetfeldern ausgestoßen wird, wie z. B. in magneto-rotierenden Supernovae, Kollapsaren oder Magnetaren. Dieser Vorschlag hat Astrophysiker*innen dazu veranlasst, nach den geeigneten Bedingungen zu suchen, und in der Tat wurde in einer ersten Veröffentlichung bereits berichtet, dass magnetisch getriebene Massenauswürfe die notwendigen Bedingungen erreichen.

Der νr-Prozess erfordert die Kenntnis von Neutrinoreaktionen und Neutroneneinfangreaktionen an Kernen, die sich auf beiden Seiten der Beta-Stabilitätslinie befinden. Die Messung der relevanten Reaktionen wird mit den einzigartigen Speicherringkapazitäten der GSI/FAIR-Anlage möglich werden.

Original-Publikation:
Production of p Nuclei from r-Process Seeds: The νr Process
Zewei Xiong, Gabriel Martínez-Pinedo, Oliver Just, and Andre Sieverding
Phys. Rev. Lett. 132, 192701 – Published 9 May 2024 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.192701
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.192701

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: AIP 6. März 2024.

6. März 2024 – Eine aktuelle Studie von Prof. Dr. Martin M. Roth (AIP) beschäftigt sich mit den wissenschaftlichen Auswirkungen neuartiger Instrumente und konzentriert sich dabei auf den 3D-Spektrograph MUSE am Very Large Telescope (VLT) der ESO von 2014 bis 2024.

Die Analyse zeigt, dass MUSE seit seiner Inbetriebnahme einen stetigen Anstieg an wissenschaftlichen Veröffentlichungen verzeichnet hat. Seit 2020 wurde MUSE sogar zum produktivsten Instrument des gesamten VLT-Instrumentensatzes!

Die Forschung hebt die Schlüsselrolle von MUSE in der extragalaktischen Astrophysik hervor und prophezeit, dass diese Entwicklung in den kommenden Jahren weiter an Dynamik gewinnen könnte. Insgesamt verdeutlicht der Fall von MUSE die positiven wissenschaftlichen Auswirkungen, die durch innovative Instrumente in der Astronomie erzielt werden können.

Als interessantes Detail der Auswertung fällt auf, dass unter den Anwendungsbereichen (vom Sonnensystem bis zu hochrotverschobenen Galaxien) ein Thema heraussticht: die Untersuchung extrem dichter Sternfelder in Sternhaufen und nahegelegenen Galaxien (grüne Balken in der Grafik). Diese Methode wurde im Rahmen der Doktorarbeit von Sebastian Kamann am AIP entwickelt [1] und mit dem Softwaretool PampelMuse 2013 erstmals publiziert [2]: eine weltweit einzigartige Innovation mit einem vielversprechenden Potenzial für zukünftige Anwendungen.

Referenzen:
[1] Dissertation Sebastian Kamann, Deutsche Nationalbibliothek
https://d-nb.info/1042331073/34

[2] Kamann, S., Wisotzki, L., Roth, M. M. 2013, “Resolving stellar populations with crowded field 3D spectroscopy”, A&A 549, 71

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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Quelle: Universität Bayreuth 5. Februar 2024.

5. Februar 2024 – Das Forschungsziel von Dr. Sebastian Wolfschmidt und Christopher Straub ist die Untersuchung der Struktur und des Langzeitverhaltens von Galaxien. „Da diese nicht vollständig durch astronomische Beobachtungen analysiert werden können, nutzen wir mathematische Modelle von Galaxien“, erklärt Christopher Straub, Doktorand am Lehrstuhl Mathematik VI an der Universität Bayreuth. „Um dabei zu berücksichtigen, dass die meisten Galaxien ein schwarzes Loch im Zentrum beinhalten, beruhen unsere Modelle auf Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, welche Gravitation als Krümmung einer vierdimensionalen Raumzeit beschreibt.“

Mathematiker und Astrophysiker erforschen seit Jahrzehnten die Eigenschaften solcher Galaxie-Modelle, wobei viele Fragen noch immer offen sind. Als Hilfsmittel zur Klärung dieser Fragen haben Straub und Wolfschmidt ein tiefes neuronales Netz implementiert, was einen komplett neuartigen Ansatz in diesem Forschungsbereich darstellt. Neuronale Netzwerke sind leistungsstarke Rechenmodelle, deren Struktur von der des menschlichen Gehirns inspiriert ist. Sie werden im Bereich der künstlichen Intelligenz genutzt, um komplexe Strukturen in großen Datenmengen zu erkennen.

„Das neuronale Netz kann vorhersagen, welche Modelle von Galaxien in der Realität existieren können und welche nicht“, sagt Dr. Sebastian Wolfschmidt, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Mathematik VI. „Das neuronale Netz liefert dabei eine bedeutend schnellere Vorhersage als die in der Vergangenheit verwendeten numerischen Simulationen. So lassen sich astrophysikalische Hypothesen, die über die vergangenen Jahrzehnte aufgestellt wurden, innerhalb weniger Sekunden verifizieren oder falsifizieren.“

Ihre Erkenntnisse haben Wolfschmidt und Straub nun in der Fachzeitschrift „Classical and Quantum Gravity“ vorgestellt. „Wir befassen uns seit 2019 am Lehrstuhl Mathematik VI in der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Gerhard Rein mit diesen Fragestellungen. Nach verschiedensten analytischen und numerischen Untersuchungen haben wir vor ungefähr einem Jahr erkannt, dass der Einsatz von maschinellem Lernen für einige unserer Probleme besonders hilfreich sein kann. Seitdem haben wir das beschriebene tiefe neurale Netz entwickelt, und haben auch bereits Pläne für weitere Einsatzmöglichkeiten ähnlicher Methoden“, sagt Straub.

Die Berechnungen der Bayreuther Mathematiker wurden vom Supercomputer des „Keylab HPC“ an der Universität Bayreuth durchgeführt und das Projekt entwickelte sich aus einer Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Angewandte Informatik II – Parallele und verteilte Systeme.

Veröffentlichung:
Straub, C., Wolfschmidt, S., Predicting the stability of star clusters in general relativity, Classical and Quantum Gravity (2024).
doi.org/10.1088/1361-6382/ad228a
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad228a
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad228a/pdf

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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]]> https://www.raumfahrer.net/mpe-neuer-roentgensatellit-soll-suche-nach-energiereichen-veraenderlichen-quellen-revolutionieren/ Tue, 09 Jan 2024 16:24:00 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=135576 Satellit von China aus gestartet. „Einstein Probe“ mit hochmodernen Röntgenspiegeln und -detektoren und großem Gesichtsfeld ausgestattet. Eine Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE). Quelle: MPE 9. Januar 2024. 9. Januar 2024 – Der Röntgensatellit „Einstein Probe“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wurde am 9. Januar 2024 erfolgreich vom Xichang Satellite Launch Center in […]

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]]> Satellit von China aus gestartet. „Einstein Probe“ mit hochmodernen Röntgenspiegeln und -detektoren und großem Gesichtsfeld ausgestattet. Eine Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE).

Quelle: MPE 9. Januar 2024.



9. Januar 2024 – Der Röntgensatellit „Einstein Probe“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wurde am 9. Januar 2024 erfolgreich vom Xichang Satellite Launch Center in China mit einer „Long March-2C“-Rakete gestartet. Unter maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) ist das Teleskop mit hochmodernen Röntgenspiegeln und -detektoren ausgestattet und wird eine neue Ära in der zeitaufgelösten Astrophysik bei hohen Energien einläuten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf sehr variablen und kurzlebigen Phänomenen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern und Neutronensternen in unserer Milchstraße und in fernen Galaxien.

Das wissenschaftliche Hauptziel der Einstein Probe ist die Erforschung des vergänglichen und veränderlichen Röntgenhimmels, indem starke Ausbrüche von hochenergetischem Licht aufgefangen werden, die von Objekten wie verschmelzenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern ausgehen. Im Gegensatz zu konventionellen Röntgenteleskopen kann die Einstein-Probe dank ihres einzigartigen Designs fast ein Zehntel des Himmels gleichzeitig überwachen. Sie wird damit viele Quellen entdecken, wenn sie im Röntgenbereich aufleuchten, und detaillierte Studien bekannter und neuer Himmelsphänomene über längere Zeiträume hinweg ermöglichen.

„Bislang war die Erforschung des veränderlichen Himmels im Röntgenbereich auf die wenigen hellsten Objekte beschränkt“, sagt Arne Rau, Astrophysiker am MPE und Mitglied des Einstein Probe Science Management Committee. „Mit dem Design und der Empfindlichkeit der Einstein Probe freue ich mich darauf, eine viel größere Anzahl von Ereignissen zu untersuchen, darunter auch die Signaturen von Sternen, die das Pech haben, von den supermassereichen schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien zerstört zu werden.“

Im Gegensatz zu den Sternen, die wir mit bloßem Auge sehen können, sind die meisten kosmischen Objekte, die im Röntgenlicht leuchten, sehr variabel. Sie werden ständig heller und dunkler, manchmal leuchten sie nur für kurze Zeit hell auf, bevor sie ganz verschwinden.

„Da die Einstein Probe den gesamten Himmel mit hoher Kadenz überwachen kann, ist sie eine Ergänzung zu anderen Röntgenmissionen wie eROSITA“, sagt Peter Friedrich, der den optischen Beitrag des MPE leitete. „Das Teleskop spielt eine entscheidende Rolle, eine Lücke der zeitaufgelösten Beobachtung in diesem Wellenlängenbereich zu schließen.“

Röntgenstrahlen werden insbesondere bei hochenergetischen Ereignissen ausgesandt, etwa bei Kollisionen zwischen Neutronensternen, bei Supernova-Explosionen, bei Sternen, die von massereichen Schwarzen Löchern zerrissen und verschlungen werden, oder von energiereichen Teilchen aus dem heißem Gas , das diese exotischen und geheimnisvollen Objekte umkreist. Die Einstein Probe wird unser Verständnis dieser kosmischen Ereignisse verbessern, indem sie neue Quellen entdeckt und die Variabilität von Objekten überwacht, die überall am Himmel im Röntgenlicht leuchten.

Darüber hinaus wird die Sonde dazu beitragen, unser Verständnis der Quellen zu verbessern, die Gravitationswellen aussenden. Wenn zwei sehr dichte, massereiche Objekte wie zwei Neutronensterne oder schwarze Löcher miteinander verschmelzen, erzeugen sie ein Gravitationswellensignal, das auf der Erde bereits mehrfach nachgewiesen wurde. Allerdings ist es oft schwierig, den Ort der Quelle zu bestimmen – am ehesten ist diese im Röntgenlicht zu erkennen, wenn dieser kosmische Crash von einem Lichtblitz begleitet wird. Die Einstein Probe kann routinemäßig neue Röntgenquellen aufspüren, schnell reagieren und in die Richtung zeigen, die bodengestützte Gravitationswellenexperimente vorgeben. Dies wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, diese kurzlebigen Ereignisse zu untersuchen und ihren Ursprung zeitnah zu identifizieren.



Entscheidend für den Erfolg der Einstein Probe sind ihre hochmodernen Instrumente – das Wide-Field X-ray Telescope (WXT) und das Follow-up X-ray Telescope (FXT), wobei letzteres eng dem Design des eROSITA-Röntgenteleskops folgt. Das MPE lieferte das „flight spare“ Spiegelmodul für das FXT und arbeitete mit ESA und Partnern aus der Industrie zusammen, um auch das zweite Spiegelmodul herzustellen.

Das WXT-Teleskop nutzt eine innovative „Hummeraugen-Optik“, mit der die Einstein Probe 3600 Quadratgrad des Himmels gleichzeitig erfassen kann – fast ein Zehntel der Himmelskugel in einer einzigen Einstellung. Diese Leistung ist entscheidend für die Überwachung des gesamten Nachthimmels alle 4,5 Stunden und bietet einen umfassenden Blick auf das Röntgenuniversum. Wenn WXT eine neue Röntgenquelle entdeckt, kann der Satellit innerhalb von Sekunden rotieren und das viel empfindlichere FXT für eine detailliertere Untersuchung darauf ausrichten. Die Kalibierung der beiden Teleskope für WXT und FXT fand in der PANTER-Testeinrichtung des MPE statt.



Das MPE steuerte auch die hochmodernen Detektoren von FXT bei. „Wir haben die CCD-Detektormodule auf der Grundlage unserer Erfahrungen mit der erfolgreichen eROSITA-Mission entwickelt“, sagt Norbert Meidinger, der am MPE für die Detektoren verantwortlich war. „Ihre hervorragende Zeitauflösung von 50ms im Standard-Beobachtungsmodus und sogar 2ms im Fenster-Modus kombiniert mit einer state-of-the-art Energieauflösung nahe der theoretischen Grenze sind für das Erreichen der wissenschaftlichen Ziele der Einstein Probe Mission unerlässlich.“

Die Einstein Probe ist eine Röntgenmission der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE). Als Gegenleistung für seinen Beitrag zur Entwicklung dieser Mission erhält das MPE direkten Zugang zu 10 % der Daten, die bei den Beobachtungen von Einstein Probe anfallen.

„Es war eine großartige Teamleistung, unsere eROSITA-Hardware an die Spezifikationen der neuen Mission anzupassen – unter den sehr schwierigen Bedingungen während der Pandemie“, fügt Peter Friedrich hinzu. „Wir sind sehr stolz darauf, Teil dieses spannenden Projekts zu sein und freuen uns auf viele Entdeckungen und wissenschaftliche Möglichkeiten am veränderlichen Röntgenhimmel.“

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• Aiyinsitan Tanzhen (Einstein Probe) auf CZ-2C

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]]> https://www.raumfahrer.net/uni-wien-wann-babysterne-fluegge-werden/ Thu, 23 Nov 2023 21:52:00 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=133821 Neue Methode der Altersbestimmung ermöglicht unerwartete Einblicke in Entstehung und Auseinanderdriften von jungen Sternen. Eine Pressemitteilung der Universität Wien. Quelle: Universität Wien 23. November 2023. 23. November 2023 – Eine Gruppe von Astrophysiker*innen unter der Leitung von Núria Miret-Roig von der Universität Wien fand heraus, dass zwei Methoden zur Bestimmung des Sternenalters unterschiedliche Dinge messen: […]

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]]> Neue Methode der Altersbestimmung ermöglicht unerwartete Einblicke in Entstehung und Auseinanderdriften von jungen Sternen. Eine Pressemitteilung der Universität Wien.

Quelle: Universität Wien 23. November 2023.



23. November 2023 – Eine Gruppe von Astrophysiker*innen unter der Leitung von Núria Miret-Roig von der Universität Wien fand heraus, dass zwei Methoden zur Bestimmung des Sternenalters unterschiedliche Dinge messen: Die isochrone Messung bestimmt dabei das Geburtsdatum von Sternen, während die dynamische Verfolgung Aufschluss darüber gibt, wann die Sterne „ihr Nest verlassen“, in den untersuchten Sternenhaufen etwa 5,5 Millionen Jahre später. Die Studie, die eine Bestimmung der frühesten Stadien des Lebens von Sternen ermöglicht, erscheint aktuell im Fachjournal „Nature Astronomy“.

Das Alter von Sternen ist in der Astrophysik ein grundlegender Parameter, aber dennoch relativ schwierig zu messen. Die besten Annäherungen gab es bisher für so genannte Sternenhaufen, also für Gruppen gleichaltriger Sterne mit einem gemeinsamen Ursprung. Sechs relativ nahe und junge Sternenhaufen wurden nun im Rahmen einer Studie am Institut für Astrophysik der Universität Wien hinsichtlich ihres Alters untersucht.

Dabei zeigte sich, dass zwei der verlässlichsten Methoden zur Bestimmung des Sternenalters – die isochrone Messung und die dynamische Rückverfolgung – systematisch und beständig auseinander lagen; konkret waren die Sterne laut der Methode der dynamischen Rückverfolgung jeweils rund 5,5 Millionen Jahre jünger als mit der isochronen Messung.

Wann die Uhr zu ticken beginnt
„Dies deutet darauf hin, dass die beiden Messmethoden unterschiedliche Dinge messen“, erklärt Núria Miret-Roig, Erstautorin der Studie, die aktuell in Nature Astronomy erscheint: Demnach beginnt die isochrone „Uhr“ ab dem Zeitpunkt der Sternenentstehung zu ticken, die „Uhr“ der dynamischen Rückverfolgung jedoch erst dann, wenn ein Sternhaufen nach dem Verlassen seiner Mutterwolke zu expandieren beginnt.

„Diese Erkenntnis hat erhebliche Auswirkungen auf unser Verständnis der Sternentstehung und der stellaren Entwicklung, einschließlich der Planetenbildung und der Entstehung von Galaxien, und eröffnet eine neue Perspektive auf die Chronologie der Sternentstehung. So kann die Länge der so genannten ‚eingebetteten Phase‘, während derer Babysterne innerhalb der elterlichen Gaswolke bleiben, abgeschätzt werden“, erklärt João Alves, Ko-Autor und Professor an der Universität Wien.



Messen, wie lange Babysterne im Nest bleiben
„Dieser Altersunterschied zwischen den beiden Methoden stellt ein neues und dringend benötigtes Werkzeug dar, um die frühesten Stadien im Leben eines Sterns zu quantifizieren“, so Alves. „Konkret können wir damit messen, wie lange die Baby-Sterne brauchen, bevor sie ihr Nest verlassen“.

Möglich wurden die Messungen durch die hochauflösenden Daten der Gaia-Sondenmission in Verbindung mit bodengestützten Radialgeschwindigkeiten (z. B. aus dem APOGEE-Katalog). „Diese Kombination erlaubt es uns, die Positionen der Sterne mit der Genauigkeit der 3D-Geschwindigkeiten bis zu ihrem Geburtsort zurückzuverfolgen,“ erklärt Miret-Roig. Neue und kommende spektroskopische Durchmusterungen wie WEAVE, 4MOST und SDSS-V werden diese Untersuchung für die gesamte Sonnenumgebung ermöglichen.

Rätselhafter Unterschied
„Astronom*innen verwenden isochrone Altersangaben, seit wir wissen, wie Sterne funktionieren, aber diese Altersangaben hängen von dem jeweiligen Sternmodell ab, das wir verwenden“, sagt Miret-Roig. „Die hochwertigen Daten des Gaia-Satelliten haben es uns nun ermöglicht, das Alter dynamisch, also unabhängig von den Sternmodellen, zu messen und wir waren begeistert, die beiden Uhren zu synchronisieren.“ Während der Berechnungen trat jedoch ein beständiger und rätselhafter Unterschied zwischen den beiden Altersbestimmungs-Methoden auf. „Und irgendwann kamen wir an einen Punkt, an dem wir die Diskrepanz nicht mehr auf Beobachtungsfehler schieben konnten – da wurde uns klar, dass die beiden Uhren höchstwahrscheinlich zwei verschiedene Dinge messen,“ so die Astrophysikerin.

Das Forschungsteam analysierte für die Studie sechs nahe gelegene und junge Sternenhaufen (bis zu 490 Lichtjahre entfernt und 50 Millionen Jahre alt). Dabei zeigte sich, dass die Zeitskala der eingebetteten Phase rund 5,5 Millionen Jahre beträgt (plus/minus 1,1 Millionen Jahre) und von der Masse des Sternenhaufens und der Menge der stellaren Rückkopplung abhängen könnte.

Die Anwendung dieser neuen Technik auf andere junge und nahe der Sonne gelegenen Sternenhaufen verspricht neue Einblicke in die Sternentstehung und das Auseinanderdriften der Sterne, hofft Miret-Roig: „Unsere Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Forschung im Bereich der Sternentstehung und bietet ein klareres Bild davon, wie sich Sterne und Sternhaufen entwickeln. Das ist ein wichtiger Schritt in unserem Bestreben, die Entstehung der Milchstraße und anderer Galaxien zu verstehen.“

Originalpublikation:
Núria Miret-Roig, João Alves, David Barrado, Andreas Burkert, Sebastian Ratzenböck & Ralf Konietzka: Insights into star formation and dispersal from the synchronisation of stellar clocks. In: Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-023-02132-4
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02132-4

Die Publikation wurde von der Europäischen Union (ERC, ISM-FLOW, 101055318, PI: J. Alves) mitfinanziert. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autor*innen und spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Union oder des Europäischen Forschungsrats wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.

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• Sternentwicklung

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]]> https://www.raumfahrer.net/zentralstern-eines-planetarischen-nebels-gibt-details-aus-seinem-leben-preis/ Wed, 11 Oct 2023 21:47:00 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=132147 Forschungsteam der Universität Tübingen nutzt den offenen Sternhaufen Messier 37 als Himmelslabor zur Bestimmung der Sternentwicklung und der Messung seines Masseverlusts. Eine Pressemitteilung der Eberhard Karls Universität Tübingen. Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 11. Oktober 2023. 11. Oktober 2023 – Sonnenähnliche Sterne beenden ihr Leben als Weißer Zwerg. Manche davon sind von einem planetarischen Nebel […]

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]]> Forschungsteam der Universität Tübingen nutzt den offenen Sternhaufen Messier 37 als Himmelslabor zur Bestimmung der Sternentwicklung und der Messung seines Masseverlusts. Eine Pressemitteilung der Eberhard Karls Universität Tübingen.

Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen 11. Oktober 2023.



11. Oktober 2023 – Sonnenähnliche Sterne beenden ihr Leben als Weißer Zwerg. Manche davon sind von einem planetarischen Nebel umgeben, der aus Gas besteht, das der sterbende Stern kurz vor seinem Tod abgestoßen hat. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Professor Klaus Werner vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen untersuchte jetzt erstmals einen Zentralstern eines planetarischen Nebels, der sich in einem offenen Sternhaufen befindet. Die Forscherinnen und Forscher konnten die Masse, die der Zentralstern im Laufe seines Lebens verloren hat, exakt bestimmen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

In unserer Milchstraße gibt es mehr als tausend offene Sternhaufen. Jeder von ihnen umfasst eine Ansammlung von bis zu einigen Tausend Sternen, die gleichzeitig aus einer dichten Wolke von Gas und Staub entstanden sind. „Dass die Sterne eines Haufens alle das gleiche Alter haben, hat für die Astrophysik eine besondere Bedeutung“, berichtet Klaus Werner. Sie unterschieden sich lediglich in ihrer Masse. „Je massereicher ein Stern ist, desto schneller verbraucht er seinen Kernbrennstoff durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Desto kürzer ist auch sein Leben und desto schneller die Entwicklung zum Weißen Zwerg“, erklärt er.

Momentaufnahme der Entwicklung
Die Beobachtung eines Sternhaufens zeige wie ein Schnappschuss, wie weit entwickelt Sterne unterschiedlicher Masse im jeweils gleichen Alter zu einem bestimmten Zeitpunkt sind, sagt Werner: „In der Astronomie lassen sich Sternhaufen als eine Art Labor nutzen, in dem wir messen können, wie zuverlässig unsere Theorien der Sternentwicklung sind.“ Eine der größten Unsicherheiten in der Theorie der Sternentwicklung sei bisher die Frage, wie viel Materie ein Stern im Laufe seines Lebens verliert. Dieser Massenverlust sei erheblich. „Sterne wie unsere Sonne verlieren knapp die Hälfte ihrer Masse, bis sie sich zum Weißen Zwerg entwickelt haben. Sterne mit der achtfachen Masse der Sonne verlieren sogar rund 80 Prozent ihrer Masse“, sagt der Astrophysiker. Die Beziehung zwischen der Geburtsmasse der Sterne und der Masse zum Zeitpunkt des Todes als Weißer Zwerg bezeichnet man in der Astronomie als die Anfangs-Endmassen-Relation.

Die Masse von Weißen Zwergen in Sternhaufen könne bei der Beobachtung direkt mit der Masse in Beziehung gesetzt werden, die diese bei ihrer Geburt hatten, berichtet Werner: „Ganz besonders aussagekräftig sind die Daten sehr junger Weißer Zwerge, genau das sind Zentralsterne planetarischer Nebel.“ Man kenne bisher nur drei Sternhaufen, die einen planetarischen Nebel enthalten. „Bisher war noch keiner von deren Zentralsternen untersucht worden, weil sie alle sehr weit entfernt und lichtschwach sind.“



Spezielle chemische Zusammensetzung
Das Forschungsteam hat nun eines der größten Teleskope der Welt, das Zehn-Meter-Teleskop GRANTECAN auf der Kanareninsel La Palma, auf den Zentralstern im Sternhaufen Messier 37 gerichtet und dessen Spektrum analysiert. Die Masse wurde auf 0,85 Sonnenmassen bestimmt und die ursprüngliche Masse auf 2,8 Sonnenmassen. „Der Stern hat also im Laufe seines Lebens 70 Prozent seiner Materie verloren“, erklärt Werner. Eine weitere Besonderheit sei seine spezielle chemische Zusammensetzung. Er habe keinen Wasserstoff mehr an der Oberfläche, was auf ein ungewöhnliches Ereignis in seiner jüngsten Vergangenheit hindeute: ein kurzzeitiges Wiederaufflammen der Kernfusion.

Die genaue Kenntnis der Anfangs-Endmassen-Relation ist von fundamentaler Bedeutung in der Astrophysik, sagt Werner. Sie entscheide darüber, ob ein Stern sich zum Weißen Zwerg entwickelt, in einer Supernova-Explosion zum Neutronenstern wird oder gar ein schwarzes Loch als Endstadium übrigbleibt. „Andererseits werden aus der ausgestoßenen Materie neue Sterngenerationen gebildet, die mit schweren Elementen als Produkte von Kernreaktionen angereichert sind. Davon hängt die chemische Entwicklung von Galaxien und letztendlich des gesamten Universums ab.“

Originalpublikation:
K. Werner, N. Reindl, R. Raddi, M. Griggio, L.R. Bedin, M.E. Camisassa, A. Rebassa-Mansergas, S. Torres, P. Goodhew: The unusual planetary nebula nucleus in the Galactic open cluster M37 and six further hot white dwarf candidates. Astronomy & Astrophysics, doi.org/10.1051/0004-6361/202347217.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/10/aa47217-23/aa47217-23.html,
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/10/aa47217-23.pdf;

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• Planetarische Nebel

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]]> Untertageblick ins Sonnenfeuer – Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 11. Oktober 2023.



11. Oktober 2023 – Die nukleare Astrophysik untersucht die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit. Ihre Modelle verwenden Parameter, die die Forschenden aus Messdaten gewinnen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Kernreaktionen, die im Inneren der Sterne ablaufen. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun gemeinsam mit Forschenden aus Italien, Ungarn und Schottland am Dresdner Felsenkeller- Beschleuniger erneut eine der zentralen Reaktionen untersucht – mit einem überraschenden Ergebnis, wie sie im Fachmagazin Physical Review C (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801) berichten.

„Wir haben eine altbekannte Kernreaktion unter die Lupe genommen, die für die Elemententstehung in massereichen Sternen bedeutsam und darüber hinaus eine der frühesten ist, die im Labor mit Beschleunigern untersucht wurde: Die Kollision eines Wasserstoffkerns mit einem Kohlenstoffkern, in deren Folge das Isotop Stickstoff-13 entsteht und Gammastrahlung freigesetzt wird. Sie ist der erste Schritt des sogenannten CNO-Zyklus, auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bekannt. Wir waren vor allem am Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt“, sagt Prof. Daniel Bemmerer vom HZDR-Institut für Strahlenphysik.

Diesen Parameter hat ein Team aus italienischen, ungarischen, schottischen und deutschen Wissenschaftler*innen im Untertagelabor Felsenkeller nun mit bisher beispielloser Präzision bestimmt. Das überraschende Ergebnis: der bisher akzeptierte Wert muss um rund 25 Prozent nach unten korrigiert werden. Das Ergebnis legt nahe, dass das Einbrennen des CNO-Zyklus länger gedauert hat als bisher gedacht und die Emission solarer 13N-Neutrinos im Mittel näher am Zentrum der Sonne stattfindet als vermutet. Die neuen Daten erlauben zudem genauere theoretische Vorhersagen für das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 12C/13C in Sternen, die wiederum helfen, Modelle für die Vorgänge in deren Innerem zu überprüfen und zu verbessern.

Die Sonne ins Labor holen – en miniature
Sterne beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Abhängigkeit der Masse des Himmelskörpers sind dafür unterschiedliche Prozesse bekannt. So läuft in massearmen Sternen wie unserer Sonne vor allem die sogenannte Proton-Proton-Kette ab. In massereichen Sternen pressen die starken Gravitationskräfte die Wasserstoffkerne jedoch so sehr zusammen, dass hier deutlich höhere Temperaturen herrschen. Dadurch können die Wasserstoffkerne zusätzlich mit Kohlenstoffkernen reagieren. Obwohl diese keine zwei Prozent der interstellaren Materie ausmachen, aus der Sterne entstehen, reicht diese Konzentration aus, um den CNO-Zyklus in Gang zu bringen und am Laufen zu halten. Sie wirken dabei als Katalysator: Sie beschleunigen die Reaktion, ohne jedoch selbst dabei verbraucht zu werden. Die Netto-Reaktion ist am Ende die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus: die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Doch in Sternen mit CNO-Zyklus läuft diese Reaktion wesentlich schneller ab.

„Als Targets verwenden wir Scheiben aus Tantal, auf die Kohlenstoff aufgedampft ist. Darauf schießen wir Protonen, die aus unserem 5-MV-Pelletron-Beschleuniger stammen und einen relativ weiten Energiebereich überstreichen. Die bei der Reaktion entstehenden Gammaquanten können wir mit 20 empfindlichen Reinstgermanium-Detektoren nachweisen“, schildert Bemmerer das experimentelle Vorgehen.

Das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betriebene Untertagelabor Felsenkeller im Plauenschen Grund ist für solche Messungen optimal. Eine 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei schützt die Detektoren vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Die aktuelle Arbeit ist darüber hinaus ein gutes Beispiel für die innereuropäische Zusammenarbeit in der Astrophysik-Community: Ein Doktorand der Universität Padua forschte während des Experiments für sechs Monate am Felsenkeller. Die Teilnahme weiterer Messgäste aus Italien, Ungarn und Schottland wurde von der EU im Rahmen des Projekts „ChETEC-INFRA“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
J. Skowronski, E. Masha, D. Piatti, M. Aliotta, H. Babu, D. Bemmerer, A. Boeltzig, R. Depalo, A. Caciolli, F. Cavanna, L. Csedreki, Z. Fülöp, G. Imbriani, D. Rapagnani, S. Rümmler, K. Schmidt, R. S. Sidhu, T. Szücs, S. Turkat, A. Yadav: „Improved S factor of the 12C(p,γ)13N reaction at E=320–620 keV and the 422 keV resonance“, in Physical Review C 107, (2023) (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801)
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.107.L062801

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• Unsere Sonne

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]]> Neue Computersimulationen verfolgen die Entstehung von Galaxien und die Entwicklung der großräumigen Struktur des Kosmos mit bisher unerreichter statistischer Präzision. Eine Pressemitteiliung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Ein internationales Astrophysik-Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland, der Harvard University in den USA und der Durham University im Vereinigten Königreich hat den ehrgeizigen Versuch unternommen, gleichzeitig die Entstehung von Galaxien und die großräumige Struktur im Kosmos in erstaunlich großen Regionen des Weltalls zu simulieren. Ihre Simulationen berücksichtigen zudem die geisterhaften Neutrinos und könnten dazu beitragen, die Masse dieser Elementarteilchen einzugrenzen. Die ersten Ergebnisse des „MillenniumTNG“-Projekts wurden soeben in einer Reihe von 10 Artikeln in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die neuen Rechnungen tragen dazu bei, das kosmologische Standardmodell einem Präzisionstest zu unterziehen und die meisten Informationen aus den bevorstehenden kosmologischen Beobachtungen herauszuholen.



In der Kosmologie hat sich in den letzten Jahrzehnten die verblüffende Annahme etabliert, dass die Materie im Universum von einer rätselhaften ‚Dunklen Materie‘ dominiert wird und dass ein noch seltsameres Feld aus ‚Dunkler Energie‘ als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt, und die Expansion des heutigen Kosmos beschleunigt. Die gewöhnliche baryonische Materie trägt mit weniger als 5 % zum kosmischen Gemisch bei, dennoch bildet sie die Grundlage für die Sterne und Planeten in Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Dieses seltsam anmutende kosmologische Modell wird LCDM genannt. Es liefert eine hartnäckig erfolgreiche Beschreibung einer Vielzahl von Beobachtungsdaten: von der kosmischen Mikrowellenstrahlung – der Restwärme, die der heiße Urknall hinterlassen hat – bis hin zum „kosmischen Netz“, in dem die Galaxien entlang eines verschlungenen Netzes mit Filamenten aus Dunkler Materie angeordnet sind.

Die tatsächliche physikalische Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist jedoch immer noch nicht verstanden, weshalb Astrophysiker und Astrophysikerinnen nach Defiziten in der LCDM-Theorie suchen. Fänden sich Ungereimtheiten im Vergleich zu Beobachtungsdaten so könnte dies zu einem besseren Verständnis dieser grundlegenden Rätsel unseres Universums führen. Empfindliche Tests sind erforderlich, die beides brauchen: aussagekräftige neue Beobachtungsdaten und detailliertere Vorhersagen darüber, was das LCDM-Modell tatsächlich impliziert.

Forschenden am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist es nun zusammen mit einem internationalen Team der Harvard University und der Durham University sowie der York University in Kanada und des Donostia International Physics Center in Spanien gelungen, bei der theoretischen Beschreibung einen entscheidenden Schritt voranzukommen. Aufbauend auf ihren früheren Erfolgen mit den Projekten „Millennium“ und „IllustrisTNG“ entwickelten sie eine neue Reihe von Simulationsmodellen mit dem Namen „MillenniumTNG“, die die Physik der kosmischen Strukturbildung mit wesentlich höherer statistischer Genauigkeit nachzeichnen, als dies mit früheren Berechnungen möglich war.

Große Simulationen mit neuen physikalischen Details
Das Team nutzte den fortschrittlichen kosmologischen Rechen-Code GADGET-4, der speziell für diesen Zweck am MPA entwickelt wurde, um die bisher größten, hochaufgelösten Dunkle-Materie-Simulationen zu berechnen, die eine Region von fast 10 Milliarden Lichtjahren abdecken. Darüber hinaus verwendeten sie den hydrodynamischen Code AREPO, dessen Zellgröße sich dynamisch anpasst, um die Prozesse der Galaxienbildung direkt in so großen Volumina zu verfolgen, dass sie als repräsentativ für das gesamte Universum angesehen werden können. Aus dem Vergleich der beiden Arten an Simulation kann genau bewertet werden, wie sich baryonische Prozesse im Zusammenhang mit Supernova-Explosionen und supermassereichen Schwarzen Löchern auf die Gesamtverteilung der Materie auswirken. Dies wiederum erlaubt kommende Beobachtungen korrekt zu interpretieren, wie z. B. die so genannten schwachen Gravitationslinseneffekte. Diese reagieren auf Materie unabhängig davon, ob sie dunkel oder baryonisch ist.

Außerdem bezog das Team massereiche Neutrinos in seine Simulationen ein – zum ersten Mal in Simulationen, die groß genug sind, um kosmologische Beobachtungen aussagekräftig nachzustellen. In früheren kosmologischen Simulationen wurden Neutrinos meist der Einfachheit halber weggelassen, da sie höchstens 1-2 % der Masse der Dunklen Materie ausmachen und ihre nahezu relativistischen Geschwindigkeiten ein Zusammenklumpen verhindern. Nun aber werden künftige kosmologische Durchmusterungen des Universums (wie mit dem kürzlich gestarteten Euclid-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation) eine Genauigkeit erreichen, die einen Nachweis der damit verbundenen prozentualen Effekte ermöglicht. Dies eröffnet die verlockende Aussicht, die Neutrinomasse selbst zu bestimmen, eine grundlegende, offene Frage in der Teilchenphysik – es steht viel auf dem Spiel.



Für die bahnbrechenden MillenniumTNG-Simulationen nutzten die Forscher zwei extrem leistungsstarke Supercomputer: den SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum in Garching und den Cosma8-Rechner, der von der Durham University im Auftrag der britischen DiRAC-Hochleistungsrechenanlage betrieben wird. Mehr als 120 000 Rechnerkerne arbeiteten am SuperMUC-NG fast zwei Monate lang, wobei die vom deutschen Gauß-Zentrum für Hochleistungsrechnen zur Verfügung gestellte Rechenzeit genutzt wurde, um das bisher umfassendste hydrodynamische Simulationsmodell zu erstellen. MillenniumTNG verfolgt die Entstehung von etwa einhundert Millionen Galaxien in einer Region des Universums mit einem Durchmesser von etwa 2400 Millionen Lichtjahren (siehe Abbildung 1). Diese Berechnung ist etwa 15 Mal größer als die bisher beste in dieser Kategorie, das TNG300-Modell des IllustrisTNG-Projekts.

Mit Cosma8 berechnete das Team ein noch größeres Volumen des Universums, das mit mehr als einer Billion Teilchen der Dunklen Materie und mehr als 10 Milliarden Teilchen gefüllt ist, um den massereichen Neutrinos zu folgen (siehe Abbildung 2). Obwohl diese Simulation die baryonische Materie nicht direkt verfolgte, können die Galaxien in MillenniumTNG mit Hilfe eines semi-analytischen Modells, das gegen die baryonische Berechnung des Projekts kalibriert wird, genau vorhergesagt werden. Dieses Verfahren führt zu einer detaillierten Verteilung der Galaxien und der Materie in einem Volumen, das zum ersten Mal groß genug ist, um für das gesamte Universum repräsentativ zu sein, so dass Vergleiche mit bevorstehenden Beobachtungen auf eine solide statistische Grundlage gestellt werden können.

Theoretische Vorhersagen für die Kosmologie
Die ersten Ergebnisse des MillenniumTNG-Projekts zeigen eine Fülle von neuen theoretischen Vorhersagen, die die Bedeutung von Computersimulationen in der modernen Kosmologie unterstreichen. Das Team hat zehn wissenschaftliche Paper für das Projekt verfasst und eingereicht. Acht davon sind soeben in der Fachzeitschrift MNRAS erschienen, die beiden anderen werden in Kürze folgen.

Eine der Studien beschäftigte sich mit der Form von Galaxien. Nahe Galaxien haben die subtile Tendenz, ihre Formen ähnlich auszurichten anstatt in willkürliche Richtungen zu zeigen – ein Effekt, der „intrinsische Galaxienausrichtung“ genannt wird. Dieser kaum erforschte Effekt verzerrt die Ergebnisse, die sich aus dem schwachen Gravitationslinseneffekt ergeben, der ja sein eigenes statistisches Ausrichtungssignal erzeugt. Im Rahmen des MillenniumTNG-Projekts konnten zum ersten Mal intrinsische Ausrichtungen mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis direkt bei den simulierten Galaxien gemessen werden, und zwar bis zu Entfernungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren. „Unsere Bestimmung der intrinsischen Ausrichtung von Galaxien kann vielleicht dazu beitragen eine Diskrepanz aufzulösen, die derzeit zwischen zwei Methoden herrscht, um die Amplitude zu messen, wie stark Materie klumpt“, sagt die Doktorandin Ana Maria Delgado, Erstautorin dieser Studie im MillenniumTNG-Team. „Die Materie-Anhäufung wird dabei einmal über den schwachen Gravitationslinseneffekt bestimmt und einmal aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet.“ Mit Hilfe der MillenniumTNG-Ergebnisse werden die Astronomen in der Lage sein, diesen wichtigen systematischen Effekt viel besser zu korrigieren.



Ein weiteres aktuelles Ergebnis bezieht sich auf die jüngste Entdeckung einer Population sehr massereicher Galaxien im jungen Universum mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Kurze Zeit nach dem Urknall sind die Massen dieser Galaxien unerwartet groß, was den theoretischen Erwartungen zu widersprechen scheint. Dr. Rahul Kannan analysierte die Vorhersagen von MillenniumTNG für diese frühe Epoche. Während die Simulationen bis zu einer Rotverschiebung von z=10 (als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war) mit den Beobachtungen übereinstimmen, bestätigte er, dass die neuen JWST-Ergebnisse bei einer noch höheren Rotverschiebung im Widerspruch zu den Vorhersagen der Simulationen stehen, falls sie Bestand haben. „Vielleicht ist die Sternentstehung kurz nach dem Urknall viel effizienter als zu späteren Zeiten, oder vielleicht sind damals massereiche Sterne in höheren Anteilen entstanden, was diese Galaxien ungewöhnlich hell macht“, erklärt Dr. Kannan.

Andere Arbeiten des Teams konzentrieren sich auf die Signale der Haufenbildung bei Galaxien. So erstellte die MPA-Doktorandin Monica Barrera extrem große und äußerst realistische Scheinkataloge von Galaxien auf dem rückwärtigen „Lichtkegel“ eines Referenzbeobachters (siehe Abbildung 3). In diesem Fall sind Galaxien, die weiter entfernt sind, automatisch auch jünger, was die Reisezeit des Lichts widerspiegelt, das unsere Teleskope erreicht. Anhand dieser virtuellen Beobachtungen untersuchte sie die so genannte baryonische akustische Oszillation (BAO) – ein kosmologisch wichtiges Standard-„Maßband“ – in der projizierten Zweipunkt-Korrelationsfunktion von Galaxien. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Messung dieser BAOs ein ziemlich kniffliges Unterfangen ist, das durch so-genannte kosmische Varianzeffekte erheblich beeinflusst werden kann – selbst wenn in Beobachtungen extrem große Volumina durchmustert und untersucht werden. Während man in Simulationen das modellierte Universum aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten kann, um den korrekten statistischen Ensemble-Mittelwert zu ermitteln, ist dies für das reale Universum nicht ohne weiteres möglich. „Die MillenniumTNG-Simulationen sind so groß und enthalten so viele Galaxien – mehr als eine Milliarde in der größten Berechnung – dass es wirklich schwierig war, sie zu untersuchen“, sagt Monica Barrera. „Skripte, die für die Analyse kleinerer Simulationen gut funktionieren, brauchen für MillenniumTNG ewig.“

Analyse der kosmologischen Daten
Die Serie der ersten Ergebnisse der MillenniumTNG-Simulationen macht deutlich, dass die Berechnungen eine große Hilfe bei der Entwicklung besserer Strategien für die Analyse künftiger kosmologischer Daten sein werden. Der Leiter des Teams, Prof. Volker Springel vom MPA, führt an, dass „MillenniumTNG die jüngsten Fortschritte bei der Simulation der Galaxienentstehung mit dem Bereich der großräumigen kosmischen Struktur verbindet und eine verbesserte theoretische Modellierung ermöglicht, wie sich Galaxien mit dem Rückgrat der Dunklen Materie des Universums verbinden. Dies könnte sich als entscheidend für Fortschritte bei wichtigen Fragen in der Kosmologie erweisen, etwa wie die Masse von Neutrinos am besten mit Daten zur großräumigen Struktur eingeschränkt werden kann.“ Die MillenniumTNG-Simulationen lieferten mehr als 3 Petabyte an Simulationsdaten und bilden damit einen reichen Fundus für die weitere Forschung, die das Wissenschaftlerteam noch viele Jahre lang beschäftigen wird.

Wissenschaftliche Originalpublikationen:

• The MillenniumTNG Project: High-precision predictions for matter clustering and halo statistics
  C. Hernández-Aguayo, V. Springel, R. Pakmor, M. Barrera, F. Ferlito, S. D. M. White, L. Hernquist, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10059)
• The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters
  R. Pakmor, V. Springel, J. P. Coles, T. Guillet, C. Pfrommer, S. Bose, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10060)
• The MillenniumTNG Project: Semi-analytic galaxy formation models on the past lightcone
  M. Barrera, V. Springel, S. White, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, C. Frenk, R. Pakmor, F. Ferlito, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10419)
• The MillenniumTNG Project: The galaxy population at z ≥ 8
  R. Kannan, V. Springel, L. Hernquist, R. Pakmor, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, S. Bose, S. D. M. White, C. Frenk, A. Smith, E. Garaldi
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10066)
• The MillenniumTNG Project: Refining the one-halo model of red and blue galaxies at different redshifts
  B. Hadzhiyska, L. Hernquist, D. Eisenstein, A. M. Delgado, S. Bose, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. Contreras, M. Barrera, F. Ferlito, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10068)
• The MillenniumTNG Project: An improved two-halo model for the galaxy-halo connection of red and blue galaxies
  B. Hadzhiyska, D. Eisenstein, L. Hernquist, R. Pakmor, S. Bose, A. M. Delgado, S. Contreras, R. Kannan, S. D. M. White, V. Springel, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, F. Ferlito, M. Barrera
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10072)
• The MillenniumTNG Project: The large-scale clustering of galaxies
  S. Bose, B. Hadzhiyska, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10065)
• The MillenniumTNG Project: Inferring cosmology from galaxy clustering with accelerated N-body scaling and subhalo abundance matching
  S. Contreras, R. E. Angulo, V. Springel, S. D. M. White, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Pakmor, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, A. M. Delgado, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10075)
• The MillenniumTNG Project: Intrinsic alignments of galaxies and halos
  A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, S. Bose, V. Springel, L. Hernquist, M. Barrera, R. Pakmor, F. Ferlito, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12346)
• The MillenniumTNG Project: The impact of baryons and massive neutrinos on high-resolution weak gravitational lensing convergence maps
  F. Ferlito, V. Springel, C. T. Davies, C. Hernández-Aguayo, R. Pakmor, M. Barrera, S. D. M. White, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12338)

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• Die großräumige Struktur des Universums

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]]> https://www.raumfahrer.net/james-webb-weltraumteleskop-entdeckt-elementares-kohlenwasserstoffmolekuel/ Tue, 27 Jun 2023 17:09:00 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=128724 Forschende der Kölner Astrophysik waren am aktuellen Fund beteiligt / Die Existenz dieses Moleküls im All wurde bereits in den 1970er Jahren vorhergesagt und konnte nun erstmals nachgewiesen werden. Eine Presseinformation der Universität zu Köln. Quelle: Universität zu Köln 27. Juni 2023. 27. Juni 2023 – Das James Webb-Weltraumteleskop hat das Kohlenwasserstoffmolekül CH3+ in einem […]

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]]> Forschende der Kölner Astrophysik waren am aktuellen Fund beteiligt / Die Existenz dieses Moleküls im All wurde bereits in den 1970er Jahren vorhergesagt und konnte nun erstmals nachgewiesen werden. Eine Presseinformation der Universität zu Köln.

Quelle: Universität zu Köln 27. Juni 2023.



27. Juni 2023 – Das James Webb-Weltraumteleskop hat das Kohlenwasserstoffmolekül CH₃⁺ in einem 1500 Lichtjahre entfernten, neu entstehenden Sonnen- und Planetensystem entdeckt. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül, das zwar nicht mit dem überall vorkommenden Wasserstoff (H₂), dafür aber mit anderen Molekülen reagiert und somit zur Bildung sehr viel komplexerer Moleküle im Weltall beitragen kann.
Seit den 1970er Jahren wird CH₃⁺ im Weltraum vorhergesagt. Nun konnte es anhand seines spektralen „Fingerabdrucks“ im Infrarotbereich auch empirisch nachgewiesen werden. Die Beobachtungen zeigen, dass CH₃⁺ aufgrund der starken UV-Strahlung benachbarter Sonnen im Orionnebel unserer Galaxie entsteht. Auch Beiträge von Kölner Forschenden, insbesondere Labormessungen des spektralen Fingerabdrucks, trugen zu dem Ergebnis bei. Der Fund wurde in der Fachzeitschrift Nature unter dem Titel „Detection of the Methyl Cation Formed by UV Driven Gas-Phase Organic Chemistry“ veröffentlicht.

Diese Entdeckung hat weitreichende Folgen für das Verständnis der Chemie und Entstehung der Moleküle im All. Insbesondere liefert der Fund neue Informationen über Details der Entstehung unseres eigenen Sonnensystems.

Mittels der modernen Astronomie weiß man, dass Moleküle, wie z.B. Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O), in großer Zahl im Weltraum entstehen. Jedes dieser Moleküle hat ein individuelles Spektrum, ähnlich einzigartig wie ein menschlicher Fingerabdruck. Ist der spektroskopische „Fingerabdruck“ eines Moleküls erst einmal im Labor genommen, kann das Molekül auch im Weltraum entdeckt werden – in Regionen wie unserer Milchstraße bis hin zu weit entfernten Galaxien. Diese charakteristischen Fingerabdrücke liegen meistens im Bereich der Radio- bzw. Wärmestrahlung (Infrarotbereich), und können mit entsprechenden Teleskopen beobachtet werden.

Unter den Molekülen spielen Kohlenwasserstoffe (Moleküle bestehend aus Kohlenstoff – C – und Wasserstoff – H) eine besondere Rolle, weil sie unter anderem als Vorläufer von Biomolekülen fungieren können. Biomoleküle sind organische Substanzen, die die Grundlage von Lebewesen formen. CH₃⁺ ist ein elementares Kohlenwasserstoffmolekül und ein Baustein komplexerer Moleküle. Bisher konnte CH₃⁺ im All nicht nachgewiesen werden, weil es aufgrund seines symmetrischen dreieckigen Aufbaus keine Radiostrahlung, sondern nur Infrarotstrahlung aussendet. Ein geeignetes Infrarotteleskop fehlte bisher jedoch.

Der Start des James Webb Space Telescope (JWST), das im Infrarotbereich misst, sowie seine Inbetriebnahme im Sommer 2022 haben diesen Fund und viele weitere Entdeckungen nun ermöglicht. Das JWST gilt als Nachfolger des ebenso bahnbrechenden Hubble Weltraumteleskops. Die Beobachtungsschärfe und die hohe Empfindlichkeit des neuen Teleskops, insbesondere bei langen Wellenlängen, eröffnen neue, einmalige Beobachtungsmöglichkeiten.

Verschiedene Gruppen am Kölner Institut für Astrophysik haben zum aktuellen Forschungsergebnis beigetragen, auch durch den Bau einiger JWST-Spektrometer-komponenten (AG Professor Dr. Andreas Eckart). Ein anderes Team, die Kölner Submillimeter-Astrophysik Gruppe, untersucht seit langem die Physik und Chemie des Orionnebels. Die Beobachtungen mit dem JWST wurden von Privatdozent Dr. Markus Röllig und Dr. Yoko Okada mitentworfen und -ausgewertet.

Experimente der Laborastrophysikgruppe (AG Professor Dr. Stephan Schlemmer) machten es möglich, CH₃⁺ zu identifizieren. Die Gruppe beschäftigt sich mit Molekülspektroskopie, bei der sie die spektralen Fingerabdrücke der Moleküle im Labor im Radio- und Infrarotbereich misst, ohne die eine Identifizierung im Weltall nicht möglich wäre. Das CH₃⁺ Molekül wurde schon 2018 unter der Leitung von Professor Schlemmer und Privatdozent Dr. Oskar Asvany in einer sogenannten kalten Ionenfalle untersucht. Dazu wurden im Experiment einige Tausend CH₃⁺ Ionen festgehalten und mit einem Infrarotlaser bestrahlt. So konnte die genaue spektrale Position der infraroten Fingerabdrücke dieses Moleküls bestimmt werden, die das JWST nun beobachtet hat. Oskar Asvany: „Es ist schön zu sehen, dass die vor fünf Jahren gewonnenen Daten zu CH₃⁺, die bisher eher ein Nischendasein führten, durch die JWST-Daten so bedeutend geworden sind.“ Stephan Schlemmer fügt hinzu: „Das ermutigt uns und andere Gruppen weltweit, dieses besondere Molekül in Zukunft noch genauer zu untersuchen.“

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• JWST – James Webb Space Telescope

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]]> https://www.raumfahrer.net/ude-schwerelos-forschen-lawinen-auf-dem-mars/ Thu, 25 May 2023 17:24:34 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=127052 SCARLETT trägt kein Kleid, sondern über 200 Meter Kabel: Sie umhüllen eine einzigartige Zentrifuge, die mehr über den Mars herausfinden soll. Das Kürzel SCARLETT steht für „Shadow Cast Angles of Repose in Low gravity Experiment with Thermal creep Thrust“ – ein Projekt der Astrophysik der UDE, bei dem es um den richtigen Winkel, niedrige Schwerkraft […]

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]]> SCARLETT trägt kein Kleid, sondern über 200 Meter Kabel: Sie umhüllen eine einzigartige Zentrifuge, die mehr über den Mars herausfinden soll. Das Kürzel SCARLETT steht für „Shadow Cast Angles of Repose in Low gravity Experiment with Thermal creep Thrust“ – ein Projekt der Astrophysik der UDE, bei dem es um den richtigen Winkel, niedrige Schwerkraft und thermische Effekte geht. In der simulierten Schwerelosigkeit wird die Zentrifuge derzeit bei Parabelflügen eben diese Bedingungen in über 8.000 Metern Höhe herstellen. Eine Pressemeldung der Universität Duisburg-Essen.

Quelle: Universität Duisburg-Essen (UDE) 24. Mai 2023.



24. Mai 2023 – Unser roter Nachbarplanet fasziniert die Menschheit seit langem, ist er doch der Erde am ähnlichsten und seine Oberfläche durch ein Teleskop gut sichtbar. Raumsonden und Lander haben schon einiges erforscht, aber die Details geben Rätsel auf: So rutschen in der warmen Saison regelmäßig riesige Hänge ab, immer an denselben Stellen. Was löst diese Staublawinen aus? Die Forschenden vermuten, dass ein thermischer Gasfluss innerhalb des Bodens die Ursache ist und wollen dies nun im Experiment herausfinden.

Eine Zentrifuge ist dabei das Herzstück: Sie wurde vom fünfköpfigen Team um Prof. Dr. Gerhard Wurm entwickelt und wird gerade in Bordeaux in ein speziell ausgerüstetes Flugzeug eingebaut. Dieses hebt zu insgesamt drei Flügen mit jeweils 30 Parabeln ab (23.-25.5.). „In der Schwerelosigkeit simuliert eine Vakuumkammer die echte Mars-Schwerkraft, die geringer ist als auf der Erde“, erklärt Dr. Jens Teiser, der seit 2004 bei Parabelflügen wissenschaftliche Experimente macht. „Mit dabei haben wir besonderen Sand, der dem auf dem Mars gleicht. Durch Kippen der Vakuumkammer wird die Hangneigung langsam erhöht, bis der Sand ins Rutschen kommt. Halogenlampen erhitzten ihn während des Fluges, um den thermischen Gasfluss zu erzeugen.“

Wie läuft ein Parabelflug ab?
Das Flugzeug geht auf rund 7.500 Meter und fliegt von dort mit vollem Schub – in einem 47-Grad-Winkel – in 20 Sekunden auf etwa 8.700 Meter. In dieser Höhe drosselt der Pilot die Triebwerke, und das Flugzeug fällt frei auf einer parabelförmigen Bahn nach unten. Die Schwerelosigkeit dauert etwa 22 Sekunden, bevor der Pilot abfängt und zur nächsten Parabel ansetzt.

„Die Schwerelosigkeit ist die angenehmste Phase. Davor und danach wirkt doppelte Schwerkraft, das heißt man wird mit dem zweifachen Körpergewicht auf den Flugzeugboden gepresst“, sagt Teiser. Der Physiker hat die 160 Kilogramm schwere Zentrifuge mit entwickelt. Sie kann für weitere Experimente eingesetzt werden – etwa, um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Doch zunächst sind nach den Flügen, die meist über dem Atlantik stattfinden, tausende Gigabyte Daten auszuwerten. „Wir wollen wissen, was auf dem Mars anders ist als bei uns und dadurch Zusammenhänge besser verstehen“, so Teiser.

Das dreijährige Forschungsvorhaben SCARLETT läuft bis Ende 2023. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert, Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt.

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• Parabelflüge

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]]> https://www.raumfahrer.net/physik-schule-den-raetseln-des-universums-auf-der-spur/ Sun, 30 Apr 2023 05:19:24 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=125841 Unser Universum – Schule trifft Akademie: Vortrags- und Diskussionsrunde für Schülerinnen und Schüler am Mittwoch, 21. Juni 2023, 9-16 Uhr im Plenarsaal der Akademie, Geschwister-Scholl-Straße 2, 55131 Mainz. Eine Information der Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz. Quelle: JGU 26. April 2023. Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos […]

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]]> Unser Universum – Schule trifft Akademie: Vortrags- und Diskussionsrunde für Schülerinnen und Schüler am Mittwoch, 21. Juni 2023, 9-16 Uhr im Plenarsaal der Akademie, Geschwister-Scholl-Straße 2, 55131 Mainz. Eine Information der Johannes Gutenberg-Universität (JGU) Mainz.

Quelle: JGU 26. April 2023.



Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Flyer „Schule trifft Akademie“

Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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]]> https://www.raumfahrer.net/astrogeo-podcast-beton-der-zukunft-mondbasis-2/ Thu, 09 Mar 2023 10:00:00 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=123457 Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, lassen sie die Raumzeit erbeben – und wir Erdlinge freuen uns über die dabei entstehenden Gravitationswellen. Aber wie schaffen es die zwei Schwarzen Löcher überhaupt, sich dafür nahe genug zu kommen?

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]]> Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, lassen sie die Raumzeit erbeben – und wir Erdlinge freuen uns über die dabei entstehenden Gravitationswellen. Aber wie schaffen es die zwei Schwarzen Löcher überhaupt, sich dafür nahe genug zu kommen?



Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle zwei Wochen eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

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]]> https://www.raumfahrer.net/dem-urknall-auf-der-spur-der-empfindlichste-detektor-zur-messung-von-radioaktivitaet-steht-nun-in-dresden/ Wed, 22 Feb 2023 21:01:54 +0000 https://www.raumfahrer.net/?p=122638 Im Untertagelabor „Felsenkeller“ in Dresden befindet sich seit kurzem der empfindlichste Aufbau zur Messung von Radioaktivität in Deutschland und einer der empfindlichsten Aufbauten der Welt. Mit dem neuen Detektor werden die Forschenden der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) künftig an den spannendsten Fragen der Astrophysik zu dunkler Materie, Sternen oder dem Urknall auf […]

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]]> Im Untertagelabor „Felsenkeller“ in Dresden befindet sich seit kurzem der empfindlichste Aufbau zur Messung von Radioaktivität in Deutschland und einer der empfindlichsten Aufbauten der Welt. Mit dem neuen Detektor werden die Forschenden der TU Dresden und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) künftig an den spannendsten Fragen der Astrophysik zu dunkler Materie, Sternen oder dem Urknall auf internationalem Spitzenniveau arbeiten. Eine Pressemitteilung der TU Dresden.

Quelle: TU Dresden 22. Februar 2023.



22. Februar 2023 – Was ist dunkle Materie? Was hat es mit Neutrinos auf sich? Wie funktionieren Sterne und was war eigentlich in den ersten Minuten nach dem Urknall im Universum los? Zur Beantwortung dieser Fragen benötigt man sehr empfindliche Detektoren und sehr viel Geschick. Nur in wenigen Laboren auf der Welt konnte man bisher solch sensitive Messungen durchführen. Seit kurzem gibt es jedoch auch in Deutschland einen derart empfindlichen Detektor, der den Forschenden zukünftig Antworten auf diese Fragen ermöglichen kann.

Nach langer Entwicklungsarbeit haben die Forschenden vom Institut für Kern- und Teilchenphysik (TU Dresden) und dem Institut für Strahlenphysik (HZDR) den Aufbau im Untertagelabor „Felsenkeller“ Dresden nun in Betrieb genommen. Sie können damit fortan Proben von Stoffen und Materialien mit einer Radioaktivität im Bereich von 100 Mikrobequerel analysieren, in anderen Worten, Proben mit 100 Millionen mal weniger Radioaktivität, als im menschlichen Körper vorhanden ist. Damit gehört der Messaufbau im Felsenkellerlabor zu der Weltspitze der sensitivsten Messgeräte für Radioaktivität.
„Wenn man seltene Prozesse und geringe Aktivitäten in der Physik untersuchen möchte, dann braucht man prinzipiell zwei Dinge: einerseits viel Geduld – denn die Prozesse finden ja nur selten statt – und andererseits eine Umgebung, die möglichst strahlungsarm ist, damit der Detektor nicht permanent von natürlichen Strahlungsquellen, wie sie z. B. in jedem Baumaterial vorhanden sind, gestört wird“, erklärt Steffen Turkat, TUD-Mitarbeiter im Felsenkeller-Labor.

So schützt die 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei den Detektor zwar vor einem Großteil der kosmischen Strahlung, jedoch nicht vor der natürlichen Radioaktivität aus der Umgebung. Daher mussten die Forschenden den Detektor zusätzlich mit einer ausgetüftelten Anordnung aus strahlungsarmen Betonwänden, großen Mengen an Blei und Kupfer sowie sogenannten Veto-Detektoren schützen. Nur so kann dieser hochempfindliche Aufbau funktionieren und Kernumwandlungen aus den wertvollen Proben auswerten.

„Ich freue mich besonders über die Vielzahl an ungeplanten Anfragen von interessierten Kolleg*innen weltweit, die den Detektor nun gerne nutzen würden. Bei diesen Anfragen geht es dann schnell mal um extrem wertvolle und seltene Proben, die wissenschaftlich äußerst spannend sind, die aber mit anderen Detektoren nicht analysiert werden können. So ein Detektor erzeugt somit automatisch neue Kollaborationen und Vernetzungen zu anderen faszinierenden Fachgebieten“, erläutert Steffen Turkat.

Prof. Kai Zuber von der TU Dresden ist der wissenschaftliche Leiter des Felsenkellerlabors und freut sich insbesondere darauf, seine eigenen anspruchsvollen Forschungsinteressen in der Physik jenseits des Standardmodells quasi vor der Haustür verfolgen zu können: „Ich interessiere mich vor allem für den doppelten Betazerfall und die Suche nach Prozessen, die die geladene Leptonenzahl verletzen würden. Aber auch für die Verbesserung der Halbwertszeiten von Radionukliden ist der Felsenkeller nun exzellent geeignet.“

Auch Prof. Daniel Bemmerer, Technischer Leiter des Felsenkellerlabors und Gruppenleiter für Nukleare Astrophysik am HZDR, ist begeistert von den neuen Möglichkeiten, die der Detektor bietet: „Wir können nun Aktivierungsmessungen für Kernfusions-Experimente bei Energien durchführen, die den eigentlichen Energien und Temperaturen in unserer Sonne wesentlich näherkommen, als es bisher möglich war. Dadurch wird auch eine neue Nutzungsmöglichkeit für den Felsenkeller-Beschleuniger geschaffen.“
Neben dem neuen Detektor ist in Deutschlands tiefstem Untertage-Physiklabor bereits seit 2019 ein Ionenbeschleuniger zur Untersuchung der wichtigsten Prozesse im Inneren der Sterne in Betrieb.

Der Detektor wurde aus Mitteln des Großgeräteprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft beschafft.

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• physikalische Grundlagenforschung

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