Quelle: NASA / Jet Propulsion Laboratory, 26. Januar 2026

Dank der beispiellosen Empfindlichkeit des Webb-Teleskops erfahren Wissenschaftler immer mehr über den Einfluss der Dunklen Materie auf Sterne, Galaxien und sogar Planeten wie die Erde. Wissenschaftler haben anhand von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine der detailliertesten und hochauflösendsten Karten der Dunklen Materie erstellt, die jemals erstellt wurde. Sie zeigt, wie sich das unsichtbare, geisterhafte Material mit „normaler“ Materie überlagert und verflechten, aus der Sterne, Galaxien und alles, was wir sehen können, bestehen. Die Karte, die am Montag, dem 26. Januar, in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, baut auf früheren Forschungen auf und liefert zusätzliche Bestätigungen und neue Details darüber, wie dunkle Materie das Universum im größten Maßstab – Galaxienhaufen mit einem Durchmesser von Millionen von Lichtjahren – geprägt hat, aus denen letztlich Galaxien, Sterne und Planeten wie die Erde entstanden sind.

„Dies ist die größte Karte der Dunklen Materie, die wir mit Webb erstellt haben, und sie ist doppelt so scharf wie alle anderen Karten der Dunklen Materie, die von anderen Observatorien erstellt wurden“, sagte Diana Scognamiglio, Hauptautorin der Studie und Astrophysikerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bisher hatten wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie. Dank der unglaublichen Auflösung von Webb sehen wir nun die unsichtbare Struktur des Universums in atemberaubender Detailgenauigkeit.“

Dunkle Materie strahlt kein Licht aus, reflektiert es nicht, absorbiert es nicht und blockiert es auch nicht, sondern durchdringt normale Materie wie ein Geist. Aber sie interagiert mit dem Universum durch die Schwerkraft, was die Karte mit einer neuen Klarheit zeigt. Der Beweis für diese Interaktion liegt im Grad der Überlappung zwischen dunkler Materie und normaler Materie. Laut den Autoren der Studie bestätigen die Beobachtungen von Webb, dass diese enge Übereinstimmung kein Zufall sein kann, sondern darauf zurückzuführen ist, dass die Schwerkraft der dunklen Materie im Laufe der kosmischen Geschichte normale Materie zu sich hinzieht.

„Wo immer wir einen großen Cluster aus Tausenden von Galaxien sehen, sehen wir auch eine ebenso große Menge an dunkler Materie am selben Ort. Und wenn wir eine dünne Kette aus normaler Materie sehen, die zwei dieser Cluster verbindet, sehen wir auch eine Kette aus dunkler Materie“, sagte Richard Massey, Astrophysiker an der Durham University im Vereinigten Königreich und Mitautor der neuen Studie. „Es ist nicht nur so, dass sie die gleiche Form haben. Diese Karte zeigt uns, dass dunkle Materie und normale Materie immer am selben Ort waren. Sie sind zusammen gewachsen.“

Genauer betrachtet

Das Gebiet, das von der neuen Karte abgedeckt wird, befindet sich im Sternbild Sextans und ist etwa 2,5 Mal so groß wie der Vollmond. Eine weltweite Gemeinschaft von Wissenschaftlern hat diese Region mit mindestens 15 bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen für die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) beobachtet. Ihr Ziel: die Position der regulären Materie hier genau zu messen und sie dann mit der Position der dunklen Materie zu vergleichen. Die erste Karte der dunklen Materie in diesem Gebiet wurde 2007 unter Verwendung von Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA erstellt, einem Projekt unter der Leitung von Massey und dem JPL-Astrophysiker Jason Rhodes, einem Mitautor der Veröffentlichung.

Webb beobachtete diese Region insgesamt etwa 255 Stunden lang und identifizierte fast 800.000 Galaxien, von denen einige zum ersten Mal entdeckt wurden. Scognamiglio und ihre Kollegen suchten dann nach dunkler Materie, indem sie beobachteten, wie ihre Masse den Raum selbst krümmt, was wiederum das Licht von fernen Galaxien auf seinem Weg zur Erde ablenkt. Bei der Beobachtung durch die Forscher wirkt es so, als ob das Licht dieser Galaxien durch eine gekrümmte Fensterscheibe gefallen wäre.

Die Webb-Karte enthält etwa zehnmal mehr Galaxien als Karten des Gebiets, die von bodengestützten Observatorien erstellt wurden, und doppelt so viele wie die von Hubble. Sie zeigt neue Ansammlungen dunkler Materie und liefert eine höherauflösende Ansicht der zuvor von Hubble beobachteten Gebiete. Um die Entfernungsmessungen zu vielen Galaxien für die Karte zu verfeinern, verwendete das Team das Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb, das vom JPL entwickelt und bis zum Start betreut wurde, zusammen mit anderen Weltraum- und bodengestützten Teleskopen. Dank der von MIRI erfassten Wellenlängen eignet es sich auch hervorragend zur Erkennung von Galaxien, die durch kosmische Staubwolken verdeckt sind.

Warum das wichtig ist

Als das Universum entstand, waren normale Materie und dunkle Materie wahrscheinlich nur spärlich verteilt. Wissenschaftler glauben, dass sich die dunkle Materie zuerst zu Klumpen zusammenballte und dass diese Klumpen dann normale Materie anzogen, wodurch Regionen mit genügend Material entstanden, in denen sich Sterne und Galaxien bilden konnten. Auf diese Weise bestimmte die dunkle Materie die großräumige Verteilung der Galaxien im Universum. Indem sie die Entstehung von Galaxien und Sternen früher als sonst ausgelöst hat, trug die Dunkle Materie auch dazu bei, die Voraussetzungen für die spätere Entstehung von Planeten zu schaffen. Denn die ersten Generationen von Sternen waren dafür verantwortlich, Wasserstoff und Helium – die den größten Teil der Atome im frühen Universum ausmachten – in die vielfältigen Elemente umzuwandeln, aus denen heute Planeten wie die Erde bestehen. Mit anderen Worten: Die Dunkle Materie verschaffte komplexen Planeten mehr Zeit für ihre Entstehung.

„Diese Karte liefert einen weiteren Beweis dafür, dass es ohne Dunkle Materie in unserer Galaxie möglicherweise keine Elemente gäbe, die das Entstehen von Leben ermöglicht hätten“, so Rhodes. „Dunkle Materie ist nichts, was wir in unserem Alltag auf der Erde oder sogar in unserem Sonnensystem antreffen, aber sie hat uns definitiv beeinflusst.“

Scognamiglio und einige ihrer Co-Autoren werden die Dunkle Materie auch mit dem kommenden Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA über einem Gebiet kartieren, das 4.400 Mal größer ist als die COSMOS-Region. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Zielen von Roman gehört es, mehr über die grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie zu erfahren und darüber, wie sie sich im Laufe der kosmischen Geschichte verändert haben oder auch nicht. Die Karten von Roman werden jedoch die räumliche Auflösung von Webb nicht übertreffen. Eine detailliertere Untersuchung der dunklen Materie wird nur mit einem Teleskop der nächsten Generation möglich sein, wie dem Habitable Worlds Observatory, dem nächsten Flaggschiff-Konzept der NASA im Bereich der Astrophysik.

Mehr über Webb

Das James Webb Space Telescope löst Geheimnisse in unserem Sonnensystem, blickt über diese hinaus auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumagentur).

Weitere Informationen über Webb finden Sie unter: https://science.nasa.gov/webb

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• Dunkle Materie

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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: Max-Planck-Institut für Physik (MPP) 18. April 2024.

18. April 2024 – Die Natur der Dunklen Materie zählt bis heute zu den großen Fragen der modernen Physik. Nach heutigem Wissen macht die unsichtbare Dunkle Materie 85 Prozent der Gesamtmasse im Universum aus. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) geht heute das Experiment COSINUS* in Betrieb. Das Forschungsprojekt soll überprüfen, ob ein anderes Experiment (DAMA/LIBRA) tatsächlich Signale Dunkler Materie gemessen hat – oder nicht. COSINUS ist eine Kooperation der TU Wien, des Instituts für Hochenergiephysik der ÖAW, des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italien), des Helsinki Institute of Physics (Finnland) und des MPP.

Für das COSINUS-Projekt wurde ein spezielles Instrument entwickelt. Dabei wird ein Kristall auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt, um die Energie von Teilchen mit hoher Präzision messen zu können. Falls die Dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht, müsste die Erde auf ihrem Weg durch das All mit diesen Teilchen zusammenstoßen. Diese Kollisionen könnten sich im Messgerät nachweisen lassen.

Das DAMA/LIBRA-Experiment hat Daten gesammelt, die mit dieser Annahme im Einklang stehen, allerdings umstritten sind, da die Bestätigung durch ein anderes Experiment bis heute ausgeblieben ist.

Pflügt sich die Erde durch einen Nebel aus Dunkler Materie?
Wenn sich Dunkle Materie tatsächlich nachweisen ließe, würden die Messungen über das Jahr hinweg variieren. Warum? Die Sonne und all ihre Planeten – also auch die Erde – bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Die Erde wiederum kreist mit einer Geschwindigkeit von rund 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne, für einen kompletten Umlauf braucht sie ein Jahr. Ein halbes Jahr lang bewegt sich die Erde also in der gleichen Richtung wie die Sonne, die anderen sechs Monate in der Gegenrichtung.

„Wenn unsere Galaxie von Teilchen aus Dunkler Materie durchdrungen ist, würde sich die Erde mal schneller, dann wieder langsamer durch diesen ‚Nebel‘ hindurchbewegen“, erklärt die MPP-Wissenschaftlerin Karoline Schäffner, technische Leiterin von COSINUS. „Die Situation gleicht einer Autofahrt im Regen: Je schneller wir unterwegs sind, umso mehr Regentropfen prasseln auf die Windschutzscheibe. Wir erwarten also, zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Dunkle Materie zu detektieren.“

Genau das hat das DAMA/LIBRA Experiment ergeben, das seit 1995 läuft: Man detektierte tatsächlich ein Signal, dessen Intensität sich im Lauf des Jahres regelmäßig veränderte – ein Hinweis auf Dunkle Materie. Doch andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht wiederholen.

Der fehlende Nachweis durch andere Experimente beschäftigt die internationale Forschungsgemeinde seit Jahren. „Mit unserem neuen Projekt gibt es die Chance, dieses Rätsel zu lösen“, sagt Karoline Schäffner. „Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im DAMA/LIBRA-Experiment, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Unser Versuchsaufbau wird aber eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.“

Wärme und Licht
Im DAMA/LIBRA Experiment wird nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen. Es gibt bereits zwei weitere Experimente, mit denen Wissenschaftler*innen daran arbeiten, die DAMA/LIBRA-Experimente zu reproduzieren. Wie das Original zeichnen beide nur Licht auf – im Gegensatz zu COSINUS, das auf zwei verschiedene Signale ausgelegt ist.

Das Herzstück von COSINUS ist ein Kryostat – eine Art Kühlschrank für extrem tiefe Temperaturen – in dem ein Kristall aus Natriumiodid auf 1-2 hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (- 273 Grad Celsius) abgekühlt werden kann. Wird dieser Kristall von Dunkle-Materie-Teilchen getroffen, kommt es zu zwei Reaktionen im Detektor: Erstens werden die Atome des Kristalls in Schwingung versetzt – das Kristallgitter beginnt zu wackeln und heizt sich auf. Die dabei aufgenommene Wärmeenergie lässt sich äußerst genau messen. Zweitens entsteht im Kristall auch Licht, das COSINUS ebenfalls „sehen“ kann.

Bekannte oder unbekannte Teilchen?
Die Untersuchung von zwei Signalen liefert zudem Hinweise, um welche Teilchen es sich handelt. „Das ist wichtig, denn nicht jedes Signal, das man in einem solchen Detektor misst, ist ein Hinweis auf Dunkle Materie“, erklärt Karoline Schäffner: „Es kann sich zum Beispiel um gewöhnliche Elektronen handeln, die durch natürliche Radioaktivität entstehen. Oder auch um Neutronen, die von kosmischen Teilchen produziert werden.“

Um Dunkle Materie-Signale zu entdecken, müssen die Forschenden den Kristall möglichst effektiv vor jeglichem Hintergrundrauschen abschirmen. Daher steht das Experiment gut geschützt in einem Bergmassiv, im größten Untergrundlabor der Welt: in den INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italien), rund hundert Kilometer von Rom entfernt. Unter 1.400 Metern Gestein bietet ein Tunnelsystem Platz für eine Vielzahl hochempfindlicher Versuche – auch das DAMA/LIBRA-Experiment ist dort aufgebaut. Außerdem werden die Detektoren in einem sieben Meter hohen Tank mit hochreinem Wasser platziert.

Das COSINUS-Projekt wird 18. April 2024 im INFN-LNGS eröffnet. Erste Ergebnisse der Messungen sind 2025/26 zu erwarten.

*Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches

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• Dunkle Materie

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 7. März 2024.

7. März 2024 – Mit Sensoren, die dank der Regeln der Quantenphysik extrem empfindlich sind, wollen Physiker die wohl geheimnisvollste Substanz im Universum aufspüren: die Dunkle Materie. Sie macht etwa 80 Prozent der Materie im All aus. Die sichtbare Materie, aus der die Erde, Planeten, Sonne und Galaxien bestehen, macht also nur einen kleinen Teil des Universums aus. Physiker vermuten, dass Dunkle Materie aus einer unbekannten Art von Teilchen besteht. Die Dunkle-Materie-Teilchen wären zwar überall vorhanden, aber äußerst schwer zu detektieren, da sie nur sehr schwach mit normaler Materie, also Atomen oder Elektronen wechselwirken. In bisherigen Beobachtungen macht sie sich nur indirekt durch ihre Schwerkraft, die weitaus schwächste der vier Grundkräfte der Physik, bemerkbar.

Bisherige Detektoren konnten noch keine Dunkle Materie direkt nachweisen. Physiker der Technischen Universität Darmstadt haben nun maßgebliche Beiträge zum Design von neuen Quantensensoren geleistet, die Dunkle Materie mit Hilfe hochpräziser Messungen detektieren sollen. „Wir stellen uns die Frage, wie man den perfekten Sensor für Dunkle Materie baut“, sagt Daniel Derr. Seine Arbeitsgruppe „Theoretische Quantenoptik“ unter der Leitung von Professor Enno Giese vom Fachbereich Physik hat zusammen mit Kollegen der Universität Ulm dazu drei Arbeiten im angesehen Journal „AVS Quantum Science“ veröffentlicht, von denen der Verlag zwei besonders hervorhob.

Doch was ist eigentlich ein solcher Quantensensor? Eines der erstaunlichsten Phänomene der Quantenphysik ist das wellenartige Verhalten von Materie. Atome oder Elektronen stellen wir uns als winzige Teilchen vor. Aber sie können auch Wellenphänomene zeigen. Elektronen etwa, die man durch einen Spalt sendet, bilden dahinter ähnliche Streifenmuster wie es Lichtwellen tun.

Auch größere Materieobjekte können diese „Interferenzstreifen“ bilden. Dazu gehören etwa Wolken aus Zehntausenden von Atomen, die sich zu einer Art Superatom verbinden. Da das Superatom relativ schwer ist, hat es eine sehr kurze Materiewellenlänge. Das bedeutet, dass die Interferenzstreifen solcher Superatome sehr empfindlich auf Kräfte und Beschleunigungen reagieren. Schon die relativ schwache Gravitation kann das Muster der Streifen verändern. Dieser Effekt ermöglicht hochempfindliche Gravitationssensoren, die zur Navigation oder zum Aufspüren von Bodenschätzen genutzt werden können.

Neben der Schwerkraft könnten solche Interferometer auch eine mögliche Wechselwirkung mit Dunkler Materie nachweisen. Die Physiker diskutieren mehrere Modelle der Dunklen Materie. „Ein vielversprechender Kandidat, die so genannte ultraleichte Dunkle Materie, würde mit den Elektronen und den Quarks in den Atomkernen wechselwirken“, erklärt Derr. Damit würde diese rätselhafte Materieform die Energiestruktur des Superatoms beeinflussen und sich indirekt auf das Interferenzmuster auswirken.

Diese Signatur der Dunklen Materie zu isolieren, ist jedoch eine große Herausforderung. Physiker wollen dazu die Interferenzstreifen zweier Superatome vergleichen. Diese müssen räumlich und zeitlich möglichst weit voneinander entfernt erzeugt und zudem mit demselben Laser manipuliert werden. „So kann man lokale Unterschiede in der Dunklen Materie sehen und das Rauschen unterdrücken“, erklärt Derr. Geplant sind Quantendetektoren mit einer Länge von etwa 100 Metern. „Perspektivisch sollen sie einmal bis zu einem Kilometer groß werden“, sagt Giese.

„Unsere Ergebnisse haben direkten Einfluss auf das Design von Quantendetektoren für ultraleichte Dunkle Materie“, sagt Giese. So gibt es vielversprechende Ansätze, wie man den verfügbaren Platz in den Detektoren am besten ausnutzt oder wie man das Atom am geschicktesten manipuliert. Auch die Standortwahl könnten die Darmstädter Ergebnisse beeinflussen. Das Team will sich nun an internationalen Konsortien beteiligen, die solche Detektoren bauen. „In diesem Gebiet ist gerade viel Schwung“, sagt Derr. Vielleicht wird gerade der Grundstein für eine bahnbrechende Entdeckung gelegt.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.

Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.

Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation:
In der Sonderausgabe „Large Scale Quantum Detectors“ zu Quantensensoren des Magazins „AVS Quantum Science“ erschienen folgende drei Artikel des Darmstädter Teams:
doi.org/10.1116/5.0174258 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/5/4/044402/2921319/Atomic-diffraction-from-single-photon-transitions
doi.org/10.1116/5.0176666 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/5/4/044404/2930367/Clock-transitions-versus-Bragg-diffraction-in-atom
doi.org/10.1116/5.0175683 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/6/1/014404/2933696/Optimal-baseline-exploitation-in-vertical-dark

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• Dunkle Materie

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Quelle: Universität Wien 20. Februar 2024.

20. Februar 2024 – Erst vor wenigen Jahren entdeckte ein internationales Team von den Universitäten Wien und Harvard rund um den Astrophysiker João Alves (Universität Wien) Erstaunliches: In der Nachbarschaft unserer Sonne existiert eine riesige, wellenförmige, zusammenhängende Kette an Gaswolken, die entlang des Spiralarms unserer Galaxie Sternhaufen bildet – genannt Radcliffe-Welle. Bisher gab es jedoch ungelöste Fragen über jene Struktur. Nun berichten Alves und seine Kolleg*innen aus Harvard und der LMU München, dass die Radcliffe-Welle nicht nur wie eine Welle aussieht, sondern sich auch so bewegt. Die Forschungsergebnisse sind aktuell im renommierten Fachmagazin Nature erschienen.

Vor einigen Jahren enthüllten Astronom*innen der Universität Wien und der Universität Harvard eines der größten Geheimnisse der Milchstraße, als sie die Radcliffe-Welle entdeckten. Die Radcliffe-Welle ist eine 9.000 Lichtjahre lange, wellenförmige, zusammenhängende Kette an Gaswolken, die entlang des Spiralarms unserer Galaxie existiert und nur 500 Lichtjahre von unserer Sonne entfernt ist. Eine damals erstellte 3D-Staubkarte belegte zwar deutlich die Existenz der Radcliffe-Welle, darüber hinaus konnte aus den Daten jedoch nichts erhoben werden. Nun nutzte das internationale Team neue Daten der Gaia-Mission, um dem jungen Sternhaufen der Radcliffe-Welle 3D-Bewegungen zuzuordnen. „So konnten wir schließlich zeigen, dass die gesamte Radcliffe-Welle tatsächlich wellenförmig ist und sich auch als Wanderwelle bewegt“, erklärt Astrophysiker João Alves von der Universität Wien. Eine Wanderwelle ist dasselbe Phänomen, das wir in einem Sportstadion sehen, wenn Menschen nacheinander aufstehen und sich hinsetzen, um eine Welle auszulösen. Ebenso bewegen sich die Sternhaufen entlang der Radcliffe-Welle auf und ab und erzeugen dabei ein Muster, welches durch unseren galaktischen Garten wandert – sie oszillieren.

„Indem wir die Bewegung der jungen Sterne, die erst vor kurzem aus Gaswolken entlang der Radcliffe-Welle geboren wurden, untersucht haben, konnten wir die Bewegung des Gases, aus denen sie geboren wurden, verfolgen und zeigen, dass sich die Radcliffe-Welle tatsächlich wellt“, erklärt Ralf Konietzka, leitender Autor der Studie und Doktorand in Harvard.

„Das war die letzte offene Frage bezüglich des physikalischen Status der Radcliffe-Welle“, erklärt Alves. „Es ist in der Tat eine physikalisch oszillierende titanische Gaswelle in der Nähe unserer Sonne. Die Radcliffe-Welle kann nun, da wir verstehen, wie sie physikalisch funktioniert, unser Labor im Weltall sein und uns so zu weiteren Erkenntnissen verhelfen.“ So bereits eine erste spannende Ableitung daraus: „Die Art der Oszillation der Welle deutet darauf hin, dass es keine signifikante Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft gibt“, so Alves.

Das neu gewonnene Verständnis für das Verhalten der Radcliffe-Welle ermöglicht es den Forscher*innen, nun ihre Aufmerksamkeit auf noch herausfordernde Fragen zu richten: Etwa ist noch ungeklärt, wie die Radcliffe-Welle entstanden ist und warum sie sich so wellt, wie sie es tut.

Darüber hinaus wirft die Entdeckung der Oszillation neue Fragen auf: Wie viele solcher Wellen gibt es in der Milchstraße und in anderen Galaxien? Die aktuellen Daten deuten außerdem daraufhin, dass die Radcliffe-Welle das „Rückgrat“ unseres nächsten Spiralarms in der Milchstraße bildet, da sie fast die Hälfte der Länge und rund ein Fünftel der Breite des lokalen Spiralarms ausmacht. Könnte die Bewegung der Welle also auch implizieren, dass Spiralarme von Galaxien im Allgemeinen oszillieren? „Das würde unser Verständnis von Galaxien auf spannende Art vertiefen, denn dann wären sie noch dynamischer als bisher angenommen“, so Alves. All das wird Inhalt weiterer Studien sein, „die gute Zusammenarbeit zwischen der Universität Wien und der Universität Harvard in diesem Bereich wird noch einige spannende Ergebnisse bringen“, sagt Alves.

Originalpublikation:
Ralf Konietzka, João Alves et al.: ‚The Radcliffe Wave is Oscillating‘
DOI: 10.1038/s41586-024-07127-3
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07127-3

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• Die Milchstraße

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 23. November 2023.

Bochum, 23. November 2023 – Der größte Teil der Materie im Universum ist Dunkle Materie. Darauf richtet Dr. Elisa Pueschel vom Astronomischen Institut der Ruhr-Universität Bochum ihr Augenmerk in ihrem Projekt „Dark100″: Im Mittelpunkt steht ein noch unerforschter Massebereich Dunkler Materieteilchen. „Durch den Einsatz neuartiger, kosteneffizienter Teleskoptechnologie wird Dark100 eine Reihe von Teleskopen einsetzen, die in der Lage sind, die Auslöschung Dunkler Materie zu untersuchen und die Empfindlichkeit der derzeit betriebenen und geplanten Gammastrahlen-Instrumente um eine Größenordnung zu verbessern, und zwar mit einer noch nie dagewesenen Energie- und Winkelauflösung“, so Elisa Pueschel. Sie erhält für diese Arbeit einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC) und damit eine Förderung von 2,3 Millionen Euro für fünf Jahre.

Angetrieben von den jüngsten theoretischen Entwicklungen wird Elisa Pueschel nach Teilchen der Dunklen Materie zwischen 100 Teraelektronenvolt und einigen zehn Petaelektronenvolt suchen. Im Projekt Dark100 wird sie so einen einzigartigen Datensatz von tiefgehenden Gammastrahlenbeobachtungen von astrophysikalischen Systemen mit Dunkler Materie aufbauen. „Entweder werden wir Dunkle Materie nachweisen – oder falls nicht werden wir Grenzwerte für ihren geschwindigkeitsgewichteten Annihilationsquerschnitt festlegen“, plant die Wissenschaftlerin. Sollte sie nicht nachgewiesen werden, wird die Dunkle Materie für einen Teil des untersuchten Massenbereichs ausgeschlossen, und die theoretischen Modelle werden für den gesamten untersuchten Massenbereich eingegrenzt.

„Die Ergebnisse des Projekts Dark100 werden über die wissenschaftliche Gemeinschaft mit speziellem Interesse an Dunkler Materie hinaus spürbar sein“, ist Elisa Pueschel überzeugt. „Durch die Demonstration eines neuen Gammastrahlenteleskop-Paradigmas wird Dark100 eine Reihe möglicher astrophysikalischer Studien mit Gammastrahlen über 100 Teraelektronenvolt ermöglichen.“ Eingeschlossen sei ein sogenanntes galaktisches Pevatron, eine Teilchenschleuder im Zentrum der Milchstraße, und verschiedene vorübergehende Ereignisse.“ Das entstehende Datenarchiv wird Synergien mit anderen Gammastrahleninstrumenten fördern.

Zur Person
Elisa Pueschel schloss ihre Dissertation mit dem PhD im Jahr 2010 an der Carnegie Mellon University, USA, ab. Als Postdoktorandin arbeitete sie im Anschluss bis 2013 an der University of Massachusetts, Amherst, USA, und wechselte dann mit einem Stipendium des Irischen Forschungsrats und einem Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Union an das University College Dublin, Irland. Von 2017 bis 2022 leitete sie eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo sie bis zu ihrem Wechsel an die Ruhr-Universität Bochum im August 2023 fest angestellte Wissenschaftlerin blieb.

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• Dunkle Materie
• Ehrungen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Wissenschaftliche Originalpublikationen:

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

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• Die großräumige Struktur des Universums

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Quelle: Forschungszentrum Jülich 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie heute in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review X.

Etwa 80 Prozent der Materie im Universum besteht aus einem unbekannten und unsichtbaren Stoff. Postuliert wurde diese „dunkle Materie“ bereits vor etwa 90 Jahren. „Nur so ließ sich die Geschwindigkeitsverteilung der sichtbaren Materie innerhalb von Galaxien mit dem bisherigen Wissen in Einklang bringen“, erklärt Jörg Pretz, einer der Mitautoren der Studie, stellvertretender Direktor am Jülicher Institut für Kernphysik und Professor an der RWTH Aachen. „Eine ‚dunkle‘, bisher unbeobachtete Form von Materie muss die Galaxien zusätzlich stabilisieren.“

Seit den 1930er Jahren sind Physikerinnen und Physiker auf der Suche nach dieser Materie. An Theorien mangelt es der Wissenschaft nicht, doch bisher ist es noch niemandem gelungen, dunkle Materie tatsächlich nachzuweisen. „Denn ihre Natur ist noch völlig ungeklärt“, so Dr. Volker Hejny, ebenfalls vom Jülicher Institut für Kernphysik und wie sein Kollege Jörg Pretz Mitglied der internationalen JEDI-Kollaboration, die das Experiment durchgeführt hat. JEDI steht für Juelich Electric Dipole moment Investigations – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration arbeiten seit 2011 an der Messung elektrischer Dipolmomente geladener Teilchen. „Dunkle Materie ist nicht sichtbar, und verrät sich bisher nur indirekt durch ihre Schwerkraft. Deren Wirkung ist vergleichsweise winzig, so dass sie erst bei enorm großen Massen – wie eben ganzen Galaxien – wirklich in Erscheinung tritt.“

Theoretische Physikerinnen und Physiker haben bereits eine Reihe hypothetischer Elementarteilchen vorgeschlagen, aus denen die Dunkle Materie bestehen könnte. Je nach den Eigenschaften dieser Teilchen ergeben sich unterschiedliche Verfahren, durch die sie möglicherweise nachgewiesen werden können – Verfahren, die ohne den sehr schwierigen Nachweis der Gravitationswirkung auskommen. Zu den Kandidaten gehören auch Axionen und axion-artige Teilchen. „Ursprünglich sollten Axionen ein Problem in der Theorie der starken Wechselwirkung der Quantenchromodynamik lösen“, erläutert Jörg Pretz. „Der Name Axion geht auf den Physik-Nobelpreisträger Frank Wilczek zurück und bezieht sich auf eine Waschmittelmarke: Die Existenz der Teilchen sollte sozusagen die Theorie der Physik ‚reinwaschen‘.“

Um die Axionen nachzuweisen, nutzten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der JEDI-Kollaboration die Spins von Teilchen. „Der Spin ist eine eigentümliche Eigenschaft der Quantenmechanik, durch die sich Teilchen wie kleine Stabmagnete verhalten“, erklärt Volker Hejny. „Dies wird beispielsweise in der medizinischen Bildgebung in der Kernspintomographie – auch Magnetresonanztomographie oder kurz MRT – ausgenutzt. Dabei werden die Spins von Atomkernen durch starke äußere Magnetfelder angeregt.“

Die MRT-Technik wird auch dazu verwendet, um nach Dunkler Materie zu suchen. Während sich in einem normalen MRT die Atome in Ruhe befinden, bewegen sich die Teilchen in einem Beschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Das macht die Untersuchungen in einigen Bereichen viel empfindlicher und die Messungen genauer.

In ihrem Experiment nutzten die JEDI-Wissenschaftler eine besondere Eigenschaft des Jülicher Teilchenbeschleunigers COSY aus: die Verwendung von polarisierten Strahlen. „In einem gewöhnlichen Teilchenstrahl zeigen die Spins der Teilchen in beliebige Richtungen“, so Jörg Pretz. „Bei einem polarisierten Teilchenstrahl werden die Spins entlang einer Richtung ausgerichtet.“ Nur wenige Beschleuniger in der Welt verfügen über diese Möglichkeit.

Falls uns, wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten, ein Hintergrundfeld von Axionen umgibt, dann würde dieses die Bewegung der Spins beeinflussen – und könnte letztendlich so im Experiment nachgewiesen werden. Jedoch: Der erwartete Effekt ist winzig. Noch sind die Messungen nicht genau genug. Doch auch wenn bei dem JEDI-Experiment noch keine Hinweise für dunkle Materieteilchen gefunden werden konnten, haben es die Forschenden geschafft, den möglichen Wechselwirkungs-Effekt weiter einzugrenzen. Noch bedeutender: Sie konnten eine neue und vielversprechende Methode für die Suche nach dunkler Materie etablieren.

Originalpublikation:
First Search for Axionlike Particles in a Storage Ring Using a Polarized Deuteron Beam, S. Karanth et al. (JEDI Collaboration), Phys. Rev. X 13, 031004 – Published 12 July 2023, DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004, https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.031004, pdf: https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.13.031004.

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• Dunkle Materie

Der Beitrag Suche nach Dunkler Materie in Jülich erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Dunkle Materie muss es geben – jene unsichtbare Materie, die auch unsere Galaxie vor dem Auseinanderfliegen bewahrt. Bis zu 85 Prozent aller Materie in unserem Universum sollte daraus bestehen. Aber wo ist sie? Und was ist sie? Als guter Kandidat galten und gelten hypothetische Teilchen namens WIMP (weakly interacting massive particles). Stimmt das, wäre unsere ganze Galaxie in einen Nebel aus jenen zwar massereichen, aber extrem flüchtigen Teilchen regelrecht eingebettet. Auch durch die Erde würden in jedem Moment Billionen von WIMPs fliegen.

Zwar gelten die WIMPs als guter Kandidat für die so dringend gesuchten Materieteilchen – aber ihr Nachweis auf der Erde gestaltet sich als schwierig. Oder doch nicht? Es gibt da zumindest ein Experiment in einem italienischen Labor, rund 1400 Meter unter der Erde, das behauptet: Wir haben die WIMPs gefunden! Und das schon seit über 25 Jahren!

Franzi erzählt die Geschichte des Dramas um das DAMA-Experiment: eine Geschichte vom Suchen und, nun ja, Nicht-Finden der Dunklen Materie – eine Erfolgsgeschichte der wissenschaftlichen Methode oder doch eher ein Trauerspiel?

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle 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 iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der 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 Materie

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Dunkle Materie – Wo sind die WIMPs? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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: 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

Der Beitrag BR: Euclid und das dunkle Universum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Inzwischen hat man sich fast an den Gedanken gewöhnt, dass unser Universum voll Dunkler Materie ist. Die können wir zwar nicht sehen, aber sie sorgt dafür, dass unsere Galaxienhaufen und auch unsere eigene Galaxie nicht auseinanderfliegen. Tatsächlich ist die Dunkle Materie für uns überlebenswichtig. Da verzeiht man ihr es gerne, dass sie wohl 84 Prozent aller Materie im Universum ausmacht.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft nach der Dunklen Materie – was gar so einfach ist, wenn man bedenkt, dass niemand sie sehen kann und sie auch nicht mit sichtbarer Materie wechselwirkt, aus der wir und alles um uns herum besteht. Aber, da sind Forschende fast sicher: Es muss sie einfach geben, die Dunkle Materie.

Aber warum muss es Dunkle Materie in unserem Universum geben? In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi den Anfang einer Geschichte: die der Entdeckung der Dunklen Materie. Sie fängt mit dem Coma-Galaxienhaufen an, dessen Galaxien zu schnell unterwegs sind, hin zu Galaxien, die zu schnell rotieren und eigentlich auseinanderfliegen sollten. Doch schließlich war es die Kosmologie und der Wunsch nach einem ganz bestimmten Universum, welche der Dunklen Materie zu ihrem Durchbruch auf der wissenschaftlichen „Most-Wanted“-Liste verhalfen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle 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 iTunes oder Spotify zu finden.

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

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• Dunkle Materie
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Dunkle Materie – warum wir nicht auseinanderfliegen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY 23. Mai 2023.

23. Mai 2023 – Mit dem „Licht-durch-die-Wand-Experiment“ ALPS II startet heute bei DESY das weltweit empfindlichste modellunabhängige Experiment für die Suche nach besonders leichten Teilchen, aus denen die Dunkle Materie aufgebaut sein könnte. Nach wissenschaftlichen Berechnungen sollte diese ominöse Form von Materie fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale, sichtbare Materie. Bisher hat jedoch noch niemand Teilchen dieses Stoffs messen können – mit dem ALPS-Experiment könnte dieser Nachweis jetzt gelingen.

Das rund 250 Meter lange Experiment ALPS (Any Light Particle Search) ist dabei auf der Suche nach einer besonders leichten Sorte von neuartigen Elementarteilchen. Mit der Hilfe von vierundzwanzig recycelten supraleitenden Magneten aus dem HERA-Beschleuniger, intensivem Laserlicht, Präzisionsinterferometrie und hochempfindlichen Detektoren will das internationale Forschungsteam nach diesen sogenannten Axionen oder axionartigen Teilchen fahnden. Diese Teilchen sollen nur extrem schwach mit bekannter Materie reagieren, so dass sie an Beschleunigerexperimenten nicht gefunden werden können. Daher verwendet ALPS ein völlig anderes Messprinzip: In einem starken Magnetfeld könnten sich Lichtteilchen – Photonen – in diese geheimnisumwitterten Teilchen und wieder zurück in Licht umwandeln. „Die Idee für ein Experiment wie ALPS existiert schon seit über 30 Jahren. Durch die Nutzung von Komponenten und der Infrastruktur des ehemaligen HERA-Beschleunigers in Verbindung mit modernsten Technologien sind wir jetzt erstmals in der Lage, ALPS II in einer internationalen Kollaboration zu realisieren“, sagt Beate Heinemann, Direktorin für Teilchenphysik bei DESY. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums, ergänzt: „DESY hat sich zur Aufgabe gemacht, die Materie in ihrer ganzen Vielfalt zu entschlüsseln. ALPS II passt damit perfekt in unsere Forschungsstrategie und stößt dabei vielleicht die Tür zur Dunklen Materie auf.“

In einem rund 120 Meter langen Vakuumrohr, das von zwölf in gerader Reihe aufgestellten HERA-Magneten umschlossen wird, spiegelt das ALPS-Team hochintensives Laserlicht in einem sogenannten optischen Resonator hin und her. Sollte sich in dem starken Magnetfeld ein Photon in ein Axion verwandeln, könnte dieses eine lichtdichte Wand durchqueren, die am Ende dieser Magnetreihe steht. Hinter dieser Wand steht eine fast gleich aufgebaute Magnetstrecke. In ihr könnte sich dieses Axion wieder in Licht zurückverwandeln, das durch den Detektor am Ende aufgefangen wird. Ein zweiter optischer Resonator, der hier aufgebaut ist, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass aus einem Axion wieder ein Lichtteilchen wird, um den Faktor 10.000. Sieht man jetzt also Licht hinter der Wand, so muss es zwischendurch ein Axion gewesen sein. „Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Photon in ein Axion und wieder zurückverwandelt, ist allerdings trotz all unserer Techniktricks sehr klein – vergleichbar damit, dass man gleichzeitig mit 33 Würfeln einen Pasch wirft“, sagt DESY-Forscher Axel Lindner, Projektleiter und Sprecher der ALPS-Kollaboration.

Damit die Messung funktioniert, haben die Forschenden alle Komponenten des Experiments zur Höchstleistung getrieben. Der Lichtdetektor ist so empfindlich, dass er ein einzelnes Lichtteilchen pro Tag nachweisen kann. Auch die Präzision des Spiegelsystems für das Licht ist rekordverdächtig: der Spiegelabstand darf relativ zur Wellenlänge des Laserlichts höchstens um den Bruchteil eines Atomdurchmessers variieren. Und die jeweils neun Meter langen supraleitenden Magnete erzeugen in dem Vakuumrohr ein Magnetfeld von 5,3 Tesla, mehr als dem 100.000-fachen des Erdmagnetfelds. Die Magnete stammen aus dem 6,3 Kilometer langen Protonenring des HERA-Beschleunigers und erfuhren für das ALPS-Projekt ein Upcycling. Das Innere der ursprünglich gebogenen Magnete wurde extra für das Experiment geradegebogen, damit mehr Laserlicht in ihnen gespeichert werden kann, die Sicherheitseinrichtungen für den supraleitenden Betrieb bei minus 269 Grad Celsius wurden komplett überarbeitet. Vorgeschlagen wurde das Experiment ALPS von DESY-Theoretiker Andreas Ringwald. Er untermauerte mit seinen Berechnungen zur Erweiterung des Standardmodells auch die theoretische Motivation für das Experiment. Ringwald sagt: „Für ALPS haben Forschende aus der Experimentalphysik und der Theorie sehr eng zusammengearbeitet. Das Ergebnis ist ein Experiment mit einem einzigartigen Entdeckungspotenzial für Axionen, mit dem wir später vielleicht sogar nach hochfrequenten Gravitationswellen suchen können.“

Die Suche nach den Axionen beginnt zunächst in einem reduzierten Betriebsmodus, in dem die Suche nach „Untergrundlicht“, welches die Anwesenheit von Axionen vortäuschen könnte, vereinfacht wird. In der zweiten Jahreshälfte 2023 soll das Experiment die volle Sensitivität erreichen. Für 2024 ist dann eine Verbesserung des Spiegelsystems vorgesehen, außerdem kann später ein alternatives Lichtdetektorsystem installiert werden. Mit ersten Veröffentlichungen der Ergebnisse aus ALPS-Messungen rechnen die Forschenden für das Jahr 2024. „Selbst wenn wir mit ALPS keine leichten Teilchen finden sollten, werden wir mit dem Experiment die Ausschlussgrenzen für superleichte Teilchen um den Faktor 1000 verschieben“, ist Lindner überzeugt.

Insgesamt etwa 30 Forschende haben sich in der internationalen ALPS-Kollaboration zusammengefunden; sie kommen von sieben Forschungseinrichtungen: Neben DESY sind das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität in Hannover, die Cardiff University (Großbritannien), die University of Florida (Gainesville, Florida, USA), die Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, die Universität Hamburg und die University of Southern Denmark (Odense) beteiligt.

Auch für die Zeit nach der Axionensuche haben die Forschenden schon Pläne. Sie wollen mit ALPS beispielsweise herausfinden, ob ein Magnetfeld die Ausbreitung des Lichts in Vakuum beeinflusst, wie vor Jahrzehnten von Euler und Heisenberg vorhergesagt. Und auch zum Nachweis von hochfrequenten Gravitationswellen wollen die Forschenden den experimentellen Aufbau weiterverwenden.

Was sind Axionen?
Axionen sind hypothetische Teilchen. Sie gehören zu einem physikalischen Mechanismus, den der Theoretiker Roberto Peccei zusammen mit seiner Kollegin Helen Quinn 1977 vorgeschlagen hat, um ein Problem der starken Wechselwirkung – einer der vier Grundkräfte der Natur – zu lösen. 1978 haben die Theoretiker Frank Wilczek und Steven Weinberg ein neues Teilchen mit diesem Peccei-Quinn-Mechanismus in Verbindung gebracht. Da dieses Teilchen die Theorie „bereinigen“ würde, nannte Wilczek es nach einem Waschmittel „Axion“. Axionen oder Axion-ähnliche Teilchen werden von verschiedenen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt. Gäbe es sie, würden sie gleich eine ganze Reihe von heutzutage rätselhaften physikalischen Problemen lösen, unter anderem sind sie Kandidaten für die Bausteine der Dunklen Materie. Diese sollte nach aktuellen Berechnungen rund fünfmal so häufig im Universum vorkommen wie normale Materie.

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: JGU 26. April 2023.

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

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

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

Unser Universum

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

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

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

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

Download
Flyer „Schule trifft Akademie“

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

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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