Zur allseitigen Beruhigung sei geschrieben, dass jegliche Enden des Universums in so unvorstellbar weiter Zukunft liegen, dass sie keinerlei Auswirkungen auf das Leben auf der Erde haben. Wir Menschen sind davon nicht betroffen.

Analog zum Begriff des Urknalls, auf Englisch „Big Bang“, werden vor allem drei verschiedene potenzielle Schicksale für unser Universum diskutiert: Da wäre der „Big Crunch“, bei dem das Universum in einer Art kosmischer Symmetrie am Ende wieder in sich zusammenstürzt – eine Art umgekehrter Urknall. Bei einem „Big Rip“ hingegen würde das genaue Gegenteil eintreten und das Universum würde sich so schnell ausdehnen, dass es letztendlich zerreißt – seinen gesamten Inhalt eingeschlossen. Der „Big Freeze“ hingegen bezeichnet den Kältetod des Universums: Im expandierenden Universum würden einfach nach und nach die Lichter ausgehen, Galaxien wären in so weiter Ferne, dass jede Sterneninsel für sich allein durchs All driftet und das Universum würde immer größer, kälter und leerer werden. Bis irgendwann gar nichts mehr passiert – und auch nie wieder passieren wird.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi vom ultimativen Schicksal unseres Universums, was mit ihm am Ende der Zeit passiert – und was die mysteriöse Dunkle Energie damit zu tun hat, die derzeit dafür sorgt, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig 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 Apple Podcasts oder Spotify zu finden.

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

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• AstroGeo Podcast
• Dunkle Energie
• Expansion des Universums

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Aus und vorbei – das Ende des Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Unser Universum ist etwa 13,8 Milliarden Jahre alt, und mit der Zeit sind aus kleinsten Ungleichheiten am Anfang die großen Strukturen gewachsen, die Teleskope am Nachthimmel sehen können: Galaxien wie unsere Milchstraße, Galaxienhaufen und noch größere Ansammlungen von Materie oder dünne Strukturen aus Gas und Staub. Wie schnell dieses Wachstum vonstattengeht, hängt zumindest im heutigen Universum von einer Art Ringkampf der Naturkräfte ab: Was hat die Dunkle Materie, die durch ihre Gravitation alles zusammenhält und noch mehr Materie anzieht, der Dunklen Energie, die das Universum auseinandertreibt, entgegenzuhalten? „Diesen Ringkampf können wir beobachten, wenn wir die Strukturen am Himmel genau vermessen können“, sagt LMU-Astrophysiker Daniel Grün. Dazu dienen teleskopische Beobachtungsprojekte, die große Teile des Himmels sehr genau in Bilder fassen: zum Beispiel der Dark Energy Survey mit dem Blanco-Teleskop in Chile und der kürzlich in Betrieb genommene Euclid-Satellit. An beiden Projekten sind LMU-Wissenschaftler und -Wissenschaftlerinnen, teilweise in leitender Funktion, seit Jahren beteiligt.

Bisher größter Datensatz ausgewertet
Die Entfernungen der einzelnen Strukturen und Galaxien von uns exakt zu bestimmen, ist dabei nicht immer einfach, aber besonders wichtig. Denn je größer der Abstand, desto länger war das Licht einer Galaxie zu uns unterwegs und desto älter ist also die Momentaufnahme des Universums, die wir uns aus ihrer Beobachtung machen können. Eine wichtige Quelle dafür ist etwa die beobachtete Farbe einer Galaxie, die von erdgebundenen Teleskopen wie dem Blanco-Teleskop oder Satelliten wie Euclid gemessen wird. Eine neue Arbeit eines Teams um Jamie McCullough und Daniel Grün im Fachmagazin MNRAS liefert nun mit dem bisher größten Datensatz Aufschluss darüber, was die Farbe verschiedener Galaxien tatsächlich über ihren wahren Abstand aussagt.

Prinzipiell lässt sich der Abstand einer Galaxie mithilfe von Spektroskopie genau bestimmen. Dabei vermisst man die Spektrallinien von entfernten Galaxien. Diese scheinen, da das Universum sich insgesamt ausdehnt, eine umso größere Wellenlänge zu haben, je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist. Denn das Licht ferner Galaxien erfährt auf dem langen Weg zu unserer Galaxie ebenfalls eine Ausdehnung der Wellenlänge. Dieser Effekt, Rotverschiebung genannt, verändert auch die scheinbaren Farben, die die Instrumente im Bild der Galaxie messen. Sie wirken röter, als sie sind. Das ist ähnlich dem Dopplereffekt beim Martinshorn eines sich entfernenden Krankenwagens, bei dem sich auch die scheinbare Tonhöhe beim Vorbeifahren ändert.

Keine zwei Galaxien sind gleich
Jamie McCullough, Doktorandin an der LMU und an der Universität Stanford, verwendete für ihre Analyse spektroskopische Messungen des Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) und verknüpfte sie mit dem bisher größten Datensatz zur genauen Messung von Galaxien-Farben (KiDS-VIKING). Konkret kombinierten die Autoren spektroskopische Daten von DESI aus insgesamt 230.000 Galaxien mit den Farben dieser Galaxien in der KiDS-VIKING-Durchmusterung und bestimmten daraus jeweils die Beziehung zwischen der Entfernung einer Galaxie von uns und ihrer beobachteten Farbe und Helligkeit. Keine zwei Galaxien im Universum sind gleich, aber für jede Klasse ähnlicher Galaxien gibt es eine spezielle Beziehung zwischen beobachteter Farbe und Rotverschiebung. „Wenn wir Entfernungsinformationen mit Messungen der Form von Galaxien kombinieren können, können wir aus den Lichtverzerrungen großräumige Strukturen herauslesen“, sagt Jamie McCullough. Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es, aus den Aufnahmen von Euclid oder dem Dark Energy Survey für jede in Bildern beobachtete Galaxie den wahren Abstand statistisch zu bestimmen.

DESI-Kartierung: Interaktiver Flug durch Millionen von Galaxien
So besteht dann die Möglichkeit, aus den beobachteten Verzerrungen der Galaxienbilder selbst etwas über das Verhalten kosmischer Strukturen heute und vor Milliarden von Jahren zu lernen und diese besser zu verstehen. Dies gibt einen Einblick in die Entwicklungsgeschichte des Universums. Um den Verlauf der Strukturbildung mit der Zeit beobachten zu können, muss man nicht Milliarden Jahre warten, sondern nur die Struktur in verschiedenen Abständen von der Erde vermessen. Mit Bildern alleine ist das aber fast unmöglich, denn der Abstand einer Galaxie von uns ist nicht ohne Weiteres aus ihrer Erscheinung in einem Bild abzulesen. Die Studie von Jamie McCullough enthält den Schlüssel hierzu: Sie liefert ein Modell dafür, was die scheinbare „Farbe“ einer Galaxie uns über ihren Abstand von uns aussagt.

Beobachten, wie Dunkle Materie und Dunkle Energie miteinander ringen
Das große Ziel ist es, aus dieser genauen Verteilung und Beobachtung unterschiedlich weit entfernter Galaxien etwas über den Ringkampf der Naturkräfte abzuleiten, also dem Ringen von Dunkler Materie und Dunkler Energie. „Um wirklich zu sehen, was passiert, muss man die einzelnen Runden dieses Ringkampfes betrachten können“, sagt Grün. Denn die Dunkle Energie ist aktuell im Begriff aufzuholen und die Bildung größerer Massenansammlungen im Universum womöglich ganz aufzuhalten. „So erst verstehen wir, was die Dunkle Materie und die Dunkle Energie denn eigentlich sind und wer von ihnen den kosmischen Ringkampf am Ende gewinnen wird.“

Originalpublikation:
J McCullough, D Gruen, A Amon, A Roodman, D Masters, A Raichoor, D Schlegel, R Canning, F J Castander, J DeRose, R Miquel, J Myles, J A Newman, A Slosar, J Speagle, M J Wilson, J Aguilar, S Ahlen, S Bailey, D Brooks, T Claybaugh, S Cole, K Dawson, A de la Macorra, P Doel, J E Forero-Romero, S Gontcho A Gontcho, J Guy, R Kehoe, A Kremin, M Landriau, L Le Guillou, M Levi, M Manera, P Martini, A Meisner, J Moustakas, J Nie, W J Percival, C Poppett, F Prada, M Rezaie, G Rossi, E Sanchez, H Seo, G Tarlé, B A Weaver, Z Zhou, H Zou, DESI Collaboration, DESI complete calibration of the colour–redshift relation (DC3R2): results from early DESI data, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 531, Issue 2, June 2024, Pages 2582–2602, doi.org/10.1093/mnras/stae1316
https://academic.oup.com/mnras/article/531/2/2582/7686823?login=false
pdf: https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/531/2/2582/58061300/stae1316.pdf

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• Kosmologie

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 15. Februar 2024.

15. Februar 2024 – Würde es Gravasterne tatsächlich geben, sähen sie für einen weit entfernten Beobachter ähnlich aus wie Schwarze Löcher. Zwei theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt eine neue Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins gefunden, derzufolge Gravasterne aufgebaut sein könnten wie eine russische Matrjoschka-Puppe: Im Inneren eines Gravasterns befände sich sein weiterer Gravastern.

Das Innere Schwarzer Löcher ist für die Wissenschaft eine harte Nuss: Der deutsche Physiker Karl Schwarzschild fand 1916 eine Lösung für die Gleichungen Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, derzufolge sich im Zentrum eines schwarzen Lochs eine sogenannte Singularität befindet, ein Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr existieren. Alle physikalischen Gesetze, also auch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, habe dort keine Gültigkeit mehr, das Prinzip der Kausalität ist aufgehoben. Das ist ein großes Ärgernis für die Wissenschaft, denn jenseits des sogenannten Ereignishorizonts können keine Informationen aus einem Schwarzen Loch nach außen dringen. Wohl auch aus diesem Grund fand Schwarzschilds Lösung lange Zeit außerhalb der Theorie keine größere Beachtung, bis 1971 der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch entdeckt, in den 2000er-Jahren das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nachgewiesen und schließlich 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs durch die Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht wurde.

2001 schlugen die beiden Wissenschaftler Pawel Mazur und Emil Mottola eine andere Lösung für Einsteins Feldgleichungen vor, die zu Objekten führten, die sie Gravasterne nannten. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Gravasterne aus Sicht der theoretischen Astrophysik mehrere Vorteile: Einerseits sind sie nahezu so kompakt wie Schwarze Löcher und besitzen ebenso wie diese an ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft, die praktisch so stark ist wie die eines Schwarzen Lochs, sodass ihr nicht einmal Licht entkommen kann. Allerdings haben sie keine Grenze, innerhalb der keine Art von Information nach außen dringen kann, den so genannten Ereignishorizont, und in ihrem Inneren gibt es keine Singularität. Vielmehr besitzen Gravasterne einen Kern aus exotischer – dunkler – Energie, die den Gegendruck zur ungeheuren Gravitationskraft hält, die den Stern zusammenpresst. Die Oberfläche von Gravasternen bildet eine hauchdünne Haut aus gewöhnlicher Materie, deren Dicke gegen Null geht.

Die beiden theoretischen Physiker Daniel Jampolski und Prof. Luciano Rezzolla haben jetzt eine Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorgestellt, die einen Gravastern im Innern eines weiteren Gravasterns beschreibt. Diesem – hypothetischen – Himmelsobjekt haben sie den Namen „Nestar“ gegeben (von englisch nested = verschachtelt).

Daniel Jampolski, der die Lösung in seiner durch Prof. Luciano Rezzolla betreuten Bachelorarbeit fand, meint: „Der Nestar ist wie eine russische Matrjoschka, und unsere Lösung der Feldgleichungen lässt auch eine ganze Reihe von ineinander geschachtelten Gravasternen zu.“ Während der Gravastern nach Mazur und Mottola eine nahezu unendlich dünne Haut aus normaler Materie habe, hat der Nestar eine etwas dickere Materiehülle: „Man kann sich etwas leichter vorstellen, dass es so etwas geben könnte.“

Luciano Rezzolla, Professor für theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität, erläutert: „Es ist toll, dass es auch 100 Jahre nach Schwarzschilds erster Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie noch möglich ist, neue Lösungen zu finden. Das ist ein bisschen so, wie wenn man in einer vermeintlich erschöpften Mine auf eine Goldader stößt. Leider haben wir noch keine Vorstellung davon, wie solch ein Gravastern entstehen könnte. Doch selbst wenn Nestare nicht existieren sollten, hilft uns die Erforschung der mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen letztlich dabei, Schwarze Löcher besser zu verstehen.“

Publikation:
Daniel Jampolski, Luciano Rezzolla: Nested solutions of gravitational condensate stars. Classical Quantum Gravity (2023) https://doi.org/10.1088/1361-6382/ad2317
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/ad2317

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Bayerischer Rundfunk 30. Mai 2023.

30. Mai 2023 – Woraus besteht das Weltall? Wir wissen es noch immer nicht. Die uns bekannte, sichtbare Materie macht nur fünf Prozent aus – 95 Prozent bilden die geheimnisvolle Dunkle Energie und Dunkle Materie. Doch was genau verbirgt sich dahinter? Und wie will die ESA-Mission Euclid nun endlich Licht ins dunkle Universum bringen? Damit beschäftigt sich die neue Folge des Magazins ʺSpace Night scienceʺ – am Sonntag, 4. Juni 2023, um 19.00 Uhr in ARD alpha und bereits ab Samstag, 3. Juni auf ardalpha.de und in der ARD Mediathek.

Seit unser Universum vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden ist, dehnt es sich aus – und zwar mittlerweile immer schneller. Warum ist das so? Und wie konnten die unzähligen Galaxien entstehen, die wir heute beobachten? Die Antworten liefern zwei extrem rätselhafte Phänomene: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Aber was wissen wir eigentlich darüber? Und warum glauben wir, dass es die beiden Phänomene gibt, obwohl wir sie weder sehen noch wirklich verstehen? Oder haben wir uns womöglich doch geirrt und es sind nur interessante Theorien?

Das soll die ESA-Mission Euclid herausfinden, die im Juli ins All startet. Sie will die wahre Natur von Dunkler Materie und Dunkler Energie entschlüsseln. Dafür ist das Teleskop mit zwei besonderen Kameras ausgestattet: mit dem Visible Instrument VIS für sichtbares Licht und mit NISP, einem Nahinfrarot-Spektro- und Photometer. Dessen Linsenoptik ist die größte und präziseste, die je für eine Weltraumanwendung gebaut wurde. Entwickelt wurde sie von Frank Grupp und seinem Team am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching. Doch wie spürt man etwas auf, das unsichtbar ist? Sibylle Anderl spricht mit dem Wissenschaftler über die größten Herausforderungen und nervenaufreibende Momente bei der Entwicklung.

Zum Magazin ʺSpace Night scienceʺ
Was gibt es Neues aus dem Universum? Welche Auswirkungen haben die Ergebnisse der Weltraumforschung auf die Zukunft der Menschheit? Im Space-Magazin ʺSpace Night scienceʺ in ARD alpha präsentiert die Astrophysikerin und Wissenschaftsjournalistin Dr. Sibylle Anderl jeden ersten Sonntag im Monat um 19.00 Uhr spannende Fakten und Neuigkeiten aus unserem Sonnensystem, der Milchstraße oder fernen Galaxien. Die Folgen stehen 12 Monate in der ARD Mediathek zur Verfügung.

Space Night science – Weitere Sendetermine:
Sonntag, 2. Juli 2023, 19.00 Uhr
Sonntag, 6. August 2023, 19.00 Uhr

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 3. Mai 2023.

3. Mai 2023 – Als Edwin Hubble in den 1920er Jahren entfernte Galaxien beobachtete, machte er eine bahnbrechende Entdeckung: Das Universum dehnt sich immer weiter aus. Erst 1998 fanden Wissenschaftler durch die Beobachtung von Supernovae des Typs Ia schließlich heraus, dass sogar eine Phase der beschleunigten Expansion begonnen hat. „Um diese Beschleunigung zu erklären, brauchen wir eine Quelle“, sagt Joe Mohr, Astrophysiker an der LMU. „Und diese Quelle bezeichnen wir als „Dunkle Energie“.“ Sie liefert eine Art „Antischwerkraft“ zur Beschleunigung der kosmischen Expansion. Wissenschaftlich betrachtet ist die Existenz der Dunklen Energie und der kosmischen Beschleunigung durchaus überraschend, deutet sie doch darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik entweder unvollständig oder falsch ist. Welche Bedeutung die Entdeckung der sich beschleunigenden Expansion hat, zeigt der 2011 verliehene Nobelpreis für Physik. „Die Natur der Dunklen Energie ist längst zum nächsten Nobelpreisproblem geworden“, sagt Mohr.

Nun hat I-Non Chiu von der National Cheng Kung University in Taiwan gemeinsam mit den LMU-Astrophysikern Matthias Klein, Sebastian Bocquet und Joe Mohr eine erste Untersuchung der Dunklen Energie mit Hilfe des Röntgenteleskops eRosita veröffentlicht, im Focus stehen dabei die Galaxienhaufen im Universum.

Die von der Dunklen Energie möglicherweise verursachte Antigravitation drückt Materie auseinander und verhindert die Bildung großer kosmischer Objekte, die sich sonst aufgrund der anziehenden Wirkung der Gravitation bilden würden. Die Dunkle Energie beeinflusst somit auch, wo und wie die größten Objekte im Universum entstehen, die „Galaxienhaufen“ mit einer Gesamtmasse von 10¹³ bis 10¹⁵ Sonnenmassen. „Wir können viel über die Natur der Dunklen Energie lernen, wenn wir die Anzahl der im Universum gebildeten Galaxienhaufen als Funktion der Zeit – oder in der Beobachtungswelt als Funktion der Rotverschiebung – zählen“, erklärt Klein.

Allerdings sind Galaxienhaufen extrem selten und schwer zu finden, was Durchmusterungen eines großen Teils des Himmels mit den empfindlichsten Teleskopen der Welt erfordert. Zu diesem Zweck startete im Jahr 2019 das eROSITA-Röntgenteleskop unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in München, es durchmustert seitdem den Himmel auf der Suche nach Galaxienhaufen. In der sogenannten eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), einer Mini-Durchmusterung, die der Leistungsüberprüfung der folgenden All-Sky-Durchmusterung diente, wurden zunächst rund 500 Galaxienhaufen nachgewiesen. Es ist eine der größten Stichprobe massearmer Galaxienhaufen. Sie deckt die letzten 10 Jahrmilliarden in der kosmischen Entwicklung ab.

Chiu und seine Kollegen nutzten für ihre Untersuchung nicht nur die eFEDS Daten, sondern zusätzlich einen weiteren Datensatz, nämlich die optischen Daten des sogenannten Hyper-Suprime-Cam Subaru Strategic Program, das von Taiwan, Japan und Princeton University geleitet wird. Der ehemalige LMU Doktorand I-Non Chiu und seine LMU-Kollegen nutzten diese Daten, um die Galaxienhaufen in eFEDS zu charakterisieren und ihre Massen mithilfe des schwachen Gravitationslinseneffektes zu messen. Die Kombination beider Datensätze ermöglichte die erste kosmologische Studie mit Galaxienhaufen, die von eROSITA entdeckt wurden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Dunkle Energie nach dem Vergleich zwischen den Daten und den theoretischen Vorhersagen 76 Prozent der gesamten Energiedichte im Universum ausmacht. Außerdem ergaben die Berechnungen, dass die Energiedichte der Dunklen Energie gleichmäßig im Raum und konstant in der Zeit zu sein scheint. „Unsere Ergebnisse stimmen gut mit anderen unabhängigen Ansätzen überein, wie zum Beispiel früheren Untersuchungen von Galaxienhaufen sowie solchen, die schwache Gravitationslinsen und den kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden“, sagt Bocquet. Bislang deuten alle Beobachtungsergebnisse, einschließlich der jüngsten Ergebnisse von eFEDS, darauf hin, dass die Dunkle Energie durch eine einfache Konstante beschrieben werden kann, die gewöhnlich als „kosmologische Konstante“ bezeichnet wird.

„Die derzeitigen Fehler bei der Bestimmung der Dunklen Energie sind zwar immer noch größer, als wir es uns wünschen würden, aber bislang nutzt unsere eFEDS-Stichprobe auch nur einen Bereich von weniger als 1 Prozent des gesamten Himmels“, sagt Mohr. Die erste Analyse könnte somit eine gute Grundlage für künftige Studien der eROSITA-Stichprobe für den gesamten Himmel sowie für andere Haufenproben bieten.

Originalpublikation:
I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr, Sebastian Bocquet. Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023
doi.org/10.1093/mnras/stad957
https://academic.oup.com/mnras/article/522/2/1601/7110415

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• Dunkle Energie

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Quelle: Universität Luxemburg 26. Januar 2023.

26. Januar 2023 – Das Universum hat etliche bizarre Eigenschaften, die mit dem alltäglichen Erfahrungsschatz nur schwer zu verstehen sind. So macht die uns bekannte Materie aus elementaren und zusammengesetzten Teilchen, die Moleküle und Werkstoffe bilden, offenbar nur einen kleinen Teil der Energie des Weltalls aus. Den größten Beitrag liefert mit rund zwei Dritteln die „Dunkle Energie“ – eine hypothetische Energieform, über deren Herkunft die Physiker noch im Dunkeln tappen. Außerdem dehnt sich das Weltall nicht nur stetig aus, sondern das geschieht auch in immer schnellerem Tempo. Beide Merkmale scheinen zusammenzuhängen, denn die Dunkle Energie gilt auch als Treiber der beschleunigten Expansion. Darüber hinaus könnte sie zwei mächtige physikalische Denkgebäude verbinden: die Quantenfeldtheorie und die von Albert Einstein entwickelte Allgemeine Relativitätstheorie. Doch die Sache hat einen Haken: Berechnungen und Beobachtungen zu diesem Konzept passten bislang bei Weitem nicht zusammen. Nun haben zwei Forscher aus Luxemburg einen neuen Weg aufgezeigt, wie sich dieses 100 Jahre alte Rätsel lösen lässt – in einer Arbeit, die im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht wurde.

Die Spur virtueller Teilchen im Vakuum
„Das Vakuum besitzt eine Energie. Das ist ein grundlegendes Ergebnis der Quantenfeldtheorie“, erklärt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko, Professor für Theoretische Physik im Fachbereich Physik und Materialwissenschaften an der Universität Luxemburg. Diese Theorie wurde entwickelt, um Quantenmechanik und Spezielle Relativitätstheorie zusammenzuführen. Doch die Quantenfeldtheorie scheint nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie kompatibel zu sein. Ihr wesentliches Merkmal: Die Theorie betrachtet im Gegensatz zur Quantenmechanik nicht nur Teilchen, sondern auch materielose Felder als Quantenobjekte. „Die Dunkle Energie betrachten viele Forscher in diesem Rahmen als Ausdruck der sogenannten Vakuumenergie“, sagt Tkatchenko: einer physikalischen Größe, die in einem anschaulichen Bild durch ein ständiges Entstehen und die Wechselwirkung von Paaren aus Teilchen und ihren Antiteilchen – etwa Elektronen und Positronen – im eigentlich leeren Raum hervorgerufen wird.

Physiker sprechen bei diesem Kommen und Gehen virtueller Teilchen und ihrer Quantenfelder von Vakuum- oder Nullpunktfluktuationen. Während die Partikelpaare rasch wieder im Nichts vergehen, lässt ihre Existenz einen gewissen Gehalt an Energie zurück. „Diese Vakuumenergie hat auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Bedeutung“, stellt der Luxemburger Wissenschaftler fest: „Sie manifestiert sich in der von Einstein aus physikalischen Gründen in seine Gleichungen eingefügten kosmologischen Konstante.“

Ein kolossales Missverhältnis
Anders als die Vakuumenergie, die sich nur aus den Formeln der Quantenfeldtheorie erschließt, lässt sich die kosmologische Konstante durch astrophysikalische Experimente direkt bestimmen. So haben Messungen mit dem Weltraumteleskop Hubble und der Raumfahrtmission Planck nahe beieinander liegende und verlässliche Werte für die fundamentale physikalische Größe ergeben. Berechnungen der Dunklen Energie auf Basis der Quantenfeldtheorie hingegen liefern Resultate, die einem bis zu 10¹²⁰-mal so großen Wert der kosmologischen Konstanten entsprechen – ein kolossales Missverhältnis, obwohl im heute vorherrschenden Weltbild der Physiker beide Werte gleich sein müssten. Die stattdessen festgestellte Diskrepanz ist bekannt als das „Rätsel der kosmologischen Konstante“. „Es ist zweifellos eine der größten Ungereimtheiten in der modernen Wissenschaft“, meint Alexandre Tkatchenko.

Unkonventionelle Art der Interpretation
Gemeinsam mit seinem Luxemburger Forscherkollegen Dr. Dmitry Fedorov hat er nun die Lösung dieses seit Jahrzehnten offenen Rätsels ein bedeutendes Stück nähergebracht. In einer theoretischen Arbeit, deren Ergebnisse sie nun in Physical Review Letters veröffentlicht haben, schlagen die beiden Luxemburger Forscher eine neue Interpretation der Dunklen Energie vor. Sie gehen davon aus, dass die Nullpunktfluktuationen eine Polarisierbarkeit des Vakuums bewirken, die sich sowohl messen als auch berechnen lässt. „Bei Paaren von virtuellen Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung entsteht sie durch elektrodynamische Kräfte, die diese Partikel während ihrer äußerst kurzen Existenz gegenseitig aufeinander ausüben“, erklärt Tkatchenko. Die Physiker sprechen dabei von einer Vakuum-Selbstwechselwirkung. „Diese führt zu einer Energiedichte, die sich mithilfe eines neuen Modells bestimmen lässt“, sagt der Luxemburger Wissenschaftler.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Fedorov hat er dieses grundlegende Modell für Atome entwickelt und 2018 erstmals vorgestellt. Das Modell diente ursprünglich zur Beschreibung atomarer Eigenschaften. Dazu gehört insbesondere die Beschreibung des Zusammenhangs der Polarisierbarkeit von Atomen mit den Gleichgewichtseigenschaften bestimmter Moleküle sowie Festkörper, wo die Atome nicht kovalent gebunden sind. Da die geometrischen Charakteristiken experimentell recht einfach messbar sind, lässt sich über die Formel der beiden Forscher auch die Polarisierbarkeit bestimmen. „Dieses Vorgehen haben wir auf die Vorgänge im Vakuum übertragen“, erläutert Fedorov. Dazu betrachteten die beiden Forscher das Verhalten von Quantenfeldern – insbesondere solchen, die das „Entstehen und Verschwinden“ von Elektronen und Positronen repräsentieren. Die Fluktuationen dieser Felder lassen sich durch eine Gleichgewichtsgeometrie kennzeichnen, die bereits aus Experimenten bekannt ist. „Wir haben diese Geometrien in die Formeln unseres Modells eingesetzt und erhielten auf diese Weise letztlich die Stärke der intrinsischen Vakuum-Polarisation“, berichtet Fedorov. Der letzte Schritt war es, die Energiedichte der Selbstwechselwirkung zwischen Fluktuationen von Elektronen und Positronen quantenmechanisch zu berechnen. Das so erhaltene Resultat stimmt gut mit den gemessenen Werten für die kosmologische Konstante überein: Das bedeutet: „Die Dunkle Energie lässt sich auf die Energiedichte der Selbstwechselwirkung von Quantenfeldern zurückführen“, betont Alexandre Tkatchenko.

Gute Übereinstimmung und überprüfbare Prognosen
„Unsere Arbeit bietet damit einen eleganten und unkonventionellen Lösungsansatz für das Rätsel der kosmologischen Konstante“, resümieren die Physiker. „Darüber hinaus liefert sie eine überprüfbare Vorhersage: nämlich, dass Quantenfelder tatsächlich genauso wie Elektronen und Positronen eine zwar kleine, aber stets vorhandene intrinsische Polarisation besitzen.“ Diese Erkenntnis weist eine Richtung für künftige Experimente, um diese Polarisation auch im Labor nachweisen zu können, meinen die beiden Luxemburger Forscher. „Unser Ziel ist es, die kosmologische Konstante aus einem rigorosen quantentheoretischen Ansatz heraus abzuleiten“, betont Dmitry Fedorov. “Zudem enthält unsere Arbeit ein Rezept, wie sich das verwirklichen lässt.“ Fedorov betrachtet die neuen Ergebnisse, die er gemeinsam mit Alexandre Tkatchenko erzielt hat, als ersten Schritt hin zu einem besseren Verständnis der Dunklen Energie – und ihrer Verbindung zu Albert Einsteins kosmologischer Konstante. Tkatchenko ist überzeugt: „Letztlich könnte das auch erhellen, auf welche Weise Quantenfeldtheorie und Allgemeine Reaktivitätstheorie als zwei Betrachtungsweisen des Universums und seiner Bestandteile miteinander verwoben sind.“

Originalpublikation:
Casimir Self-Interaction Energy Density of Quantum Electrodynamic Fields
Alexandre Tkatchenko and Dmitry V. Fedorov
Phys. Rev. Lett. 130, 041601 – Published 24 January 2023, doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.041601
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.041601

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• Dunkle Energie

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Quelle: Universität Göttingen 26. Oktober 2022.

Seit 25 Jahren ist die Universität Göttingen Mitbetreiber eines der größten Teleskope der Welt

Seit 25 Jahren fängt das Hobby-Eberly-Teleskop (HET) am McDonald-Observatorium in West-Texas das Licht von Sternen und fernen Galaxien ein und hilft Astronomen, die Rätsel des Kosmos zu entschlüsseln. Sein Hauptspiegel hat einen Durchmesser von elf Metern; damit zählt es zu den größten optischen Teleskopen der Welt. Die Universität Göttingen ist einer der vier Betreiber, zu denen auch die University of Texas in Austin, die Penn State University (beide USA) sowie die Ludwig-Maximilians-Universität München gehören. Über die Göttinger Beteiligung ist das HET eine wissenschaftliche Außenstelle des Landes Niedersachsen.

Das HET-Projekt führt zu Entdeckungen, an denen auch Göttinger Astrophysiker beteiligt sind. Ein Beispiel ist die Erforschung der sogenannten dunklen Energie. Durch seine Ausrichtung erfasst das Teleskop den kosmischen Fingerabdruck des Lichts von 2,5 Millionen Galaxien. Mithilfe eines speziellen Spektografen erhalten die Astronomen ein Lichtspektrum von allen Objekten im Gesichtsfeld des Teleskops. Dadurch lässt sich eine dreidimensionale Karte des Kosmos erstellen, die helfen soll zu erklären, wie und warum sich die Expansion des Universums im Laufe der Zeit von Milliarden von Jahren beschleunigt. „Im Projekt ,Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX)‘ sind nicht nur die vier universitären Partner beteiligt, sondern zusätzlich Dutzende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Einrichtungen auf der ganzen Welt“, so Prof. Dr. Jens Niemeyer vom Institut für Astrophysik und Geophysik der Universität Göttingen.

Das HET spielt auch eine wichtige Rolle bei der Suche nach erdgroßen Planeten, welche um sonnenähnliche Sterne kreisen. Der sogenannte „Habitable-Zone-Planet-Finder (HPF)“ zielt darauf ab, Exoplaneten zu finden, die in bewohnbaren Zonen liegen und die auf ihrer Oberfläche flüssiges Wasser tragen können. „Mit dem HPF können wir außerhalb des Sonnensystems gezielt nach Planeten suchen, die unserer Erde sehr ähnlich sind“, sagt der Göttinger Astrophysiker Prof. Dr. Ansgar Reiners, der Mitglied im HET-Vorstand ist. „Diese Information ist zentral für unser Verständnis der Entstehung der Erde und der Planeten.“

Mehr als 220 Millionen Lichtjahre entfernt hat das HET zudem die Masse eines riesigen Schwarzen Lochs in der Galaxie NGC 1277 ermittelt und gemessen. Mithilfe von Zeitreihenmessungen konnten die Massen weiterer supermassiver Schwarzer Löcher in den Zentren von entfernten aktiven Galaxien, den sogenannten Quasaren, extrem genau bestimmt werden. „Es wurden Schwarze Löcher mit bis zu 100 Millionen Sonnenmassen in den Tiefen des Universums entdeckt“, fügt der Göttinger Astrophysiker Prof. Dr. Wolfram Kollatschny hinzu. Die Untersuchungen sollen Aufschluss darüber geben, wie Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien entstehen und sich auf kosmischen Zeitskalen entwickeln.

Und es waren HET-Forschende, die das weltweit beachtete Rätsel um die Supernova 2014C lösten: Sie maßen Schwankungen in der Helligkeit und im Spektrum des sterbenden Sterns und entwickelten ein Modell, das zeigte, dass der Stern nicht kugelförmig nach außen explodierte. Während des Ereignisses verschmolz das Gas von 2014C, der Teil eines Doppelsternsystems ist, mit seinem Nachbarn und teilte die Gashülle in der expandierenden Scheibe. Als der eine Stern explodierte, kollidierte er mit der gasförmigen Grenzschicht und rutschte daran entlang.

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• Hobby-Eberly-Teleskop (HET)

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Quelle: RUB.

Die renommierte Astrophysikerin Prof. Dr. Catherine Heymans ist als erste Frau zur „Astronomer Royal for Scotland“ ernannt worden. Sie ist eine weltweit führende Expertin für die Physik des sogenannten dunklen Universums. Nun hat sie den prestigeträchtigen Titel erhalten, den es seit fast 200 Jahren gibt. Heymans ist Professorin für Astrophysik an der University of Edinburgh und Direktorin des German Centre for Cosmological Lensing an der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

Heymans wurde der britischen Königin von einem internationalen Gremium empfohlen, das von der Royal Society of Edinburgh einberufen wird. Mit ihrer Forschung versucht sie, Licht in die Geheimnisse der dunklen Energie und der dunklen Materie zu bringen – schwer fassbare Größen, die zusammen mehr als 95 Prozent des Universums ausmachen. Damit forscht sie an einem der großen ungelösten Rätsel der Wissenschaft.

Das Amt des Astronomer Royal for Scotland wurde 1834 geschaffen und ursprünglich vom Direktor des Royal Observatory in Edinburgh ausgeübt. Seit 1995 wird dies jedoch als Ehrentitel verliehen. Der bisherige Inhaber, Prof. Dr. John C. Brown, ist 2019 verstorben.

Catherine Heymans Hauptanliegen als elfte Astronomer Royal for Scotland wird sein, ihre Leidenschaft für die Astronomie mit Schotten aus allen Gesellschaftsschichten zu teilen. Eines ihrer ersten Ziele ist es, Teleskope in allen abgelegenen Outdoor-Lernzentren Schottlands zu installieren, die von den meisten Schülern des Landes besucht werden.

„Ich glaube nicht, dass irgendjemand das erste Mal vergisst, als er die Ringe des Saturns durch ein Teleskop gesehen hat. Aber zu viele Menschen haben nie die Gelegenheit dazu. Als Astronomer Royal for Scotland möchte ich das ändern. Meine Hoffnung ist, dass, sobald der Funke einmal übergesprungen ist, Kinder eine Begeisterung für das Universum mit nach Hause nehmen und eine lebenslange Leidenschaft für die Astronomie oder, noch besser, für die Wissenschaft als solche entwickeln“, so Heymans, die mit einem hochdotierten Forschungspreis an der Fakultät für Physik und Astronomie der RUB forscht.

„Ich bin absolut begeistert, zur Astronomer Royal for Scotland ernannt zu werden. Für mich als Verfechterin von Gleichberechtigung und Vielfalt ist es auch eine große Ehre, die erste Frau in diesem Amt zu sein. Ich werde diese hochkarätige Plattform mit Begeisterung nutzen, um die Amateur- und Berufsastronomie in Schottland voranzubringen und Schottland international als ein weltweit führendes Zentrum der Wissenschaft zu forcieren.“

Eine großartige Nachricht
Prof. Dr. Martin Rees, der derzeitige UK Astronomer Royal, sagt: „Es ist eine großartige Nachricht, dass Catherine Heymans zur Astronomer Royal for Scotland ernannt wurde. Sie ist eine würdige Nachfolgerin ihrer Vorgänger in dieser Funktion, und ich wünsche ihr eine lange und erfolgreiche Amtszeit.“

Prof. Dr. Jocelyn Bell Burnell, (Interims-)Präsidentin der Royal Society of Edinburgh, sagt: „Der Astronomer Royal for Scotland war schon immer ein angesehener und respektierter Astronom, und Catherine Heymans ist genau das. Sie wird auch immer hervorstechen als die erste Frau, die diese Position innehatte.“

Zur Person
Catherine Heymans forscht seit über 20 Jahren auf dem Gebiet der Astrophysik. Nach ihrem Studium der Physik und Astrophysik promovierte sie an der University of Oxford. Zu Beginn ihrer wissenschaftlichen Karriere forschte sie unter anderem am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und ist daher mit dem deutschen Wissenschaftssystem gut vertraut. Seit 2016 ist sie Professorin für Observational Cosmology am Royal Obversatory der University of Edinburgh. Im November 2018 war sie die erste Trägerin des Max-Planck-Humboldt-Forschungspreises. Den mit 1,5 Millionen Euro dotierten Preis nutzt die Astrophysikerin, um bis 2024 an der RUB das German Centre for Cosmological Lensing aufzubauen.

Englische Presseinformation der University of Edinburgh
https://www.ed.ac.uk/news/2021/expert-first-female-astronomer-royal-for-scotland

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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Die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums durch die Beobachtung entfernter Supernovae hat zur Postulierung der so genannten Dunklen Energie geführt. Bis heute ist die Natur dieser „Antigravitation“, die das Universum auseinander treibt, unbekannt. Um ihr auf den Grund zu gehen, wurden verschiedene wissenschaftliche Projekte initiiert – unter anderem das Hobby-Eberly-Teleskop-Dark Energy Experiment (HETDEX). Es zielt darauf ab, eine dreidimensionale Karte von 2,5 Millionen weit entfernten Galaxien zu erstellen, die der Wissenschaft helfen soll zu verstehen, wie und warum sich die Expansion des Universums mit der Zeit beschleunigt.

„Um die Distanz weit entfernter Galaxien bestimmen zu können, müssen wir diese lichtschwachen Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, also in die verschiedenen Wellenlängen zerlegen“, erklärt Dr. Andreas Kelz, der lokale HETDEX-Projektleiter am AIP. Zu diesem Zweck wurde ein leistungsfähiger Mehrkanal-Spektrograph gebaut: der Visible Integral-field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS). Er ist über ein System aus 35.000 optischen Fasern, die am AIP entwickelt, aufgebaut und getestet wurden, mit dem Teleskop verbunden. Mit der Fertigstellung des kompletten Instruments und seiner Installation am 10-Meter-Teleskop des McDonald-Observatoriums in Texas wurde nun ein Meilenstein erreicht. VIRUS ist eine riesige Maschine, die aus Dutzenden von Kopien von Glasfaserbündeln und Spektrographen besteht, die effizient zusammenarbeiten.

„Während es ein Jahrzehnt dauerte, das komplette Instrument zu bauen und zu installieren, erlaubte der modulare Ansatz des Systems eine schrittweise Implementierung, so dass die wissenschaftliche Untersuchung bereits vor drei Jahren mit den ersten Modulen des Instruments beginnen konnte“, erklärt Kelz. Dieser Ansatz trägt nicht nur zur Kostensenkung bei, sondern ermöglicht auch den Technologietransfer und die kommerzielle Fertigung mit industriellen Partnern.

Für die astronomische Durchmusterung wird das Teleskop auf zwei Regionen am Himmel, in der Nähe des Großen Wagens und des Orion, ausgerichtet. Für jede Beobachtung nimmt das Teleskop derzeit etwa 32.000 Spektren gleichzeitig auf und erfasst so den kosmischen Fingerabdruck des Lichts von jedem Objekt im Sichtfeld des Teleskops.

Um die für das Projekt benötigte Karte zu erstellen, werden die Astronominnen und Astronomen eine Milliarde Spektren kombinieren und insbesondere weit entfernte Galaxien suchen. Diese Galaxien sind zwischen 10 Milliarden und 11,7 Milliarden Lichtjahre entfernt. Sie repräsentieren also eine Epoche, in der das Universum nur wenige Milliarden Jahre alt war. Ihre Spektren enthalten Informationen darüber, wie schnell sich die Galaxien infolge der Expansion des Universums von uns wegbewegen.

HETDEX veröffentlichte bereits 15.000 Beobachtungen, die über eine Million Entdeckungen von astronomischen Objekten umfassen. AIP-Wissenschaftler Prof. Dr. Lutz Wisotzki, der Mitglied des HETDEX-Lenkungsausschusses ist, erklärt: „Diese Daten eröffnen eine Goldgrube für die vielfältigen Forschungsinteressen an unserem Institut, von den ältesten Sternen im Halo der Milchstraße über aktive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien bis hin zu den gasförmigen Hüllen von Galaxien im jungen Universum“.

HETDEX ist eine große internationale Zusammenarbeit. Das Projekt wird von der University of Texas at Austin McDonald Observatory and Department of Astronomy geleitet, unter Beteiligung der Penn State University, der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, des Instituts für Astrophysik, Göttingen, des Leibniz-Instituts für Astrophysik, Potsdam, der Texas A&M University, der University of Oxford, des Max-Planck-Instituts für Astrophysik, der University of Tokyo und der Missouri University of Science and Technology.

Das AIP, das Innovationszentrum für Faserspektroskopie und -sensorik innoFSPEC und das BMBF unterstützten die Potsdamer Beiträge für HETDEX.

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• Expansion des Universums

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA).

In der Kosmologie geht man davon aus, dass sich die physikalischen Gesetze, die im Universum herrschen, bei einer Spiegelung nicht ändern: Die Gesetze des Elektromagnetismus beispielsweise bleiben unverändert, egal ob im ursprünglichen System betrachtet oder in einem System, in dem alle räumlichen Koordinaten gespiegelt wurden. Ist diese Symmetrie, auch “Parität” genannt, verletzt, könnte es uns viel über die Beschaffenheit der geheimnisvollen Dunklen Materie und Dunklen Energie verraten, die 25 bzw. 70 Prozent des Energiegehalts des heutigen Universums ausmachen. Obwohl beide Bestandteile “dunkel” sind, d.h. sie sind nicht direkt sichtbar, haben sie eine gegenteilige Wirkung auf die Entwicklung des Universums: Dunkle Materie wirkt anziehend, wohingegen Dunkle Energie zur einer immer schnelleren Ausdehnung des Universums führt.

Nun berichtet eine neue Studie von Wissenschaftlern des “Institute of Particle and Nuclear Studies” (IPNS) der japanischen KEK-Forschungsorganisation, des “Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe” (Kavli IPMU) der Universität Tokio und des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) über einen Hinweis auf neue Physik, die die Parität verletzt — mit einem Konfidenzniveau von 99,2 Prozent. Die am 23. November 2020 im Journal Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse wurden von den Herausgebern als wichtig, interessant und gut geschrieben beurteilt und damit als “Editors’ Suggestion” ausgewählt.

Den Hinweis auf eine Verletzung der Paritätssymmetrie fanden die Wissenschaftler im kosmischen Mikrowellenhintergrund, einem Licht, das kurz nach dem Urknall ausgesandt wurde. Der Schlüssel liegt dabei in der sogenannten Polarisation. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die in verschiedene Richtungen oszillieren. Haben alle Wellen dieselbe Schwingrichtung, spricht man von polarisiertem Licht. Solche Polarisation entsteht, wenn Licht gestreut wird. Sonnenlicht beispielsweise besteht aus Wellen mit allen möglichen Polarisationsrichtungen und ist somit unpolarisiert, wohingegen das Licht eines Regenbogens polarisiert ist, da hierbei Sonnenlicht an Wassertropfen in der Atmosphäre gestreut wird. Ganz ähnlich wurde das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds polarisiert als es 400.000 Jahre nach dem Urknall an Elektronen streute. Wenn dieses Licht, das seit 13,8 Milliarden Jahren durch das Universum unterwegs ist, nun mit Dunkler Materie oder Dunkler Energie interagiert, könnte das zu einer Drehung der Polarisationsebene um einen Winkel β führen (s. Abbildung).

“Wenn Dunkle Materie oder Dunkle Energie mit dem Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds auf eine Art interagiert, die die Paritätssymmetrie verletzt, dann können wir diese Signatur in den Polarisationsdaten finden”, betont Yuto Manami, ein Postdoc am IPNS, KEK.

Um den Rotationswinkel β zu messen, benötigten die Wissenschaftler einen polarisationssensitiven Detektor, wie den an Bord des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Zusätzlich mussten sie genau bestimmen, wie dieser Detektor relativ zum Himmel orientiert ist. Ist diese Information nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt, würde die gemessene Polarisationsebene künstlich rotiert erscheinen und damit ein falsches Signal generieren. Ungenaue Kenntnis dieses vom Detektor selbst erzeugten künstlichen Rotationswinkels schränkte deshalb frühere Messungen des Polarisationswinkels β stark ein.

“Wir haben eine neue Methode entwickelt, um diese künstliche Rotation zu bestimmen, indem wir polarisiertes Licht vom Staub aus unserer Milchstraße nutzen,” erklärt Minami. “Mit dieser Methode konnten wir eine Messgenauigkeit erzielen, die doppelt so gut ist wie bei früheren Arbeiten, und waren endlich in der Lage β zu messen.” Die Strecke, die das vom Staub emittierte Licht in der Milchstraße zurücklegt, ist viel kürzer als die des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Die Strahlung des Staubs wird deshalb nicht von Dunkler Materie oder Dunkler Energie beeinflusst, sondern nur das Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds wird um den Winkel β gedreht, wohingegen beide der künstlichen Rotation ausgesetzt sind. Aus der Differenz zwischen den gemessenen Polarisationswinkeln von beiden Quellen kann β bestimmt werden.

Das Forscherteam benutzte diese Methode um β mit den Polarisationsdaten des Planck-Satelliten zu messen. Sie fanden damit einen Hinweis auf die Verletzung der Paritätssymmetrie mit einem Konfidenzniveau von 99,2 Prozent. Von der Entdeckung neuer Physik spricht man allerdings erst ab einem viel höheren Konfidenzniveau, nämlich 99,99995 Prozent. Eiichiro Komatsu, Direktor am MPA und leitender Wissenschaftler beim Kavli IPMU und beim Exzellenzcluster ORIGINS, macht deutlich: “Es ist klar, dass wir noch keinen endgültigen Nachweis für neue Physik gefunden haben; wir brauchen eine höhere statistische Signifikanz, um das Signal zu bestätigen. Aber es ist toll, dass wir mit unserer neuen Methode diese “unmögliche” Messung durchführen konnten, die tatsächlich auf neue Physik hinweist.”

Um die Messung zu bestätigen, kann die neue Methode auf Daten von weiteren existierenden — und zukünftigen — Experimenten angewendet werden, die die Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds messen, wie das “Simons Array” und “LiteBIRD”, an denen sowohl KEK als auch Kavli IPMU beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
Yuto Minami, Eiichiro Komatsu
New extraction of the cosmic birefringence from the Planck 2018 polarization data
Physical Review Letters, 23 November 2020
Quelle

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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) stellt eine erhebliche Verbesserung des MeerKAT-Radioteleskops in der Karoo-Halbwüste in Südafrika dar. Gegenwärtig besteht das Teleskop aus 64 Einzelantennen, die zu einem virtuellen Radioteleskop mit einem Durchmesser von 8 km elektronisch zusammengeschaltet werden. Im Rahmen dieses Projekts wird sowohl die Gesamtzahl von Antennen auf 84 vergrößert als auch der virtuelle Durchmesser auf 17 km erweitert. Dadurch ergibt sich ein deutlicher Zuwachs an Empfindlichkeit, Winkelauflösung und Bildqualität.

Die Erweiterung wird gemeinsam finanziert vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) und von der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland.

Die von den deutschen und den südafrikanischen Partnern angestrebte wissenschaftliche Zielrichtung umfasst umfangreiche Kartierungen des südlichen Himmels in einer Reihe von Beobachtungsfrequenzen, die eine Fundgrube für zukünftige Untersuchungen in so unterschiedlichen Bereichen darstellen werden wie Pulsare und schnelle Radiostrahlungsausbrüche, Kosmologie und großskalige Strukturen im Universum, extragalaktische Objekte sowie Quellen in unserer Milchstraße.

Das MeerKAT-Radioteleskop stellt einen Vorläufer für das „Square Kilometre Array“ (SKA) dar, das Projekt eines Radioteleskops der nächsten Generation mit weltweiter Beteiligung und Teleskopstandorten im südlichen Afrika und in Australien. MeerKAT und die hier vorgestellte Erweiterung werden zu einem späteren Zeitpunkt in den im südlichen Afrika anzusiedelnden Teil des SKA integriert und werden als SKA-MID den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich des SKA umfassen.

Diese nächste Generation von Radioteleskopen wird erheblich verbesserte Untersuchungen in einer Vielzahl von Bereichen der Radioastronomie ermöglichen. Die Messung von extrem genau gehenden Pulsaruhren bietet eine einzigartige Möglichkeit, Verbiegungen der Raumzeit und damit extrem langwellige Gravitationswellen aufzuspüren. Die Erforschung von jungen Galaxien bei sehr großer Rotverschiebung könnte dabei helfen, der Natur der geheimnisvollen Dunklen Energie auf die Spur zu kommen. Karten der dreidimensionalen Verteilung von kosmischen Magnetfeldern führen zu einem besseren Verständnis ihrer Auswirkung auf Objekte im Universum. Ein Blick zurück ins sogenannte „Dunkle Zeitalter“, bevor das Universum im Licht von Sternen und Galaxien erstrahlte, gäbe Gelegenheit zu verstehen, wie Schwarze Löcher und Sterne sich gebildet haben. Und schließlich könnte die Erforschung von komplexen Molekülen in Richtung der Voraussetzungen für die Entstehung von Leben im Universum führen.

Mit der Erweiterung des MeerKAT-Teleskops wird die wissenschaftliche und technologische Kooperation weiter vertieft, die schon durch die enge Zusammenarbeit zwischen dem “South African Radio Astronomy Observatory” (SARAO) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland im Rahmen von MeerKAT begonnen wurde. Es wird zu einer Fundgrube neuer wissenschaftlicher Daten für die internationale astronomische Gemeinschaft führen und schließlich auch hinführen zum „Square Kilometre Array“ als dem großen Radioteleskop-Projekt der Zukunft.

Mit dem MK+ Projekt wird das bestehende MeerKAT-Observatorium durch die Integration von 20 weiteren Parabolantennen maßgeblich verbessert. Diese Erweiterung wird von SARAO und MPG gemeinsam finanziert.

MeerKAT umfasst zur Zeit 64 Parabolantennen. Diese Zahl wird durch MK+ auf 84 vergrößert. Wichtig dabei ist, dass durch die Erweiterung auch der maximale Abstand zwischen den Antennen von 8 auf 17 km heraufgesetzt wird. Dadurch wird sowohl die Empfindlichkeit des Teleskops für schwache Quellen als auch seine Fähigkeit zur Darstellung detaillierterer Radiobilder vergrößert. Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Computer für die Datenanalyse werden mit der Erweiterung um einen Faktor 10 ansteigen.

Die südafrikanischen Partner sind verantwortlich für die Errichtung der Infrastruktur vor Ort, für einen Teil der Empfangssysteme und deren Kühlung sowie die Geräte für die Datenanalyse, während von den deutschen Partnern die neuen Teleskopantennen im Design der Parabolspiegel für das „Square Kilometre Array“ zur Verfügung gestellt werden, weiterhin Instrumentierung in Form von Empfängern und Systemen für Datenaufnahme und Datenverarbeitung für MK+. Beide Partnerländer beteiligen sich mit jeweils 20 Millionen Euro (bzw. 400 Millionen Rand) an dem Projekt.

Deutsche Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen stellen einen wesentlichen Anteil am Industrialisierungsprogramm für den südafrikanischen Teil des „Square Kilometre Array“ (SKA-MID) und sind in maßgeblicher Weise an den laufenden Designaktivitäten beteiligt. Im Konsortium für Entwurf und Fertigung der SKA-Antennen spielen beide eine Schlüsselrolle und sind zusammen mit internationalen Partnern für den Entwurf der Parabolantennen verantwortlich, die den mittleren Frequenzbereich des SKA abdecken. In diesem Rahmen hat die Max-Planck-Gesellschaft bereits den Bau einer Referenzantenne veranlasst („SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“), die zur Zeit von einem südafrikanischen Team vor Ort in der Karoo-Region auf die nötigen Anforderungen hin getestet wird (siehe Abb. 1).

Dr. Molapo Qhobela, der Vorsitzende der National Research Foundation in Südafrika, erwartet, dass die MeerKAT-Erweiterung ein deutlich leistungsfähigeres Teleskop zur Untersuchung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien im Verlauf der Geschichte des Universums darstellen wird. „Die Erweiterung von MeerKAT vergrößert die Empfindlichkeit der Empfangssysteme um ca. 50%, dadurch wird eine wesentlich schnellere Kartierung des Himmels möglich und der Nachweis von extrem schwachen astronomischen Quellen.“

MK+ ist eng verbunden mit dem Infrastrukturprojekt für die Umsetzung der ersten Phase des südafrikanischen Teils des SKA, welches für den mittleren zu beobachtenden Frequenzbereich aufgebaut wird. Unternehmen, die an diesem Erweiterungsprojekt beteiligt sind, hätten damit auch eine Expertise zur Beteiligung an dem Nachfolgeprojekt.

Die 20 zusätzlichen Parabolantennen des MK+-Projekts werden voraussichtlich zu einem späteren Zeitpunkt auch in die erste Phase für das „Square Kilometre Array“ integriert und werden einen Teil des insgesamt 197 Antennen umfassenden SKA-MID darstellen.

Das MK+-Projekt wurde im Jahr 2019 im Rahmen einer gründlichen wissenschaftlichen Bewertung und technischen Planung gestartet. Die wesentlichen Ausschreibungen für die Erweiterung sind auf dem Weg und erste Aktivitäten zum Aufbau vor Ort sind für Mitte 2021 vorgesehen. Die weiteren Schritte bis hin zur Vollendung und wissenschaftlichen Inbetriebnahme sollten bis 2023 abgeschlossen sein.

„Ich bin davon beeindruckt, was bis jetzt schon mit dem MeerKAT-Teleskop erreicht wurde und wir sind stolz darauf, mit unseren südafrikanischen Partnern bei der Erweiterung des Teleskops zu kooperieren“, schließt Prof. Martin Stratmann, der Präsident der Max-Planck-Gesellschaft, der den Standort von MeerKAT in Südafrika im January 2020 besucht hat (siehe Abb. 2). „Das muss man wirklich selbst erlebt haben – es ist ein sehr eindrucksvoller Anblick!“

Hintergrundinformationen:
Das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO), eine Einrichtung der „National Research Foundation“, leitet alle radioastronomischen Aktivitäten und Anlagen in Südafrika, wie z.B. das MeerKAT-Radioteleskop in der Karoo-Halbwüste und den Geodäsie- und VLBI-Betrieb am HartRAO. SARAO koordiniert das “African Very Long Baseline Interferometry Network“ (AVN) für acht SKA-Partnerländer in Afrika sowie den südafrikanischen Beitrag zur Infrastruktur und technischen Planung für das Radioteleskop-Netzwerk des „Square Kilometre Array“ (SKA).

Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) in Deutschland ist eine gemeinnützige Organisation mit insgesamt 86 Instituten und Forschungseinrichtungen. Innerhalb der MPG spielt das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) eine Schlüsselrolle im Konsortium für Entwurf und Fertigung der Antennen für das SKA („Dish Engineering Consortium“). Zusammen mit Industriepartnern in Deutschland wie MT Mechatronics (MTM, einem Spezialisten für den Bau von Teleskopantennen, und internationalen Partnern ist das Antennenkonsortium verantwortlich für den Entwurf des mittelfrequenten Teils das SKA (SKA-MID). Das MPIfR und die MPG haben in Partnerschaft mit SARAO bereits 16 Millionen Euro in MeerKAT investiert. Das ging einerseits in den Aufbau eines hochmodernen Empfangssystems im S-Band-Bereich ( 1,6 – 3,5 GHz) mit „Beamformer“ und leistungsfähigem Datenanalysesystem zur Entdeckung von Radiopulsaren und Kurzzeitphänomenen („transients“), andererseits in den „SKA-Max-Planck-Dish-Demonstrator“, der zur Zeit am Standort von MeerKAT in Betrieb genommen wird.

Das Square Kilometre Array (SKA) ist ein internationales Projekt zum Aufbau des größten Radioteleskops der Welt mit einer Sammelfläche von einem ganzen Quadratkilometer (oder einer Million Quadratmetern). Das SKA wird an zwei unterschiedlichen Standorten errichtet, für den niederfrequenten Bereich (SKA-LOW) in Australien und für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) im südlichen Afrika. Es wird einen bisher nicht erreichten Anwendungsbereich umfassen und die Bildqualität des Hubble-Weltraumteleskops um das 50fache übertreffen, mit der zusätzlichen Möglichkeit, auch ausgedehnte Bereiche des Himmels gleichzeitig zu erfassen.

Das MeerKAT-Teleskop in der Karoo-Halbwüste in Südafrika ist ein Radioteleskop-Netzwerk, das sich zur Zeit aus 64 Parabolantennen mit jeweils 13,5 m Durchmesser zusammensetzt. Der Name des Projekts wurde von dem früheren „Karoo Array Telescope“ (KAT) abgeleitet. Die Hinzunahme von zusätzlichen Teleskopantennen (also „meer KAT“) führte schließlich zu dem Namen „MeerKAT“, der in der Burensprache auch das Erdmännchen („meerkat“) bezeichnet. Die 64 Antennen bilden zusammengenommen ein virtuelles Radioteleskop mit einer maximalen Ausdehnung von 8 km. Damit wurden bereits in einer frühen Phase beeindruckende Ergebnisse erzielt – eine hochaufgelöste Radiokarte im Bereich des galaktischen Zentrums aus dem Jahr 2019 gibt ein schönes Beispiel. Mit dem MeerKAT-Erweiterungsprojekt (MK+) wird die Anzahl der Einzelantennen um 20 auf 84 erhöht und ebenfalls die maximale Ausdehnung von 8 auf 17 km vergrößert. MeerKAT ist der Vorläufer für den mittleren Frequenzbereich des SKA (SKA-MID) am dafür vorgesehen Ort und wird zu einem späteren Zeitpunkt in dieses insgesamt 197 Parabolspiegel umfassende Projekt integriert werden.

Interview: Das Square Kilometer Array (6. März 2015)

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• Square Kilometre Array (SKA)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Der Lagunennebel zählt wohl mit zu den spektakulärsten Sternentstehungsgebieten innerhalb unserer Heimatgalaxie. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 5.000 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Sagittarius (der Schütze) und ist auch unter der Bezeichnung Messier 8 oder kurz „M 8“ bekannt ist. Mit einer Ausdehnung von etwa 90 x 40 Bogenminuten und einer scheinbaren Helligkeit von 6,0 mag kann er bereits mit einem Feldstecher beobachtet werden. Bei diesem Nebel handelt es sich um eine interstellare Wolke aus Gas und Staub mit einem Durchmesser von 100 Lichtjahren, in deren Inneren sich gerade neue Sterne bilden.

Heute veröffentlichte die Europäische Südsternwarte (ESO) eine 16.000 Pixel breite Aufnahme des Lagunennebels, welche mit dem VLT Survey Teleskope (kurz „VST“), einem der zwei Himmelsdurchmusterungsteleskope der ESO am Paranal-Observatorium im Norden Chiles, angefertigt wurde. Eine zoombare Version der Aufnahme, welche Sie auf dieser Internetseite der ESO finden, erlaubt es dem Betrachter, sämtliche Bereiche dieses faszinierenden Objekts bis ins kleinste Detail zu erkunden.

Zwecks der Anfertigung dieser Aufnahme wurde das VST nicht speziell auf den Lagunennebel ausgerichtet, sondern vielmehr im Rahmen eines Durchmusterungsprojekts mit der Bezeichnung VPHAS+ beobachtet, bei dem letztendlich ein deutlich größerer Bereich der Milchstraße abgebildet wird. Das Projekt VPHAS+ ist wiederrum lediglich eine von drei bildgebenden Durchmusterungen im visuellen Spektralbereich mit dem VST.

Ergänzt werden diese von sechs Infrarot-Durchmusterungen, für welche das VISTA-Teleskop eingesetzt wird. Im Gegensatz zu den größeren Teleskopen der ESO können diese beiden vergleichsweise kleinen Teleskope, welche aber immer noch über Spiegeldurchmesser von 2,6 beziehungsweise vier Metern verfügen, in einem relativ kleinen Zeitraum einen deutlich größeren Himmelsabschnitt abbilden.

Diese Durchmusterungen widmen sich einigen der wichtigsten Fragen der modernen Astronomie. Diese umfassen die Beschaffenheit der Dunklen Energie, die Suche nach hellen Quasaren aus der Frühzeit unseres Universums, Untersuchungen der Struktur der Milchstraße und die Suche nach hier angesiedelten ungewöhnlichen und verdeckten Objekten, detaillierte Untersuchungen der beiden benachbarten Magellanschen Wolken und viele weitere Themengebiete.

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass solche Durchmusterungsprojekte oftmals Unerwartetes zu Tage fördern. Derartige Überraschungen sind wiederrum unabdingbar für den Fortschritt der astronomischen Forschung.

Zusätzlich zu den neun bildgebenden Durchmusterungen mit den Teleskopen VISTA und VST sind derzeit noch zwei weitere Durchmusterungen mit ESO-Teleskopen in Gang. Eine davon ist der „Gaia-ESO Survey“. Hierbei werden mit dem Very Large Telescope (VLT) auf dem Paranal die Eigenschaften von mehr als 100.000 Sternen in der Milchstraße charakterisiert. Die zweite Durchmusterung mit dem Namen „PESSTO“ dient der Nachbeobachtung von relativ kurzlebigen astronomischen Objekten wie zum Beispiel Supernovae. Hierbei wird das New Technology Telescope des La-Silla-Observatoriums in den chilenischen Anden eingesetzt.

Weitere Informationen zu den Himmelsdurchmusterungsprojekten der ESO sind auf dieser Internetseite verfügbar. Einige dieser Durchmusterungen haben bereits im Jahr 2010, andere hingegen erst kürzlich begonnen. Mittlerweile wurden von allen Projekten erste Daten veröffentlicht, welche für Astronomen auf der ganzen Welt über das Archiv der ESO frei zugänglich sind. Einen Überblick über die veröffentlichten Daten finden Sie hier.

Obwohl die Beobachtungen für die Durchmusterungen noch längst nicht abgeschlossen sind, haben diese bereits schon zum jetzigen Zeitpunkt zu vielen Entdeckungen geführt. Dazu zählen neu entdeckte Sternhaufen, die bislang beste Karte des Zentrums unserer Heimatgalaxie, ein sehr tiefer Einblick in den Infrarothimmel und erst vor Kurzem der am weitesten entfernte Quasar, welcher bislang entdeckt wurde. Die verschiedenen Himmelsdurchmusterungsprojekte der ESO werden noch viele weitere Jahre andauern und die dadurch erwarteten neuen Einblicke und Erkenntnisse werden die astronomische Forschung über Jahrzehnte hinweg beeinflussen.

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• Sternentstehung
• Emissionsnebel

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Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, NASA.

Planck operiert mit seiner Sensorik im Mikrowellen- und Submillimeterbereich, konkret also einem Frequenzspektrum von etwa 25 bis 1.000 GHz. Dies ist eine vergleichsweise breite Abdeckung, die durch den kombinierten Einsatz zweier Instrumente im Teleskop ermöglicht wird. Diese lassen, so das Kalkül bei der Entwicklung der Sonde, aufgrund ihrer Empfindlichkeit und hohen Auflösung bisher einmalige Beobachtungen des Untersuchungsgegenstandes von Planck zu: der kosmischen Hintergrundstrahlung. Das Konzept scheint sich nun tatsächlich bewährt zu haben. Heute veröffentlichte die ESA, zusammen mit ihren Partnern, umfangreiche Erkenntnisse der astronomischen Forschung die auf Plancks Messdaten basieren.

Kernstück der Ergebnisse ist eine neue, in ihrer Genauigkeit bislang unerreichte, Karte der Mikrowellenstrahlung aus der Frühzeit des Universums. Die grafische Darstellung der Strahlungsverteilung nur 380.000 Jahre nach dem Urknall weist dabei auf eine erstaunliche Homogenität des damaligen Kosmos‘ hin.

Die präzise Analyse der Hintergrundstrahlung ermöglicht, neben der Nachvollziehbarkeit gegenwärtiger Materieverteilung im Universum, auch eine verbesserte Schätzung des Vorkommens Dunkler Materie und Dunkler Energie. Letztere ist wohl doch deutlich seltener im Universum vorhanden als bisher angenommen. Rund 68,3 Prozent soll ihr kosmischer Anteil ausmachen. Das sind mehr als 4% weniger als bis dato angenommen. Entsprechend in größerem Umfang vorhanden sind wohl hauptsächlich die Dunkle Materie, aber eben auch die uns unmittelbar bekannte, „gewöhnliche“ Materie. Sie macht den jetzt aktuellsten Erkenntnissen zufolge 4,9% der Zusammensetzung des Universums aus.

Die Dunkle Materie ist ein astronomisches Postulat, das die beobachteten Gravitationswirkungen im Universum erklären soll, die sich nicht nur mit „gewöhnlicher“ Materie schlüssig begründen lassen. In ähnlicher Weise soll die Dunkle Energie eine fremdartige Triebkraft anschaulich machen, die das Universum in seiner Expansion auf bisher nicht völlig verstandene Weise beschleunigt.

Eine weitere Folgerung aus den aufgearbeiteten Daten Plancks ist eine neue Angabe zum Alter des Universums. Es soll etwa 100 Millionen Jahre älter sein als bislang vermutet, nämlich 13,82 Milliarden Jahre. Entsprechend geringer als angenommen scheint demnach auch seine (gegenwärtige) Expansionsrate auszufallen. Sie wird durch die Hubble-Konstante repräsentiert, deren Wert jetzt, nach Daten des Weltraumteleskops, auf 67,15 +/- 1,2 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec geschätzt wird.

Zusätzlich konnten auch Rückschlüsse auf die unmittelbare Zeitperiode nach dem Urknall, die sogenannte Inflation, gezogen werden. Die homogene Struktur des Hintergrundrauschens lässt darauf schließen, dass die Inflation bereits sehr früh von zufälligen Prozessen auf Quantenebene geprägt war. Dies revidiert einige bisherige Theorien über den Ablauf der extremen Expansion zu Beginn des Universums.

In diesem Sommer wird das abschließende Ende von Plancks Mission gekommen sein. Eines seiner Instrumente wurde bereits vor gut einem Jahr abgeschaltet. Der zweite Sensor wird in wenigen Monaten ebenfalls außer Betrieb gehen müssen. Das Kühlmittel zur aufwändigen Tiefkühlung der Präzisionsgeräte ist dann endgültig aufgebraucht. Insgesamt bildete das europäische Teleskop im Laufe seiner Betriebszeit den gesamten Himmel fünf Mal im Mikrowellenspektrum ab. Die so gesammelten Daten werden noch einige Zeit der Auswertung in Anspruch nehmen. Weitere umfangreiche Forschungsresultate sollen im kommenden Jahr zur Verfügung stehen.

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• Neuer Blick aufs Universum mit Herschel/Planck

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Ein Beitrag von Michael Clormann. Quelle: ESA, NASA.

Ziel Euclids ist es, bisher nicht endgültig geklärte Phänomene im Expansionsverhalten des Universums besser verstehen zu helfen. Inzwischen ist klar, dass das Universum, anders als zunächst angenommen, nicht durch die Gravitation der „gewöhnlichen“ in ihm enthaltenen Materie langsam in seiner Expansion gebremst wird. Stattdessen steht fest, dass sich diese Expansion sogar noch beschleunigt. Hierfür wird die sogenannte Dunkle Energie verantwortlich gemacht, die sich allerdings gegenwärtig noch schwer wissenschaftlich dingfest machen lässt.

Das Weltraumteleskop soll im sichtbaren Spektralbereich und im nahen Infrarotbereich arbeiten und eine Vielzahl alter Galaxien im Universum kartieren. Aus der Analyse ihrer Form, ihrer Helligkeit und ihrer räumlichen Verteilung erhofft man sich Rückschlüsse auf die seltsame Wirkung Dunkler Energie und Dunkler Materie.

Die NASA wird, der neuesten Vereinbarung entsprechend, Bauteile für die nah-infrarot Sensorik des 1,2 Meter durchmessenden Teleskops beisteuern. Zusätzlich werden die federführenden europäischen Forscher durch Kollegen aus den USA unterstützt werden. Eine entsprechende Kooperation mit der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde war zuvor schon längere Zeit im Gespräch.

Das Cosmic Vision-Programm nahm Mitte des vergangenen Jahrzehnts Fahrt auf und wurde in seiner Ausrichtung durch wiederholte Auswahlverfahren konkretisiert. Grundsätzlich soll es wissenschaftliche Raummissionen in drei finanziellen Größenordnungen, Large, Medium und Small, umfassen. Euclid ist, neben der priorisierten Mission Solar Orbiter, das zweite Projekt der mittleren Kategorie bis etwa 300 Millionen Euro Kosten. CHEOPS, eine kleinere Mission, soll ab 2017 nach Exoplaneten spähen, während das erste Großprojekt, JUICE, die Jupitermonde Ganymed, Kallisto und Europa genauer erforschen wird. Sein Start ist gegenwärtig für 2022 angesetzt.

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• Euclid
• Cosmic Vision 2015-2025

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: New Scientist Space/University North Carolina.

Es wird noch Dutzende von Milliarden Jahren dauern und selbst unser Sonnensystem wird dann nicht mehr existieren, aber eines Tages ist der Tag: Dann wird unser Universum aufhören zu existieren. Welches grauenvolle Schicksal erwartet das Universum? Einige Physiker sind der Ansicht, dass es von seiner eigenen „dunklen Energie“ in Stücke gerissen werden wird. Andere denken, dass es in einer endlosen Serie von Urknallen und Endcrashs gefangen ist – dass es also ein um´s andere Mal in sich zusammenfallen wird, nur um gleich wieder im nächsten Urknall neu geboren zu werden.
Die Kosmologen Lauris Baum und Paul Frampton von der Universität von North Carolina in Chapel Hill haben diese beiden Ideen nun in einer neuen, noch unvorstellbareren Möglichkeit kombiniert: Demnach zerplatzt unser Universum schlussendlich in Milliarden von Teile, deren jedes seinerseits zu einem neuen Universum wird. Dieses Modell könnte das Rätsel lösen, warum unser frühes Universum so überraschend wohl geordnet war.
Denn eines der Probleme, die kosmologische Modelle erklären müssen, dreht sich um den Grad der „Unordnung“ im Universum. Diese Unordnung bezieht sich auf die Art und Weise, in der die Partikel im Universum angeordnet sind. Sie wird mit einer Größe namens Entropie bezeichnet, die auch aus der Thermodynamik und anderen Disziplinen bekannt ist und dort teilweise ähnliche Bedeutungen hat. Kosmologen gehen davon aus, dass das Universum nach dem Urknall in einem geordneten Zustand niedriger Entropie startete und sich dann allmählich in den vermischteren, höher entropischen Zustand entwickelte, wie wir es heute kennen. Das ist insofern überraschend, als es sowohl für Partikel als auch für Energie wahrscheinlicher ist, in einem Zustand größerer Unordnung erzeugt zu werden. Wie das Universum unter solchen Umständen so wohl geordnet beginnen konnte, das genau ist für Kosmologen ein ziemliches Rätsel.

Die Antwort könnte mit der Art zusammhängen, wie Universen entstehen und vergehen. Das Schicksal des Universums hängt davon ab, wie sich die dunkle Energie – die Kraft, von der man annimmt, dass sie das Universum auseinander treibt – mit der Zeit ändert. Wenn sie unbegrenzt zunimmt, dann wird sie schließlich alles auseinander reißen. Sie wird das Universum in einem Ereignis zerstören, das Kosmologen schon als „Big Rip“ bezeichnen, also das „Große Zerreißen“. Und Lauris Baum und Paul Frampton berufen sich auf genau diesen Effekt, um zu erklären, warum sich die Entropie des frühen Universums in Grenzen hielt.

In ihrem neuen Modell wird die dunkle Energie (deren Existenz ihrerseits noch längst nicht bewiesen ist) sehr dicht und lässt das Universum derart schnell expandieren, dass es sich schließlich dem „Big Rip“ nähert. Das Universum beginnt in Flecken oder „Scherben“ zu zerreißen, die sich mit mehr als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Aber die Zerstörung kommt gerade noch – Sekunden vor dem „Big Rip“ – zum Stehen, da die Dichte der dunklen Energie nun gleich der des Universums wird. An diesem Punkt fällt jeder einzelne Fleck in sich selbst zusammen. „All´ die Flecken, von denen es sehr viele gibt, kontrahieren jeder für sich in ein eigenes Universum„, sagt Frampton. Und nachdem sie zusammen gefallen sind, bersten diese Universen wieder auseinander, und jedes von ihnen startet mit einem eigenen Raum und einer eigenen Zeit.

Entscheidend bei diesem Modell ist nun Folgendes: Jeder Fleck soll nur einen Bruchteil der Gesamtentropie des „Mutteruniversums“ enthalten. Damit wäre erklärt, warum jedes Universum in einem niedrig entropischen Zustand beginnt. Die Arbeit wird in den „Physical Review Letters“ erscheinen.

Paul Steinhard, Kosmologe an der Princeton-Universität, würde das Modell gerne weiterentwickelt sehen. „Ich bin neugierig zu sehen, wie weit sie diese Idee treiben können“, sagt er.

Diese und andere kosmologische Modelle können ab Juli 2008 auf den Prüfstand gestellt werden, wenn der Satellit Planck der ESA gestartet wird. Dieser Satellit soll die dunkle Energie, auf Basis der real messbaren kosmischen Hintergrundstrahlung, weiter erforschen und könnte so klären helfen, inwieweit das neue Modell im Unterschied zum Standard-Urknall-Modell zutreffen könnten. Fakt ist: Egal welches Modell nun zutrifft, ist es bis zum Ende des Universums, wie wir es kennen, noch sehr, sehr, sehr lange hin.

Der Beitrag Der Tag, an dem das Universum zerreißt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.