Quelle: ESA / Enabling & Support / Space Transportation / Future space transportation, 31. März 2026

Da wir Menschen uns darauf vorbereiten, mit mehr Ladung und größerer Vielseitigkeit immer weiter von unserer Sonne entfernt zu forschen, stößt unsere derzeitige Weltraumtechnologie rasch an ihre Grenzen. Der nuklear-elektrische Antrieb könnte eine große Energiequelle bieten, die Solarpanels oder herkömmliche Treibstoffe nicht leisten können.

Die „Rocketroll“-Studie (ein lockeres Akronym, das Buchstaben aus dem Ausdruck „pReliminary eurOpean reCKon on nuclEar elecTric pROpuLsion for space appLications“ entnimmt) beauftragte drei Konsortien, einen europäischen Ansatz für den nuklear-elektrischen Antrieb zu untersuchen. Die Studie ähnelt der Alumni-Studie, konzentriert sich jedoch auf den elektrischen Antrieb anstelle des nuklear-thermischen Antriebs. Bei der nuklear-elektrischen Energie wird kontrollierte Kernspaltung zur Stromerzeugung genutzt.
Die Rocketroll-Studie wurde durchgeführt, da einige Weltraummissionen einen hohen Energiebedarf haben, der nur mit Kernenergie gedeckt werden kann. Dazu gehören beispielsweise Missionen zu den äußeren Planeten oder Missionen zur Mondoberfläche, die die 14-tägige Mondnacht überstehen müssen. Die Rocketroll-Konstruktionen könnten elektrische Leistung im Bereich von mehreren hundert Kilowatt liefern, was für die europäische Schwerlastrakete Ariane 6 geeignet wäre, bis hin zu einigen Megawatt, die mit Raketen der nächsten Generation ins All befördert werden könnten.

Drei Konsortien, drei Entwürfe
Drei Teams haben sich mit den Entwürfen für kernelektrische Antriebe befasst und ihre Lösungen in drei Berichten vorgestellt; die Zusammenfassungen sind öffentlich zugänglich und unten verlinkt.
Tractebel legte einen Vorschlag vor, der auf angereichertem Uran basierte, das CNRS schlug eine Lösung auf Basis eines Salzschmelzereaktors vor, und OHB Czech Space schlug ein größeres Raumfahrzeug vor.

Neuer Blickwinkel, neue Möglichkeiten
„Die Studien zeigen deutlich, was möglich ist und wie gut sich das alles in die Langzeitstrategie 2040 der ESA einfügt“, erklärt Valère Girardin, ESA-Programmmanagerin für die Studie. „Wir wissen nun besser, welche Technologien noch fehlen und worauf wir uns in Forschung und Entwicklung konzentrieren müssen.“
Alle Studien kommen zu dem Schluss, dass der Einsatz von Nuklearantrieben neue Wege für die Weltraumforschung eröffnet: Es gibt Ziele oder Missionen, die mit herkömmlichen Raumfahrzeugantrieben schlichtweg nicht zu erreichen sind.

Die Sicherheit ist kein Problem, da alle Entwürfe auf nicht strahlungsaktiviertem Uran basieren, das erst im Orbit aktiviert wird. Das bedeutet: keine hohe Strahlenbelastung, selbst im Falle einer Explosion der Trägerrakete, eines Notwassersprungs im Ozean oder eines anderen Fehlstarts. Die Kettenreaktion des Urans wird erst im Weltraum und sicher im Orbit ausgelöst; bis dahin ist das Uran inert.
Der entscheidende Punkt bei der Konstruktion von Raumfahrzeugen liegt bei einer Leistung von etwa 100 kW: Unterhalb dieser Leistungsgrenze ist ein solarelektrisches Antriebssystem mit Sonnenkollektoren ideal, oberhalb dieser Grenze ist ein nuklearelektrisches Design die beste Wahl. Alle Konsortien planen zwei Starts: einen mit der Nutzlast und einen mit dem Raumfahrzeug, das in der Erdumlaufbahn andocken und die Reise gemeinsam im Weltraum fortsetzen würde.

„Diese Studien bringen den Prozess in Gang und setzen die atomgetriebene europäische Raumfahrt auf die Agenda“, fasst Valère zusammen. „Die Technologien, die wir benötigen, passen gut zu den industriellen Kapazitäten der ESA-Mitgliedstaaten, und der politische Wille gewinnt an Dynamik – wir haben nun ein klareres Ziel, auf das wir hinarbeiten können.“
Der nächste Schritt besteht darin, das Wissen und die Erfahrung mit jedem einzelnen System zu erweitern: dem Kernreaktor, der Strahlungsabschirmung, dem Energieumwandlungssystem, dem thermischen Heiz- und Kühlsystem sowie den elektrischen Triebwerken. Die ESA hat eine Arbeitsgruppe für nuklearen Antrieb gebildet, die die Konstruktion und den Bau von Hardware im verkleinerten Maßstab sowie Tests in Laboren beaufsichtigen wird.

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• Nukleartechnik für die Raumfahrt

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Quelle: TU Braunschweig 24. April 2024.

24. April 2024 – Ein internationales Forscher*innen-Team unter der Leitung des französischen Laboratory of Plasma Physics (LPP/CNRS) beschreibt in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ neue Erkenntnisse über die Atmosphäre der Venus. Mit Hilfe von Beobachtungen der Raumsonde BepiColombo, an der auch das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik (IGEP) sowie das Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze (IDA) der TU Braunschweig beteiligt sind, konnten in der magnetischen Umgebung des Planeten erstmals Kohlenstoff- und Sauerstoffionen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind jetzt in Nature Astronomy erschienen.

Geheimnisvoller Planet Venus
Unser Nachbarplanet Venus besitzt im Gegensatz zur Erde kein eigenes Magnetfeld. Daher wechselwirkt der von der Sonne ausgehende Teilchenstrom, auch Sonnenwind genannt, direkt mit der oberen Venus-Atmosphäre und entreißt dieser dabei geladene Teilchen, die so in den Weltraum entweichen können. Frühere Messungen von Raumsonden wie Venus Express hatten bereits gezeigt, dass diese Ionen hauptsächlich aus Sauerstoff und Wasserstoff bestehen. Die Massenauflösung der damals verwendeten Instrumente reichte jedoch nicht aus, um zwischen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zu unterscheiden.

Merkursonde BepiColombo fliegt an Venus vorbei
Auf ihrem Weg zum Merkur braucht die Raumsonde BepiColombo Vorbeiflüge an Erde, Venus und Merkur selbst sowie ein elektrisches Antriebssystem, um gegen die gewaltige Anziehungskraft der Sonne letztendlich in die Merkurumlaufbahn einschwenken zu können. Am 10. August 2021 flog die Raumsonde zum zweiten und letzten Mal an der Venus vorbei.

Bei dieser Gelegenheit näherte sich BepiColombo auf 552 Kilometer an die Oberfläche des Planeten an. Viele der Instrumente an Bord waren während des Vorbeiflugs aktiv und sammelten einzigartige Daten aus der Umgebung der Venus. Unter anderem entdeckte das Ionenmassenspektrometer (MSA) des IDA einen Strom von niederenergetischen Kohlenstoff- und Sauerstoffionen. „Die Magnetfeldmessungen ergänzen diese Partikelmessungen wunderbar und zeigen, dass diese Teilchen tatsächlich aus der Venusmagnetosphäre herausfließen“, freut sich Koautor Daniel Heyner, Mitglied in der IGEP-Magnetometergruppe. Das IGEP hat die Magnetfeldsensoren in Braunschweig gebaut und ist für deren Betrieb einschließlich der Datenverarbeitung zuständig.

Manche Wissenschaftler*innen gehen davon aus, dass die Venus vor 700 Millionen Jahren noch flüssiges Wasser auf der Oberfläche hatte. Durch einen katastrophalen Treibhauseffekt hätte sich die Oberfläche aber so aufgeheizt, dass sämtliches Wasser verdunstet und aus der Atmosphäre entwichen sei. Heutzutage besteht die Venusatmosphäre zu etwa 97 % aus Kohlenstoffdioxid. Die Entdeckung des Kohlenstoff-Teilchenstroms durch die Raumsonde BepiColombo liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung und die Dynamik der Magnetosphäre der Venus und könnte dazu beitragen, auch die bisherige und zukünftige Entwicklung ihrer Atmosphäre zu erklären. Die vom Planeten entweichenden Elektronen erzeugen ein elektrisches Feld, das vermutlich die Kohlenstoff- und Sauerstoffionen mitreißt und aus der Venusatmosphäre schleudert.

Das IGEP an Bord von BepiColombo
Die Doppelraumsonde BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. Das IGEP ist an den Magnetfeldmessgeräten auf beiden Raumsonden – Mio (Magnetosphärischer Orbiter) und MPO (Planetarer Orbiter) beteiligt. Finanziert wurden die IGEP-Beiträge von der Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt.

„Es ist schön, dass die jahrelange und intensive Arbeit an unseren Magnetometern bereits erste Früchte trägt, bevor BepiColombo überhaupt am Ziel angekommen ist. Gemeinsam mit den Wissenschaftler*innen am Institut bin ich schon sehr gespannt, was die Instrumente über die Magnetosphäre des Planeten Merkur und sein Inneres herausfinden werden“, so Daniel Heyner.

„Wissenschaftler auf der ganzen Welt freuen sich über diese Messungen von BepiColombo während des Venusvorbeiflugs. Die neuen Daten ermöglichen weitergehende Forschungen über die Entwicklung von Planetenatmosphären, Magnetosphären und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind“, zeigt sich Professor Ferdinand Plaschke, Leiter der Arbeitsgruppe am IGEP, erfreut.

Warum ist Weltraumforschung wichtig
BepiColombo ist die erste europäische Mission zum Merkur, die in Kooperation mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) unter der Leitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchgeführt wird. Die Doppelraumsonde wurde am 20. Oktober 2018 gestartet und befindet sich auf einer siebenjährigen Reise zum kleinsten und am wenigsten erforschten terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem. Wenn sie Ende 2025 beim Merkur ankommt, werden die Hightech-Instrumente an Bord trotz Temperaturen von über 350 °C mindestens ein Jahr lang hochgenaue Daten sammeln, auf die man auf der Erde schon sehnlich wartet.

Merkur ist der einzige Planet im Sonnensystem, der wie die Erde eine feste Oberfläche hat und mit dem flüssigen Kern in seinem Inneren ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld und seine Beeinflussung durch den Sonnenwind wird mit den Messgeräten der beiden BepiColombo-Satelliten präzise vermessen, um so den inneren Aufbau des Merkurs zu untersuchen, Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit dem Erdkern zu erforschen und dadurch die innere Struktur unseres Heimatplaneten Erde besser zu verstehen.

Originalpublikation
Hadid et al.: BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus, Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-024-02247-2, 2024.
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2.pdf

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA
• Planet Venus

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Quelle: ESON 16. April 2024.

16. April 2024 – Um die genaue Masse des schwarzen Lochs zu bestimmen, wurden Daten des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) und anderer bodengestützter Observatorien herangezogen. Sie beziffern die Masse des schwarzen Lochs auf das 33-fache der Sonne.

Stellare schwarze Löcher entstehen durch den Kollaps massereicher Sterne. Die bisher in der Milchstraße nachgewiesenen schwarzen Löcher haben im Durchschnitt etwa die zehnfache Masse der Sonne. Selbst das nächstmassereiche stellare schwarze Loch in unserer Galaxie, Cygnus X-1, erreicht nur 21 Sonnenmassen, was diese neue Beobachtung mit 33 Sonnenmassen außergewöhnlich macht [1].

Außerdem ist dieses schwarze Loch extrem nah an uns dran – mit einer Entfernung von nur 2000 Lichtjahren im Sternbild Aquila ist es das schwarze Loch, das der Erde am zweitnächsten ist. Es wurde als Gaia BH3 oder kurz BH3 bezeichnet und entdeckt, als das Team die Gaia-Beobachtungen zur Vorbereitung einer bevorstehenden Datenfreigabe überprüfte. „Niemand hat damit gerechnet, ein massereiches schwarzes Loch zu finden, das in der Nähe lauert und bisher unentdeckt geblieben ist“, sagt Pasquale Panuzzo, Astronom am Observatoire de Paris, das zum französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) gehört. „Diese Art von Entdeckung macht man nur einmal in seinem Forscherleben.“

Zur Bestätigung ihrer Entdeckung nutzte die Gaia-Kollaboration Daten von bodengestützten Observatorien, unter anderem vom Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES)-Instrument am VLT der ESO in der chilenischen Atacama-Wüste [2]. Diese Beobachtungen ergaben wichtige Eigenschaften des Begleitsterns, die es den Astronominnen und Astronomen in Verbindung mit den Gaia-Daten ermöglichten, die Masse von BH3 genau zu bestimmen.

Astronominnen und Astronomen haben ähnlich massereiche schwarze Löcher außerhalb unserer Galaxie gefunden (mit einer anderen Nachweismethode). Sie vermuten, dass sie aus dem Kollaps von Sternen entstehen, die in ihrer chemischen Zusammensetzung nur wenige Elemente enthalten, die schwerer sind als Wasserstoff und Helium. Es wird angenommen, dass diese so genannten metallarmen Sterne im Laufe ihres Lebens weniger Masse verlieren und daher mehr Material übrig bleibt, aus dem nach ihrem Tod massereiche schwarze Löcher entstehen. Bisher gab es jedoch keine direkten Beweise für den Zusammenhang zwischen metallarmen Sternen und massereichen schwarzen Löchern.

Sterne in Paaren neigen allerdings dazu, eine ähnliche Zusammensetzung zu haben, was bedeutet, dass der Begleiter von BH3 wichtige Hinweise auf den Stern enthält, der kollabierte, um dieses außergewöhnliche schwarze Loch zu bilden. Die UVES-Daten zeigten, dass der Begleiter ein sehr metallarmer Stern war, was darauf hindeutet, dass der Stern, der zur Bildung von BH3 kollabierte, ebenfalls metallarm war – genau wie vorhergesagt.

Die von Panuzzo geleitete Untersuchung wird heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlicht. „In Anbetracht der Einzigartigkeit der Entdeckung haben wir den außergewöhnlichen Schritt unternommen, diese auf vorläufigen Daten basierende Arbeit vor der bevorstehenden Ausgabe der Gaia-Daten zu veröffentlichen“, sagt Mitautorin Elisabetta Caffau, ebenfalls Mitglied der Gaia-Kollaboration am CNRS Observatoire de Paris. Die frühzeitige Bereitstellung der Daten ermöglicht es anderen Astronominnen und Astronomen, dieses schwarze Loch bereits jetzt zu untersuchen, ohne auf die Veröffentlichung der vollständigen Daten zu warten, die frühestens Ende 2025 erfolgen soll.

Weitere Beobachtungen dieses Systems könnten mehr über seine Geschichte und über das schwarze Loch selbst verraten. Das GRAVITY-Instrument am VLT-Interferometer der ESO könnte Astronominnen und Astronomen zum Beispiel dabei helfen, herauszufinden, ob dieses schwarze Loch Materie aus seiner Umgebung anzieht, und dieses spannende Objekt besser zu verstehen.

Endnoten
[1] Dies ist nicht das massereichste schwarze Loch in unserer Galaxie – dieser Titel gehört Sagittarius A*, dem supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, das etwa vier Millionen Mal so viel Masse wie die Sonne hat. Aber Gaia BH3 ist das massereichste schwarze Loch in der Milchstraße, das durch den Kollaps eines Sterns entstanden ist.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry“ (Entdeckung eines inaktiven schwarzen Lochs von 33 Sonnenmassen mittels Gaia-Astrometrie) vorgestellt, die in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics (https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202449763) erscheint (DOI: 10.1051/0004-6361/202449763).

Der Artikel von P. Panuzzo et al. wurde von der Gaia-Kollaboration verfasst, an der über 300 Autoren aus der ganzen Welt beteiligt sind, darunter Österreich, Belgien, Tschechien, Finnland, Frankreich, Deutschland, Italien, Niederlande, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, Schweiz, Vereinigtes Königreich, Chile und Australien.

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt.

Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• ESO

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Quelle: AIP 16. April 2024.

16. April 2024 – Bei der Durchsicht der Daten der ESA-Mission Gaia entdeckten Forschende einen „schlafenden“ Riesen. Im Sternbild Adler, weniger als 2000 Lichtjahre von der Erde entfernt, versteckt sich ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die fast 33-mal so groß ist wie die der Sonne. Dies ist das erste Mal, dass ein so großes Schwarzes Loch stellaren Ursprungs so nahe an der Erde gefunden wurde. Diese Entdeckung stellt unser Verständnis zur Entstehung und Entwicklung massereicher Sterne in Frage.

Die Materie in einem Schwarzen Loch ist so dicht gepackt, dass nichts seiner gewaltigen Anziehungskraft entkommen kann, nicht einmal Licht. Die große Mehrheit der uns bekannten stellaren Schwarzen Löcher, die aus dem Gravitationskollaps massereicher Sterne entstehen, verschlingt die Materie eines nahen Begleitsterns. Das eingefangene Material fällt mit hoher Geschwindigkeit auf das kollabierte Objekt, wird dabei extrem heiß und setzt Röntgenstrahlung frei. Diese Systeme gehören zu einer Familie von Himmelsobjekten, die als Röntgendoppelsterne bezeichnet werden. Wenn ein Schwarzes Loch keinen Begleiter in der Nähe hat, von dem es Materie einfangen könnte, erzeugt es kein Licht und ist extrem schwer zu entdecken. Diese Schwarzen Löcher werden als „schlafend“ oder „ruhend“ bezeichnet.

Bei der Vorbereitung der Veröffentlichung des nächsten Gaia-Katalogs, Data Release 4 (DR4), überprüfen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bewegungen von Milliarden von Sternen und führen komplexe Tests durch, um herauszufinden, ob etwas ungewöhnlich ist. Die Bewegungen der Sterne können von Begleitern beeinflusst werden: von leichten Objekten wie Exoplaneten, schwereren Begleitern wie Sternen oder sehr schweren Begleitern wie Schwarzen Löchern. In der Gaia-Kollaboration gibt es spezielle Teams, die all diese „seltsamen“ Fälle untersuchen.

Ein solches Team befasste sich intensiv mit dieser Aufgabe, als seine Aufmerksamkeit auf einen alten Riesenstern im Sternbild Adler in einer Entfernung von 1926 Lichtjahren von der Erde fiel. Bei der detaillierten Analyse der Schwankungen in der Bahn des Sterns stießen sie auf eine große Überraschung: Der Stern umkreist ein ruhendes Schwarzes Loch von außergewöhnlich hoher Masse, etwa 33 Mal so groß wie die der Sonne.

Dies ist das dritte von Gaia gefundene, ruhende Schwarze Loch und trägt dementsprechend die Bezeichnung „Gaia BH3“. Seine Entdeckung ist wegen der großen Masse des Objekts sehr aufregend. „Es ist ein echtes Einhorn“, freut sich Pasquale Panuzzo vom CNRS, Observatoire de Paris, in Frankreich, der Hauptautor dieser Untersuchung. „Das ist die Art von Entdeckung, die man nur einmal in seinem Forscherleben macht. Bislang wurden Schwarze Löcher dieser Größe nur in weit entfernten Galaxien entdeckt, und zwar von der LIGO-Virgo-KAGRA-Kollaboration dank der Beobachtung von Gravitationswellen.“

Die durchschnittliche Masse der bekannten Schwarzen Löcher stellaren Ursprungs in unserer Galaxie beträgt etwa das Zehnfache der Masse unserer Sonne. Bisher wurde der Rekord von einem Schwarzen Loch in einem Röntgendoppelstern im Sternbild Schwan (Cyg X-1) gehalten, dessen Masse auf etwa das 20-fache der Sonne geschätzt wird.

Anhand der Gaia-Daten konnten die Forschenden die Masse des Schwarzen Lochs Gaia BH3 genau bestimmen und es als erstes Schwarzes Loch mit einer präzisen Massenmessung bestätigen. Mit der 30-fachen Masse der Sonne deckt es sich mit den Schätzungen für weit entfernte Schwarze Löcher, die mit Hilfe von Gravitationswellen entdeckt wurden, was die Existenz solch schwerer Schwarzer Löcher bestätigt. Die Entstehung solch massereicher Schwarzer Löcher stellt jedoch eine Herausforderung für das derzeitige Verständnis dar, da die gängigen Theorien zur Entwicklung massereicher Sterne ihre Entstehung nicht erklären können. In der Nähe von Gaia BH3 könnten jedoch Hinweise zur Lösung dieses Rätsels zu finden sein.

Ein ungewöhnlicher Stern umkreist Gaia BH3 in einer Entfernung, die etwa 16-mal so groß ist wie die Entfernung der Sonne zur Erde. Er stammt aus den frühen Stadien der Entstehung der Milchstraße. Der Riesenstern gehört zum galaktischen Halo und bewegt sich in entgegengesetzter Richtung zu den Sternen in der galaktischen Scheibe, was darauf hindeutet, dass er wahrscheinlich aus einer Zwerggalaxie oder einem Kugelsternhaufen stammt, der vor über acht Milliarden Jahren von unserer eigenen Galaxie verschluckt wurde. Die elementare Zusammensetzung des Begleitsterns, der keine schweren Elemente enthält, stützt diese Theorie. Die Zusammensetzung deutet auch darauf hin, dass sich das Doppelsternsystem nach der Geburt von Gaia BH3 gebildet haben könnte, möglicherweise durch Einfangen des Begleitsterns aus einem anderen System.

Die Gaia-Kollaboration stieß auf diesen „schlafenden“ Riesen, als sie zur Vorbereitung der Veröffentlichung des vierten Gaia-Katalogs die Korrektheit der vorläufigen Daten überprüfte. Da die Entdeckung so außergewöhnlich ist, entschied die Gaia-Kollaboration, sie schon vor der offiziellen Datenveröffentlichung bekanntzugeben. Die nächste Veröffentlichung von Gaia-Daten verspricht eine Goldgrube für die Untersuchung von Doppelsternsystemen und die Entdeckung weiterer ruhender Schwarzer Löcher in unserer Galaxie zu werden.

Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) ist Teil der Gaia-Kollaboration, die alle Gaia-Daten für die Veröffentlichung vorbereitet, und als solches an dieser spektakulären Entdeckung beteiligt.

Originalveröffentlichung:
Gaia Collaboration, P. Panuzzo et al. 2023: “Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry”, doi.org/10.1051/0004-6361/202449763 , https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202449763.

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• GAIA

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Quelle: Universität Potsdam (UP) 7. Dezember 2023.

7. Dezember 2023 – Das Team konnte zeigen, dass es sich um einen universellen Prozess handelt. Der Potsdamer Astrophysiker Dr. Martin Wendt ist an der Studie beteiligt, die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde.

Galaktische Winde entstehen durch die Explosion von massereichen Sternen in Galaxien. Dabei wird Materie kegelförmig entlang der Rotationsachse einer Galaxie ausgestoßen, senkrecht zu beiden Seiten der galaktischen Ebene. Durch diesen Prozess wird Materie zwischen Galaxien und ihrer kosmischen Umgebung ausgetauscht und somit das Wachstum von Galaxien begrenzt.

Mithilfe des Instruments Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), das Teil des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile ist, gelang es den Forschenden nun, Galaktische Winde mit einer speziellen Technik sichtbar zu machen. Sie kombinierten dafür Bilder von mehr als 100 Galaxien, die mit sehr langen Belichtungszeiten aufgenommen wurden. Um die Form und Verteilung von Galaktischem Wind zu kartieren, nutzte das Team ausströmende Magnesiumatome.

Die neuen Erkenntnisse können künftig dabei helfen, die Ausdehnung der Winde und die Mengen an Materie, die sie transportieren, genau zu messen. Ko-Autor Dr. Martin Wendt vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam sagt: „Es ist immer wieder beeindruckend wie sich unser Bild vom Universum mit neuen Beobachtungen erweitert und verfeinert.“

Link zur Publikation:
Guo, Y., Bacon, R., Bouché, N.F. et al. & Wendt, M. Bipolar outflows out to 10 kpc for massive galaxies at redshift z ≈ 1. Nature 624, 53–56 (2023).
doi.org/10.1038/s41586-023-06718-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06718-w

Link zur Pressemitteilung CNRS:
https://www.cnrs.fr/en/press/stellar-winds-regulate-growth-galaxies

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: AIP 6. Dezember 2023.

6. Dezember 2023 – Ein internationales Forschungsteam, das vom französischen Centre national de la recherche scientifique (CNRS) geleitet wurde, fand bei der Untersuchung einer Stichprobe von rund 100 Galaxien die für galaktische Winde charakteristischen doppelkegelförmigen Strukturen vor. Diese werden jedoch nur in bestimmten Spektrallinien des Lichts und nur bei extrem hoher Empfindlichkeit der Messung erkennbar. Zuvor waren nur einige wenige solcher Fälle bekannt, die meisten davon ebenfalls mit dem MUSE-Instrument entdeckt. Prof. Dr. Lutz Wisotzki, Leiter der Abteilung Galaxien und Quasare am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP), und Mitautor des Fachartikels im Wissenschaftsmagazin „Nature“ sagt dazu: „MUSE zeigt uns, dass solche galaxienweiten Ausströmungen in so gut wie jeder sternbildenden Galaxie vorhanden sind. Darüber hinaus können wir anhand der neuen Ergebnisse genau erkennen, welche Ausdehnung und welche Form diese galaktischen Winde typischerweise haben. Bisher war dies nur in sehr seltenen Extremfällen möglich.“

Es wird angenommen, dass ausströmendes Gas eine entscheidende Rolle bei der kosmischen Entwicklung von Galaxien spielt, indem es deren Wachstum und Sternentstehung reguliert. Theoretische Berechnungen sagen „bipolare“ Formen für die Ausströmungen vorher, die sich oberhalb und unterhalb der Galaxienebene bis weit in das zirkumgalaktische Medium erstrecken. Ähnliche Formen wurden auch in einigen nahen Galaxien, beispielsweise der „Zigarrengalaxie“ M82 und sogar in unserer eigenen Milchstraße, schon direkt beobachtet, allerdings sieht man hier nur die innersten Bereiche und kann kein Gesamtbild erstellen.

Kosmologische Simulationen der Galaxienbildung sagen für das junge Universum voraus, dass das Phänomen der galaktischen Winde während dieser Frühphasen deutlich häufiger und stärker auftrat: Aufgrund der höheren Sternbildungsaktivität junger Galaxien gab es mehr Supernova-Explosionen und dadurch stärkere Ausströmungen. Diese transportieren Gas und Energie aus einer Galaxie in ihre Umgebung und entziehen ihr somit den notwendigen Treibstoff für weitere Sternentstehung, während sie gleichzeitig ihre „zirkumgalaktische“ Umgebung anreichern. Dieser Rückkopplungsprozess ist vermutlich ein entscheidendes Element für unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, er ist aber aufgrund der schwierigen Nachweisbarkeit des Phänomens nur sehr unzureichend durch Beobachtungen erforscht.

Die neue Studie mit dem MUSE-Instrument zeigt nun unmittelbar, dass das galaktische Gas bis zu einer Entfernung von mehr als 30.000 Lichtjahren in die Umgebung der Galaxien ausströmt. Dabei hängt das beobachtbare Signal stark von der Ausrichtung der Galaxie relativ zur Sichtlinie ab: Sieht man das System von der Seite, so findet sich starke Emission oberhalb und unterhalb der Galaxienebene, während bei Galaxien, die wir von „oben“ oder „unten“ betrachten, das Signal schwächer und gleichmäßiger verteilt ist. Diese Beobachtungen bestätigen auf sehr eindrückliche Weise die zuvor theoretisch vorhergesagte bipolare Form der Ausströmungen senkrecht zur Galaxienebene.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
Guo, Y., Bacon, R., Bouché, N.F. et al. Bipolar outflows out to 10 kpc for massive galaxies at redshift z ≈ 1. Nature 624, 53–56 (2023).
doi.org/10.1038/s41586-023-06718-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06718-w

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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AIP 21. November 2023.

21. November 2023 – Dank des neuesten Katalogs des ESA-Satelliten Gaia konnte ein internationales Team nachweisen, dass Zwerggalaxien aus dem Gleichgewicht geraten sein könnten. Die Studie wirft wichtige Fragen zum kosmologischen Standardmodell auf, insbesondere zum Vorhandensein Dunkler Materie in unserer unmittelbaren Umgebung.

Eine Besonderheit dieser Studie liegt in der Rolle der Dunklen Materie. Erstens verhindert das fehlende Gleichgewicht eine Schätzung der dynamischen Masse der Zwerggalaxien der Milchstraße und damit ihres Anteils an Dunkler Materie. Zweitens: Während im vorherigen Szenario die Dunkle Materie die vermeintliche Stabilität von Zwerggalaxien sicherte, wird sie bei Objekten, die aus dem Gleichgewicht geraten sind, eher hinderlich. Enthielte nämlich der Zwerg bereits viel Dunkle Materie, hätte diese seine anfängliche rotierende Sternscheibe stabilisiert und seine Umwandlung in eine Galaxie mit zufälligen Sternbewegungen, wie sie beobachtet werden, verhindert.

Die beschriebene erst kürzliche Ankunft von Zwerggalaxien und ihre Umwandlung im Halo erklären viele beobachtete Eigenschaften dieser Objekte, insbesondere, warum sie Sterne in großer Entfernung von ihrem Zentrum besitzen. Ihre Eigenschaften scheinen sich auch ohne Dunkle Materie erklären zu lassen – im Gegensatz zur bisherigen Auffassung, dass Zwerggalaxien die am stärksten von Dunkler Materie dominierten Objekte sind. Nun stellen sich viele Fragen, wie zum Beispiel: Wo sind die vielen von Dunkler Materie dominierten Zwerggalaxien, die das kosmologische Standardmodell um die Milchstraße erwartet? Wie können wir auf den Gehalt an Dunkler Materie in einer Zwerggalaxie schließen, wenn kein Gleichgewicht angenommen werden kann? Welche anderen Beobachtungen könnten zwischen den vorgeschlagenen Zwerggalaxien außerhalb des Gleichgewichts und dem klassischen Bild mit von Dunkler Materie dominierten Zwergen unterscheiden?

Man geht seit langem davon aus, dass die Zwerggalaxien rund um die Milchstraße uralte Satelliten sind, die unsere Galaxie seit fast 10 Milliarden Jahren umkreisen. Dazu müssten sie riesige Mengen an Dunkler Materie enthalten, um sie vor den enormen Gezeiteneffekten zu schützen, die durch die Anziehungskraft unserer Galaxie verursacht werden. Es wurde angenommen, dass Dunkle Materie die Ursache für die großen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Sternen in diesen Zwerggalaxien ist.

Die neuesten Gaia-Daten haben nun ein völlig anderes Bild der Eigenschaften von Zwerggalaxien ergeben. Astronominnen und Astronomen des Pariser Observatoriums PSL, des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) waren in der Lage, die Geschichte der Milchstraße zu datieren, und zwar dank der Beziehung zwischen der Bahnenergie eines Objekts und seiner Eintrittszeit in den Halo, dem Zeitpunkt, zu dem sie erstmals vom Gravitationsfeld der Milchstraße erfasst wurden: Objekte, die zu früheren Zeiten in die Milchstraße eindrangen, als diese noch weniger massereich war, haben eine niedrigere Energie als solche, die erst kürzlich eintrafen. Die Bahnenergie der meisten Zwerggalaxien ist überraschenderweise deutlich größer als jene der Sagittarius-Zwerggalaxie, die vor 5 bis 6 Milliarden Jahren in den Halo eintrat. Dies deutet darauf hin, dass die meisten Zwerggalaxien erst vor viel kürzerer Zeit, nämlich vor weniger als drei Milliarden Jahren, in den Halo eingetreten sind.

Eine solche jüngste Ankunft bedeutet, dass die nahen Zwerggalaxien von außerhalb des Halos stammen, wo fast alle Zwerggalaxien riesige Reservoirs an neutralem Gas enthalten. Diese gasreichen Galaxien verloren ihr Gas, als sie mit dem heißen Gas des galaktischen Halos zusammenstießen. Die Gewalt der Schocks und Turbulenzen in diesem Prozess veränderte diese Zwerggalaxien völlig. Während die zuvor gasreichen Zwerggalaxien durch die Rotation von Gas und Sternen bestimmt wurden, wird ihre Schwerkraft bei der Umwandlung in gasfreie Systeme durch die zufälligen Bewegungen der verbleibenden Sterne ausgeglichen. Der Prozess, mit dem Zwerggalaxien ihr Gas verlieren, ist so heftig, dass er sie aus dem Gleichgewicht bringt. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit, mit der sich ihre Sterne bewegen, nicht mehr im Gleichgewicht mit ihrer Gravitationsbeschleunigung ist. Die kombinierten Auswirkungen von Gasverlust und Gravitationsschocks durch den Sturz in die Galaxie erklären die große Streuung der beobachteten Geschwindigkeiten der Sterne innerhalb des Überrests der Zwerggalaxie gut.

Originalveröffentlichung
Francois Hammer, Jianling Wang, Gary A Mamon, Marcel S Pawlowski, Yanbin Yang, Yongjun Jiao, Hefan Li, Piercarlo Bonifacio, Elisabetta Caffau, Haifeng Wang, The accretion history of the Milky Way – II. Internal kinematics of globular clusters and of dwarf galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 2, January 2024, Pages 2718–2733.
doi.org/10.1093/mnras/stad2922
https://arxiv.org/abs/2311.05677
pdf: https://arxiv.org/pdf/2311.05677

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• Die Milchstraße

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Quelle: DESY 13. Juni 2023.

13. Juni 2023 – Die Dunkle Materie ist eines der größten wissenschaftlichen Rätsel des Universums: Aus astronomischen Beobachtungen weiß man, dass sie rund 26 Prozent des gesamten Energieinhalts des Universums ausmacht und damit etwa fünfmal so häufig vorkommt wie die uns bekannte „normale“ Materie. Bisher entzog sich dieser geheimnisvolle Stoff aber jedem direkten Nachweis, da er nur extrem schwach mit der uns umgebenden normalen Materie wechselwirkt.

Um mehr Licht in diesen dunklen Teil des Universums zu bringen, hat das CNRS zusammen mit DESY, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und dem Karlsruher Institut für Technologie das DMLab gegründet. Ziel ist es, die Zusammenarbeit zwischen den beiden Ländern zu stärken und das Potenzial für Entdeckungen zu fördern. „Wir wollen das teilweise komplementäre Fachwissen und die unterschiedlichen Infrastrukturen der deutschen und der französischen Seite zusammenbringen, um Themen von gemeinsamem Interesse nachhaltig voranzubringen und so auch international größere Sichtbarkeit zu erlangen“, sagt DESY-Forscher Thomas Schörner, deutscher Direktor des Dark Matter Labs. Die Hebelwirkung des IRL wird auch Finanzierungsanträge der IRL-Teams bei den nationalen französischen und deutschen Fördereinrichtungen unterstützen.

Zu den wissenschaftlichen Themengebieten des DMLab gehören unterschiedlichste Aspekte der Suche nach Dunkler Materie: direkte Suchen nach Teilchen der Dunklen Materie, die Entwicklung innovativer Detektor- und Beschleunigertechnologien sowie das theoretische Studium von Dunkler Materie. Aber auch die Astroteilchenphysik mit ihrem Multimessenger-Ansatz, der Gravitationswellen mit einbezieht, und das wissenschaftliche Computing mit Themen wie künstlicher Intelligenz und Datenmanagement zählen zu den Tätigkeiten.

Ein gemeinsames Projekt, in dem sich das DMLab engagieren wird, ist das Experiment MADMAX (Magnetized Disc and Mirror Axion Experiment). Die internationale MADMAX-Kollaboration hat sich 2017 bei DESY gegründet und will sich auf die Suche nach Axionen machen, hypothetischen, ultraleichten Teilchen, die Bausteine der Dunklen Materie sein könnten. Die Idee ist, dass sich diese Axionen an Grenzflächen verschiedener Materialien in einem sehr starken Magnetfeld bemerkbar machen könnten.

Das DMLab wird für zunächst fünf Jahre ins Leben gerufen. Organisatorisch ist es eine Einrichtung des französischen IN2P3 (Institut National de Physique Nucleaire et de Physique des Particules) im CNRS, das in Deutschland einen weiteren Standort erhält. Zehn der bereits bestehenden und in ganz Frankreich verteilten IN2P3-Standorte sind an DMLab beteiligt. Das Labor wird französischen Wissenschaftler:innen ermöglichen, längere Forschungsaufenthalte von mindestens einem Jahr in Deutschland zu verbringen. Mit Hilfe der auch von DESY, GSI und KIT zugesagten Förderung wird ein reger Austausch in beide Richtungen erwartet, der sich produktiv auf alle Projekte im DMLab auswirken wird.

„Vor 40 Jahren hat die bilaterale Zusammenarbeit zwischen IN2P3 und DESY mit dem gemeinsamen Experiment Cello am PETRA-Ring begonnen“, resümiert Dirk Zerwas, französischer Direktor des DMLab. „Das Dark Matter Lab ist eine einzigartige Möglichkeit, die Zusammenarbeit zwischen CNRS-IN2P3 und den Helmholtz-Forschungszentren weiter zu vertiefen.“

Über das DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Seit 2018, als im Rahmen der InSight Mission der NASA das Seismometer SEIS auf der Marsoberfläche installiert wurde, haben Seismologen und Geophysiker der ETH Zürich seismische Wellen von mehr als 1300 Marsbeben registriert. Immer wieder haben die Forschenden kleinere und größere Beben feststellen können. Nun förderte eine detaillierte Analyse des Orts und der spektralen Eigenschaften dieser Marsbeben Überraschendes zutage: Die Beben geben nämlich Hinweise darauf, dass die Marsoberfläche noch immer von vulkanischen Aktivitäten geprägt wird.

Anzeichen neuerer Aktivitäten auf dem Mars
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich hat mehr als 20 neuere Marsbeben analysiert, die ihren Ursprung in den Cerberus Fossae hatten – das ist eine aus verschiedenen Gräben und Brüchen bestehende Region auf dem Mars. Aus den seismischen Daten schlossen die Forschenden, dass die niedrigfrequenten Beben auf eine potenziell warme Quelle hindeuten. Diese würde sich erklären lassen durch in neuerer Zeit und in dieser Tiefe geschmolzene Lava, das heißt Magma unter der Marsoberfläche, sowie vulkanische Aktivitäten auf dem Mars. Insbesondere stellten die Forschenden fest, dass die Beben größtenteils im innersten Teil des Grabensystems der Cerberus Fossae stattfanden.

Als sie seismische Daten mit Aufnahmen des entsprechenden Bereichs verglichen, entdeckten die Forschenden zudem nicht nur in der Hauptwindrichtung, sondern in verschiedene Richtungen um die Cerberus Fossae herum dunklere Ascheablagerungen. «Der dunklere Farbton dieser Asche weist neuere vulkanische Aktivität nach, die vielleicht innerhalb der letzten 50’000 Jahre aufgetreten ist. Das ist geologisch gesehen relativ jung», erklärt Simon Stähler, der Erstautor eines soeben in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikels. Stähler ist leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter der von Professor Domenico Giardini geleiteten Gruppe Seismologie und Geodynamik am Institut für Geophysik der ETH Zürich.

Wozu Untersuchungen auf unserem Nachbarplaneten?
Die Nachbarplaneten der Erde zu untersuchen, ist keine einfache Aufgabe. Der Mars ist der einzige Planet neben der Erde, auf dem Forschende bodengestützte Rover, Lander und jetzt sogar Drohnen stationiert haben, welche Daten übertragen. Für die Erkundung aller anderen Planeten ist man bisher auf Bilder aus dem Weltraum angewiesen. «SEIS ist das empfindlichste je auf einem anderen Planeten installierte Seismometer», sagt Domenico Giardini. «Es bietet Geophysikern und Seismologen die Möglichkeit, mit aktuellen Daten zu arbeiten, die aufzeigen, was gerade auf dem Mars passiert, und zwar sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren.» Zusammen mit Aufnahmen aus der Umlaufbahn bieten die seismischen Daten verlässliche wissenschaftliche Hinweise.

Als einer unserer unmittelbaren Nachbarplaneten ist der Mars auch wichtig für das Verständnis ähnlicher geologischer Prozesse auf der Erde. Der Rote Planet ist der einzige uns bekannte Planet, dessen Kern aus Eisen, Nickel und Schwefel besteht, die möglicherweise einst Teil eines Magnetfelds waren. Topografische Erkenntnisse deuten zudem darauf hin, dass der Mars früher über große Wassermengen und eine potenziell dichtere Atmosphäre verfügte. Noch heute gibt es gefrorenes Wasser an den Polkappen des Planeten, wenn auch wahrscheinlich größtenteils als Trockeneis. «Auch wenn es noch viel zu entdecken gibt, ist der Nachweis eines möglichen Magmavorkommens auf dem Mars spannend», so Anna Mittelholz, die als Postdoc an der ETH Zürich und der Harvard University tätig ist.

Letzte Reste geophysischen Lebens
Schaut man sich Bilder der trockenen, staubigen Weiten der Marslandschaft an, ist schwer vorstellbar, dass der Mars vor etwa 3,6 Milliarden Jahren lebendig war – zumindest aus geophysischer Sicht. Jedenfalls spie er ausreichend lange Vulkanschutt aus, um die Tharsis-Berge, das größte Vulkansystem unseres Sonnensystems, und den Olympus Mons zu bilden, einen Vulkan, der fast dreimal so hoch ist wie der höchste Berg der Erde, der Mount Everest.

Dass sich der Bebenherd in den nahen Cerberus Fossae – benannt nach dem Höllenhund aus der griechischen Mythologie – befand, deutet darauf hin, dass der Mars noch nicht ganz tot ist. Hier kommt es zum Absinken in der Vulkanregion und zur Bildung paralleler Gräben (oder Brüche), wodurch die Kruste des Planeten ähnlich wie die eines Kuchens im Backofen aufreißt. Laut Stähler ist es möglich, dass das, was wir dort sehen, der Rest einer ehemals aktiven Vulkanregion ist oder dass das Magma sich gerade weiter nach Osten hin zum nächsten Ausbruchherd bewegt.

An der Studie waren Forschende der ETH Zürich, der Harvard University, der Universität Nantes, des CNRS Paris, des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Berlin sowie des Caltech beteiligt.

Originalpublikation:
Stähler SC, Mittelholz A, Perrin C, Kawamura T, Kim D, Knapmeyer M, Zenhäusern G, Clinton J, Giardini D, Longnonné, P, Banerdt WB: Tectonics of Cerberus Fossae unveiled by marsquakes. Nature Astronomy, 2022, DOI:10.1038/s41550-022-01803-y, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01803-y, https://arxiv.org/abs/2206.15136, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.15136.

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• InSight auf Atlas V 401
• Planet Mars

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Quelle: MPA 12. Mai 2022.

12. Mai 2022 – Zumindest ein blubbernder Stern ist uns sehr gut bekannt: Bereits im 19. Jahrhundert beobachteten Astronomen kleine Muster auf der Oberfläche der Sonne (sogenannte „konvektive Zellen“), die sich wie kochendes Wasser in einem Topf verhalten. In den äußeren Schichten der Sonne erhitzt sich das Gas und steigt zur Oberfläche auf, wo es sich abkühlt und wieder absinkt. Ein ähnlicher Prozess findet auch in massereichen Sternen statt, zum Beispiel in roten Überriesen, die sich bereits in einer späteren Phase der Sternentwicklung befinden. Diese Sterne sind mindestens achtmal so massereich wie die Sonne, viel kühler (etwa 3500 Kelvin) und riesig (sie haben mindestens den 700-fachen Durchmesser der Sonne). Wäre unsere Sonne ein roter Überriese, würde ihre Oberfläche die Umlaufbahn des Mars einschließen.

Rote Überriesen haben sich so stark ausgedehnt, dass ihre Oberflächengravitation extrem niedrig ist; sie kann mehr als 70.000 Mal kleiner sein als die der Sonne. Aufgrund dieser geringen Schwerkraft sind die konvektiven Zellen extrem ausgedehnt und können bis zu 20-30% des Sternradius einnehmen. Außerdem befördert die Konvektion Gas aus dem Sterninneren an dessen Oberfläche, was den Ausstoß von Materie in die zirkumstellare Umgebung begünstigt. Eine roter Überriese setzt eine kolossale Gasmenge frei, das Milliardenfache des Massenverlustes der Sonne. Sie sind die hellsten Sterne im Universum im infraroten Spektralbereich und die Untersuchung ihrer physikalischen Eigenschaften ist sehr wichtig, um die späten Phasen der Entwicklung massereicher Sterne besser zu verstehen.

Eine große Unsicherheit bei der Beobachtung roter Überriesen besteht jedoch darin, dass die Position des Photozentrums – d.h. des Zentrums ihrer Lichtemission – nicht mit dem Baryzentrum des Sterns übereinstimmt und sich zudem aufgrund der zeitlichen Änderung des Konvektionsmusters ständig verschiebt. Um diese Bewegungen zu quantifizieren, ist ein theoretischer Ansatz erforderlich, der auf dreidimensionalen, hydrodynamischen Simulationen der Gasbewegung in den atmosphärischen Schichten von Sternen in Verbindung mit Strahlung beruht. Diese Modelle simulieren die gesamte Hülle des Sterns im Laufe der Zeit.

„Die synthetischen Karten zeigen extrem unregelmäßige Oberflächen, auf denen sich die größten Strukturen auf Zeitskalen von Monaten oder sogar Jahren entwickeln, während sich kleinere Strukturen im Laufe von mehreren Wochen ändern“, führt der Leiter der Studie Andrea Chiavassa vom Laboratoire Lagrange, dem Exzellenzcluster ORIGINS und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik aus. „Das bedeutet, dass sich die Position des Sterns in Abhängigkeit von der Zeit verändern sollte.“

Das Team berechnete die Verschiebung des Photozentrums in den Simulationen und verglich sie mit der Messunsicherheit von Sternen in χ Perseus, einem nahegelegenen, jungen Sternhaufen, die in Phase 3 der Gaia-Mission beobachtet wurden. Gaia ist eine astrometrische, photometrische und spektroskopische Mission im All, die einen großen Teil der Milchstraße vermisst. Der Perseus-Sternhaufen ist gut erforscht und enthält eine relativ große Population roter Überriesen sowie andere Sterne. „Wir haben festgestellt, dass die Positionsunsicherheiten bei roten Überriesen viel größer sind als bei anderen Sternen. Dies bestätigt, dass sich ihre Oberflächenstrukturen mit der Zeit dramatisch verändern, so wie es unsere Berechnungen vorhersagen“, erklärt Rolf Kudritzki, Mitautor der Studie von der Universitätssternwarte München und dem Institute for Astronomy, Hawaii.

Rote Überriesen tragen wesentlich zur chemischen Anreicherung von Galaxien bei. Um die Sternentwicklung im nahen und fernen Universum und ihre Auswirkungen auf die kosmische Umwelt zu verstehen, ist eine detaillierte Kenntnis der Windphysik während des Lebenszyklus dieser Sterne erforderlich. Dazu ist es erforderlich, die gesamte ausgestoßene Masse sowie deren Art, die Geschwindigkeit der Winde und die Gesamtgeometrie der zirkumstellaren Hülle zu ermitteln.

„Das tanzende Muster roter Riesensterne am Himmel könnte uns mehr über ihre kochenden Hüllen verraten“, erklärt Selma de Mink, Mitautorin und Direktorin am Max-Planck-Institut für Astrophysik. „Mit unserem Ansatz und in Kombination mit den Gaia-Daten werden wir in der Lage sein, wichtige Informationen über die stellare Dynamik zu extrahieren und die physikalischen Prozesse besser zu verstehen, die die starke Konvektion in diesen Sternen verursachen.“

Originalveröffentlichung
A. Chiavassa, et al.
Probing Red Supergiant dynamics through photo-center displacements measured by Gaia
A&A, 661, L1
Source: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/05/aa43568-22/aa43568-22.html
DOI: https://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/202243568

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• Sternentwicklung

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Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Universität Innsbruck.

Radiogalaxien gehören zur Klasse von Galaxien mit einem aktiven und hell leuchtenden Zentrum, aus dem riesige, gerichtete Materieströme ausgestoßen werden, die als Jets bezeichnet werden. Als Energiequelle dieser Jets werden extrem massereiche Schwarze Löcher mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen vermutet. Jets aus aktiven Galaxienkernen können durch den Einfall von Materie auf ein solches supermassives schwarzes Loch erklärt werden. Sie werfen Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit über Hunderte bis Tausende von Lichtjahren weit ins Weltall. Durch die große Entfernung zu diesen Objekten können ihre Strukturen jedoch nur für die nächsten von ihnen aufgelöst werden.

Im Fall der – auf astronomischen Skalen – nur rund 12 Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A, einer der hellsten Galaxien des Südhimmels, wurde der Jet bislang vom Radiobereich bis hin zu Röntgenenergien vermessen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Dr. Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. Ob die höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder aber vom Jet emittiert wird, konnte man daher bis dato nicht feststellen. Hier setzt ein wichtiger Beitrag der Innsbrucker Astrophysiker zur kollaborativen Studie an: Wie kürzlich bei der erfolgreichen Vermessung des Krebsnebels verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Olaf Reimer auch für die Untersuchung der Strukturen von Centaurus A eine neuartige Simulationsumgebung. Diese ermöglichte eine weitaus präzisere Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit mit den H.E.S.S.-Teleskopen.

„Die Simulationen, die wir für die Auswertung benötigten, werden üblicherweise vor den Beobachtungen generiert. In unserer Simulationsumgebung gibt es aber für jede Beobachtung in der Analyse eine maßgeschneiderte Simulation“, erklärt Astrophysiker Markus Holler. So ist es gelungen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen. „Wir können also nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen.” Die gemessene Ausdehnung des Jets von über 2 Winkelminuten (siehe Abbildung) im Gammastrahlenlicht enthüllt dabei ein spannendes Geheimnis: Nämlich die Antwort auf die Frage, wo und wie die höchstenergetische Gammastrahlung von Centaurus A entsteht.

Rückschlüsse auf Teilchenbeschleunigung im Jet
Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente – v.a. Radio- und Röntgenstrahlenbeobachtungen – gewonnenen Informationen über Centaurus A sowie die von H.E.S.S. vermessene Emission des Jets in einer Modellierung, so lässt sich letztere nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären. „Die alleinige Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen”, verdeutlicht die Theoretikerin Prof. Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ein zentrales Ergebnis der Studie. „Inwieweit ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist, die nicht durch extreme Radiohelligkeit wie Centaurus A auffallen, ist eine Frage, die das künftige Cherenkov Telescope Array (CTA) beantworten sollte”, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau des Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert. Ob Centaurus A also als generisch für viele weitere Galaxien betrachtet werden kann, wird sich in weiteren Forschungsvorhaben zeigen.

Indirekte Messung von Gammastrahlung
Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied, Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck leitet die österreichische H.E.S.S.-Gruppe.

Publikation:
The H.E.S.S. Collaboration: “Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A”

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• H.E.S.S. Teleskope

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Ein Beitrag von dominikpuckert. Quelle: CNRS.

Wissenschaftler des staatlichen französischen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris geben bekannt, dass das Weltraum eine flache Form besitzt. Das internationale Archeops-Projekt hat dies in der größten Vermessung des Alls herrausgefunden.
Dass das All eine flache Geometrie besitzt, hatte schon der Forschungsballon „Boomerang“ vor 2 Jahren festgestellt, wobei auch hier die kosmische Hintergrundstrahlung der Messung diente. Des weiteren dehne sich das All unendlich aus, wie das Max-Planck Institut bekannt gibt. Bei der Entstehung des Alls durch den Urknall wurden extreme Energiemengen frei, welche heute eine Art Hintergrund-„Feuerwand“ im langwelligen Bereich bilden. Die neuen Ergebnisse sollen die Urknall-theorie weiter festigen.
Wie auch vor 2 Jahren benutze man einen Forschungsballon, der in der Stratosphäre platziert wurde um dort das sogenannte „Echo des Alls“ einzufangen. Im Jahre 2007 wird ein ESA Satellit („Planck“) starten, um genauere Aufzeichnungen zu erhalten.

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