Quelle: Universität Bremen Lucie-Patrizia Arndt 5. September 2024.

5. September 2024 – Verseux untersucht in seinem Projekt, wie Cyanobakterien genutzt werden können, um Langzeit-Marsmissionen nachhaltig zu gestalten, indem sie die Crew dauerhaft mit lebensnotwendigen Verbrauchsgütern versorgen. Denn selbst, wenn wir Menschen uns auf das absolut Notwendige beschränken, brauchen wir doch einiges zum Überleben – Sauerstoff und Nahrung zum Beispiel.

Halten wir uns an entlegenen Orten auf der Erde auf, dann bringen wir ausreichend Vorräte mit; im Weltraum werden die Astronaut:innen an Bord der Internationale Raumstation ISS regelmäßig mit Hilfe von Frachtkapseln versorgt. Doch wenn wir zum Mars wollen, sind weder große Vorräte noch ein kontinuierlicher Nachschub möglich. Der Transportweg ist zu riskant und die Kosten zu hoch. Die Lösung liegt somit darin, aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen lebensnotwenige Verbrauchsgüter herzustellen.

Dr. Cyprien Verseux hat bereits nachgewiesen, dass manche Cyanobakterien in der Lage sind, aus den natürlichen Ressourcen des Mars Sauerstoff und Biomasse zu produzieren. Erste Forschungsergebnisse erzielte er im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM), welches er am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen leitet.

Die große Frage ist nun: Wie kann dies auf effiziente Art und Weise gelingen? Dazu ist ein besseres Verständnis davon notwendig, wie Cyanobakterien auf zellulärer und molekularer Ebene die Mars-Ressourcen verstoffwechseln. Unter anderem soll dies durch Laborexperimente mit einer eigens entwickelten Apparatur untersucht werden, in der wenig mehr als die Rohstoffe aus dem Marsboden und der Marsatmosphäre verwendet werden. Zusätzlich zur Laborarbeit sollen mathematische Modelle entwickelt werden, die die Wachstumsraten, Produktivität und Effizienz der Bakterienkulturen vorhersagen.

Das Starting Grant des European Research Council eröffnet Cyprien Verseux und seinem Forschungsteam neue Möglichkeiten – insbesondere durch die Einrichtung von zwei Promotionsstellen. „Mit unserem Projekt ,MarCyano‘ möchten wir zwei Ziele erreichen. Zum einen wollen wir grundlegende Erkenntnisse darüber erhalten, wie die Cyanobakterien auf Umgebungsbedingungen reagieren, die für sie ,fremd‘ sind, wenn sie beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die auf der Erde nicht existiert. Zum anderen sollen Lösungen entwickelt werden, die dazu beitragen, die Erkundung des Mars durch den Menschen nachhaltig zu gestalten“, erklärt der Wissenschaftler.

Verseux und sein Team befassen sich jedoch nicht nur mit Nachhaltigkeitskonzepten bei Langzeit-Marsmissionen. Ihre Erkenntnisse und entwickelten Systeme werden sie auch in neue Denkansätze und Technologien übersetzen, die einem nachhaltigeren Umgang mit natürlich vorhandenen, aber zunehmend knapper werdenden Ressourcen auf der Erde dienen.

Verseux ist Mitglied der Initiative „Humans on Mars“ und am Antrag für das Exzellencluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Seine Expertise fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

Über Cyprien Verseux:
Der französische Biologe Dr. Cyprien Verseux forscht seit 2019 am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen. Dort baute er das „Laboratory of Applied Space Microbiology“ (LASM) auf, dessen Leiter er heute ist. Zuvor promovierte er mit dem Schwerpunkt Astrobiologie an der Universität Rom II, Italien, und am NASA Ames Research Center in Kalifornien, USA.

Er selbst verfügt über eigene Erfahrungen mit Explorationsmissionen in abgelegenen Gebieten: 2018 leitete er die französisch-italienische Concordia-Forschungsstation in der Antarktis. Dort verbrachte er ein Jahr, einschließlich der Wintermonate, in denen die Temperaturen auf bis zu minus 80 °C sinken können und monatelange Dunkelheit herrscht. 2015 nahm er am Marssimulationsprojekt HI-SEAS der NASA teil und lebte zusammen mit fünf Wissenschaftler:innen für ein Jahr isoliert in einer „Marsstation“ an den kargen Hängen des Mauna Kea Vulkans auf Hawaii, USA.

Seine wissenschaftliche Leistung wurde 2019 bereits mit einem Forschungsstipendium der renommierten Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet

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• Ehrungen

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 11. Dezember 2023.

11. Dezember 2023 – Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matthias Schott vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat heute die Ergebnisse einer umfangreichen Messreihe am ATLAS Detektor des Large Hadron Collider (LHC) veröffentlicht. Die Daten wurden während der zweiten Laufzeit des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgenommen. Ziel des experimentell anspruchsvollen Messprogramms ist die Suche nach axionartigen Teilchen, die bei bestimmten Zerfällen des Higgs-Teilchen entstehen könnten – und als neuartige Teilchen die Abweichung des experimentell bestimmten anomalen magnetischen Moments des Myons von seiner theoretischen Vorhersage erklären könnten. Die Arbeiten werden durch einen ERC Consolidator Grant von Matthias Schott finanziert. Sie stellen den experimentellen Test eines von Prof. Dr. Matthias Neubert, theoretischer Physiker und Sprecher von PRISMA+, entwickelten Axionen-Modells dar und sind so ein ideales Beispiel für das wertvolle Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment am Standort Mainz.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die zunächst postuliert wurden, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. Seit vielen Jahren werden Axionen oder axionartige Teilchen (axion-like particles oder ALPs) darüber hinaus als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt. „Vor diesem Hintergrund haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, um vor allem nach sehr leichten ALPs zu suchen“, erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. „Wir haben erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vorgeschlagen und umgesetzt, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen – diese wiederum könnten das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären, so wie Matthias Neubert es in einem vor einigen Jahren entwickelten Modell aufgezeigt hat.“ Gemeinsam mit Martin Bauer und Andrea Thamm postulierte Neubert 2017, dass mit ATLAS ein sehr großer Bereich passender Axionenmassen mit sehr hoher Empfindlichkeit abgesucht werden könnte. Für Matthias Schott war dies der Ausgangspunkt zur erfolgreichen Beantragung des ERC Grant: „Ich habe nun mit meiner Gruppe im Rahmen dieses ERC Grant einen großen Teil des Parameter-Raums des Neubert`schen Modells getestet und wir sind sehr froh, dass wir nun erste Ergebnisse veröffentlichen können.“ Matthias Neubert wiederum hat den zu erwartenden Effekt von ALPs auf das Myonmoment inzwischen in einer aktuellen Veröffentlichung mit Anne Galda noch einmal präzisiert.

Eine innovative experimentelle Leistung
Der Messreihe liegt die Überlegung zugrunde, dass potentielle ALPs sowohl an das Myon als auch an Photonen koppeln müssen, um die Anomalie beim magnetischen Moment des Myons zu erklären. Konkret haben die Forschenden eine theoretisch postulierte Zerfallskette untersucht, bei der ein Higgs-Teilchen zunächst in zwei ALPs, und diese wiederum in jeweils zwei Photonen zerfallen (H→aa→4γ). Ziel war es, in diese Kette die Kopplung der ALPs an die Photonen nachzuweisen. „Wir haben dabei keine auffälligen Signale gefunden, die auf entsprechende ALPs hinweisen könnten“, erläutert Matthias Schott. „In dem untersuchten Bereich können wir so eine Axion-Photon Kopplung mit allergrößter Wahrscheinlichkeit ausschließen.“ Da die Forschungsgruppe aber erstmals einen sehr großen Parameterbereich absuchen konnte und vor allem hinsichtlich der Kopplungsstärke um sechs Größenordnungen empfindlicher war als bisherige Messungen, ist es ihnen gelungen, die bisher strengsten Ausschlussgrenzen für Masse und Kopplungsstärke von ALPs zu setzen.

Das Besondere an dieser Messung ist, dass hierbei ALPs potentiell über die Higgs-Physik nachgewiesen werden können. Sie wird im Hochenergiebereich der Teilchenphysik durchgeführt und kann somit die Diskrepanz im anomalen magnetischen Myonmoment über die Umwandlung von Hochenergieteilchen aufspüren. Das ist ein komplementärer Ansatz zur direkten Messung der Eigenschaften des Myons im Niederenergiebereich im Rahmen des Myon g-2 Experiments, und macht ihn gerade deshalb so spannend.“

Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Der Zerfallsprozess, den die Gruppe um Matthias Schott untersucht hat, ist vor allem deshalb experimentell sehr anspruchsvoll, weil die nachzuweisenden Photonen aus dem ALP-Zerfall nicht am Kollisionspunkt des Detektors entstehen. „Bei normalen Teilchen-Kollisionen treffen sich die Teilchen immer genau in der Mitte des Detektors. Und für alle neuen Teilchen, die in dieser Kollision entstehen, nehmen wir typischerweise an, dass ihre Reise direkt am Kollisionspunkt beginnt. Die normalen Algorithmen und Kalibrationen die wir haben, basieren genau auf dieser Hypothese“, erläutert Matthias Schott. „Wenn nun aber neue Teilchen entstehen, welche lange genug „leben“ dann fliegen diese Teilchen erst einmal ein Stück bevor sie zerfallen. Damit gilt unsere ursprüngliche Annahme nicht mehr und wir müssen völlig neue Ansätze entwickeln, um auch Teilchen im Detektor zu sehen, welche eben nicht vom Kollisionspunkt stammen.“ Konkret zerfällt das Higgs-Teilchen im Modell von Matthias Neubert zunächst in zwei ALPs und zwar sofort an der Stelle der Teilchen-Kollision. Die ALPs fliegen aber eine Weile, bevor sie in je zwei Photonen zerfallen, so dass diese Photonen abseits des Kollisionspunktes produziert werden. „Wir nennen dies Ereignisse mit einem „displaced Vertex“ – einem verschobenen Kollisionspunkt sozusagen. Eine solche Messung ist uns nun erstmals mit Photonen gelungen.“

Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Wenn die ALPs vergleichsweise leicht sind, sind die Photonen, in die sie zerfallen, sehr nahe zusammen. Der Detektor nimmt die beiden Photonen als ein einziges Photon war – es sei denn, es gibt einen neuen Algorithmus, der genau darauf trainiert ist: der also Photonen, die eigentlich als ein Photon rekonstruiert wurden, doch als zwei Photonen erkennen kann. „Einen solchen Algorithmus konnten wir unter Verwendung künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken entwickeln und so Signale von hochgradig kollinearen Photonen erfolgreich auflösen.“

Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier nehmen wollen, „erwischen“. Um auch diese Lücke zu schließen, wollen sie das inzwischen in Betrieb gegangene FASER Experiment in einem Seitentunnel des LHC etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment nutzen.

Das Myon als Testlabor für neue Physik
Erst kürzlich hat die Myon g-2 Kollaboration am Fermilab einen neuen Messwert für das anomale magnetische Moment verkündet, der doppelt so genau ist, wie der bisherige. Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl ist die einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen beteiligt ist. Das Pendant ist die Myon g-2-Theorie-Initiative, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikerinnen und Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst. Auch hier liefern die Mainzer Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Prof. Dr. Hartmut Wittig zahlreiche wichtige Beiträge – von der Messung experimenteller Input-Größen bis hin zur hochpräzisen Berechnung der Beiträge der starken Wechselwirkung mit den Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik auf dem Mainzer Großrechner MOGON-II.

Aufgrund neuester Rechnungen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob es eine echte Abweichung zwischen Theorie und Experiment gibt und wenn es sie gibt, mit welchen theoretischen Ansätzen sie zu erklären wäre. Es demonstriert aber einmal mehr die große Expertise des Mainzer Cluster PRISMA+ bei der Suche nach neuer Physik – und hier insbesondere beim Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment sowie der Nutzung komplementärer Methoden zur Beantwortung der großen Fragen der modernen Physik. „Unsere heute veröffentlichte Arbeit ist hier ein wichtiger Beitrag, gleichwohl sie zeigt, dass der Raum für Modelle neuer Physik, die wir experimentell testen können, immer kleiner wird“, ordnet Matthias Schott das Ergebnis ein. „Bezogen auf ALPs sind diese nach wie vor vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie, als Verursacher einer Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons können wir sie jedoch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausschließen.“

Publikationen:
Galda, A.M., Neubert, M. ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2). J. High Energ. Phys. 2023, 15 (2023)
DOI: JHEP11(2023)015
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP11(2023)015

ATLAS Collaboration, Search for short- and long-lived axion-like particles in H→aa→4γ decays with the ATLAS experiment at the LHC, 6. Dezember 2023
arXiv:2312.03306 [hep-ex]
https://arxiv.org/abs/2312.03306

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Universität Innsbruck 5. Dezember 2023.

5. Dezember 2023 – Es ist gelungen, das rätselhafte Phänomen mit ultrakalten dipolaren Atomen numerisch zu simulieren. Die enge Verbindung von Quantenmechanik und Astrophysik ebnet den Weg für die Quantensimulation von stellaren Objekten.

Neutronensterne faszinieren die Wissenschaft seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1967. Die für ihre periodischen Lichtblitze und ihre schnelle Rotation bekannten Überreste von Supernovae gehören zu den dichtesten Objekten im Universum. Ihre Masse ist vergleichbar mit jener der Sonne, komprimiert in einer Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Neutronensterne zeigen ein eigenartiges Verhalten, das als „Glitch“ bekannt ist, bei dem der Stern plötzlich seine Rotation beschleunigt. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass Neutronensterne möglicherweise teilweise supraflüssig sind. In einer Supraflüssigkeit ist die Rotation durch zahlreiche winzige Wirbel gekennzeichnet, von denen jeder einen Teil des Drehimpulses trägt. Ein „Glitch“ tritt auf, wenn diese Wirbel aus der inneren Kruste des Sterns in seine feste, äußere Kruste entweichen und dadurch die Rotationsgeschwindigkeit des Sterns erhöhen.

Der Schlüssel zu dieser Studie liegt im Konzept des Suprafestkörpers – einem Zustand, der sowohl kristalline als auch supraflüssige Eigenschaften aufweist, und der als notwendige Bedingung für die Rotationsstörungen von Neutronensternen vorhergesagt wurde. Demnach nisten sich quantisierte Wirbel im Suprafestkörper ein, bis sie kollektiv entweichen und von der äußeren Kruste des Sterns absorbiert werden, was dessen Rotation beschleunigt. Kürzlich wurden suprafeste Zustände in Experimenten mit ultrakalten, dipolaren Atomen realisiert. Dies bietet eine einzigartige Möglichkeit, die Bedingungen im Inneren eines Neutronensterns auf der Erde zu simulieren.

Die aktuelle Studie von Forschern der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Laboratori Nazionali del Gran Sasso und des Gran Sasso Science Institute zeigt, dass in ultrakalten suprafesten Phasen Störungen auftreten können, die mit den Vorgängen im Inneren von Neutronensternen vergleichbar sind. Dieser Ansatz ermöglicht eine detaillierte Erforschung dieses Phänomens und seiner Abhängigkeit von Eigenschaften des Suprafestkörpers. „Unsere Forschung stellt eine enge Verbindung zwischen Quantenmechanik und Astrophysik her und bietet Einblicke in das Innenleben von Neutronensternen“, sagt die Erstautorin Elena Poli. Diese Vorgänge liefern wertvolle Erkenntnisse über die innere Struktur und Dynamik von Neutronensternen. Durch die Untersuchung dieser Ereignisse können die Wissenschaftler mehr über die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen erfahren.

„Diese Forschung demonstriert einen neuen Ansatz, um Einblicke in das Verhalten von Neutronensternen zu gewinnen, und eröffnet neue Wege für die Quantensimulation von stellaren Objekten in niederenergetischen Laboren auf der Erde“, betont Francesca Ferlaino.

Die Studie wurde kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht und unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem Europäischen Forschungsrat ERC finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Glitches in rotating supersolids. Elena Poli, Thomas Bland, Samuel J. M. White, Manfred J. Mark, Francesca Ferlaino, Silvia Trabucco and Massimo Mannarelli. Phys. Rev. Lett. 131, 223401
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.223401
arXiv: https://arxiv.org/abs/2306.09698
pdf: https://arxiv.org/pdf/2306.09698

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 4. Dezember 2023.

4. Dezember 2023 – Der Europäische Forschungsrat ERC fördert die Arbeiten im Rahmen eines Consolidator Grants mit knapp zwei Millionen Euro für fünf Jahre. Das Projekt „Strange Nuclear Matter from First-Principles Hadron Scattering Amplitudes“, kurz StrangeScatt, soll im Juni 2024 starten.

Mit teilchenphysikalischen Modellen lässt sich vorhersagen, wie schwer Neutronensterne werden können und welchen Radius sie besitzen. „Diese Modelle prognostizieren, dass sehr schwere Neutronensterne nicht vorkommen können“, erklärt John Bulava, der in Bochum die Professur für Theoretische Hadronenphysik innehat. „Allerdings wurden schon Neutronensterne gefunden, die zweimal schwerer als unsere Sonne sind – diese Beobachtungen passen nicht zu den Modellen.“

Hyperonen-Interaktionen simulieren
Der Grund für die Unstimmigkeiten dürften die Hyperonen sein. Also jene Teilchen mit Strange-Quark, die im Inneren von Neutronensternen entstehen. „Die Interaktionen der Hyperonen sind nicht gut verstanden“, so Bulava. Materie, wie wir sie im Alltag erleben, besteht aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus kleineren Teilchen bestehen, den Quarks. Quarks gibt es in sechs Sorten; zwei davon – die up- und down-Quarks – kommen in klassischer Materie vor. „Wenn strange-Quarks im Spiel sind, wie bei den Hyperonen, können alle möglichen neuen Sachen passieren“, weiß John Bulava und ist überzeugt: „Wenn wir die Hyperonen-Interaktionen besser verstehen würden, könnten wir auch Masse und Radius der Neutronensterne besser vorhersagen.“ Genau hier setzt seine Arbeit an.

Große Rechenpower erforderlich
Da Hyperonen sehr schnell zerfallen, können sie experimentell schwer untersucht werden. In Computersimulationen besteht diese Hürde nicht. Bulava beschreibt die Teilchen mit sogenannten First-principles-Simulationen. Dabei stellt er im Modell die fundamentalen Kräfte nach, die zwischen Teilchen wirken. Solche Simulationen sind extrem aufwendig und erfordern eine enorme Rechenpower, wie sie nur Hochleistungscomputer bieten. „Deutschland ist ein exzellenter europäischer Standort für diese Arbeiten, weil es hier mehrere Supercomputer gibt“, sagt der gebürtige US-Amerikaner.

Aufgrund des großen Aufwands lassen sich mit Frist-principles-Simulationen nur die Interaktionen von zwei bis drei Teilchen berechnen. John Bulava plant jedoch, seine Arbeiten an der Ruhr-Universität Bochum mit der weiterer Gruppen aus der Theoretischen Physik, der Plasmaforschung und der Astrophysik zu verzahnen. „Neutronensterne sind ein fantastisches astrophysikalisches Labor, dem wir uns an der Ruhr-Universität Bochum aus verschiedenen Perspektiven nähern können“, sagt er.

Zur Person
John Bulava studierte Physik und Mathematik in den USA an der George Washington University und der Carnegie Mellon University. An letzterer schloss er 2009 seine Promotion ab. Es folgten mehrere Forschungsstationen an unterschiedlichen europäischen Instituten, zunächst am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY), dann in der Schweiz am CERN. 2013 wurde Bulava Assistant Professor am Trinity College Dublin in Irland. 2019 wechselte er an die University of Southern Denmark, zunächst als Assistant Professor, später als Associate Professor. 2021 kehrte er noch einmal ans DESY zurück, bevor er 2023 die Professur für Theoretische Hadronenphysik an der Ruhr-Universität Bochum antrat.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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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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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Eines der größten Hindernisse bei der Suche nach Exoplaneten, die der Erde ähneln, sind ihre Sterne. Helligkeit und Wellenlängen des Sternenlichts schwanken mitunter stark. Das macht es selbst modernsten Teleskopen schwer, darin Hinweise auf erdähnliche Planeten und ihre lebensfreundlichen Atmosphären zu entdecken. Das gemeinsame Forschungsprojekt REVEAL des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS), der University of St Andrews (Vereinigtes Königreich), des Massachusetts Institute of Technology (USA) und des Space Telescope Science Institute (USA) bringt nun führende Expert*innen für Exoplaneten und für stellare Aktivität zusammen, um dieses Problem zu überwinden. Ziel ist es zu entwirren, welche Spuren im Sternlicht auf einen lebensfreundlichen Exoplaneten deuten und welche Ausdruck des Sterns selbst sind. Der Europäische Forschungsrat (Englisch: European Research Council, ERC) fördert das Projekt in den nächsten sechs Jahren mit einem Synergy Grant. Auf lange Sicht kann REVEAL dazu beitragen, eine der ältesten Fragen der Menschheit zu beantworten: Sind wir allein im Universum?

Die Exoplaneten, die viele Forschende am meisten interessieren, sind am schwersten zu finden. Gesteinsplaneten außerhalb unseres Sonnensystems, die der Erde gleichen und zudem möglicherweise lebensfreundliche Umweltbedingungen aufweisen, sind im Vergleich zu den meisten bekannten Exoplaneten von eher bescheidener Größe – und somit deutlich schwerer aufzuspüren. Zwar ist es in den vergangenen Jahrzehnten modernen Teleskopen auf der Erde und im Weltraum zunehmend gelungen, auch kleinere Planeten zu entdecken. Doch seit einigen Jahren stockt diese Entwicklung. Erdzwillinge, die um sonnenähnliche Sterne kreisen, bleiben auch mit dem neusten Stand der Technik schwer zu fassen. Und nach Hinweisen auf Gase, die auf Leben hindeuten, in den Atmosphären der planetaren Winzlinge zu suchen, ist selbst mit dem im vergangenen Jahr in Betrieb genommenen James-Webb-Teleskop der NASA kaum möglich.

Der Hauptgrund für diese Schwierigkeiten liegt in der Natur der Sterne selbst. Wie auch die Sonne leuchten sie nicht immer gleich: Dunkle Flecken und helle Bereiche überziehen ihre Oberfläche mal mehr, mal weniger zahlreich; und auch das Muster, das aufsteigendes heißes Plasma aus dem Innern eines Sterns an seiner Oberfläche erzeugt, ist ständig in Bewegung. „Die Variabilität vieler sonnenähnlicher Sterne ist deutlich stärker als die der Sonne“, erklärt Dr. Alexander Shapiro vom MPS, einer der drei wissenschaftlichen Leiter von REVEAL. „Besonders im Fall kleiner, erdähnlicher Planeten überdeckt die stellare Aktivität die Spuren, die der Planet und seine Atmosphäre im Sternenlicht hinterlassen“, fügt er hinzu.

Um das Problem zu lösen, so der Ansatz von REVEAL, muss zunächst das Verhalten der Sterne genau verstanden werden. In einem ersten Schritt planen die Forscher*innen deshalb, die stellare Aktivität für eine große Vielfalt von Sternen zu modellieren und am Computer zu simulieren. In einem zweiten Schritt berechnen sie, wie sich diese Aktivität auf das Licht auswirkt, das Teleskope von diesen Sternen einfangen. Nur auf diese Weise ist es möglich, echte Messdaten zu verstehen und zu trennen, welche Spuren darin von Exoplaneten und ihren Atmosphären stammen und welche auf den Stern selbst zurückzuführen sind.

Um diese anspruchsvolle Aufgabe zu meistern, bringt REVEAL führende Expert*innen sowohl aus dem Bereich der stellaren Aktivität als auch aus der Exoplanetenforschung zusammen. Während sich die Forschergruppe um Prof. Dr. Andrew Collier Cameron von der University of St Andrews mit dem Aufspüren und Charakterisieren von Exoplaneten mit Hilfe erdgebundener Spektrometer beschäftigt, sucht die Gruppe um Prof. Dr. Sara Seager vom Massachusetts Institut of Technology in den USA nach Hinweisen auf lebensfreundliche Atmosphären in Messdaten des James-Webb-Teleskops der NASA. Für die stellaren Simulationen mit Hilfe komplexer magnetohydrodynamischer Modelle ist die Arbeitsgruppe von Dr. Alexander Shapiro am MPS verantwortlich. Zusätzliche Erfahrung mit der Beobachtung stellarer Aktivität bringt die Partnergruppe um Dr. Jeff Valenti vom Space Telescope Science Institute in den USA ein.

„Nur durch die gemeinsame Expertise von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen der stellaren Physik und der Exoplanetenphysik können wir dem Ziel näherkommen, endlich eine der aufregendsten Suchen der modernen Astronomie abzuschließen – der Suche nach bewohnbaren Welten außerhalb unseres Sonnensystems“, so Dr. Alexander Shapiro.

Der ERC unterstützt das Projekt REVEAL (Revealing Signatures of Habitable Worlds Hidden by Stellar Activity) in den nächsten sechs Jahren mit fast 9,5 Millionen Euro im Rahmen eines ERC Synergy Grants. Die ERC Synergy Grants sind besonders ambitionierten Forschungsprojekten vorbehalten, die so umfangreich sind und so vielfältiges Fachwissen erfordern, dass sie nicht von einer einzelnen Forschungsgruppe bearbeitet werden können. Von insgesamt 395 Bewerbungen wurden in der aktuellen Förderrunde nur 37 Projekte zur Förderung ausgewählt.

Das MPS erhält bereits zum zweiten Mal einen ERC Synergy Grant. 2018 förderte der ERC auf diese Weise das Projekt WHOLESUN, das dem Ursprung der magnetischen Aktivität der Sonne nachgeht. Auch für Dr. Alexander Shapiro vom MPS ist dies bereits das zweite Mal, dass er mit einem Grant des ERC ausgezeichnet wird. Im Jahr 2017 erhielt er einen ERC Starting Grant, um Helligkeitsschwankungen der Sonne und von Sternen zu untersuchen.

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. September 2023.

5. September 2023 – Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat Dr. Aditya Parthasarathy, einem Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, im Rahmen des Förderprogramms „Horizon Europe“ einen renommierten und äußerst begehrten Starting Grant in Höhe von rund 1,6 Millionen Euro verliehen. Der Betrag wird es ihm und seinem Team ermöglichen, die genannten grundlegenden Fragen der Astrophysik im Rahmen des Projekts „A Gamma-ray Infrastructure to Advance Gravitational Wave Astrophysics“ (GIGA) zu untersuchen.

„Es ist eine sehr aufregende Zeit für die Gravitationswellenforschung bei niedrigen Frequenzen. Mit GIGA werden wir den Stand der Technik für Pulsar-Timing-Arrays sowohl im Gammastrahlen- als auch im Radiowellenbereich vorantreiben“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy. Pulsare entstehen durch den finalen Gravitationskollaps massereicher Sterne, der einen kompakten Neutronenstern zurücklässt, der dichter als ein Atomkern ist und sich Hunderte Male pro Sekunde um die eigene Achse dreht. Neutronensterne senden bei jeder Umdrehung Strahlen aus, die wie ein Signal von kosmischen Leuchttürmen durch die Galaxis ziehen. Die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Pulse kann genutzt werden, um nach winzigen Schwankungen in ihrem Ticken zu suchen, die eine Fülle astrophysikalischer Informationen enthalten. Ein Pulsar-Timing-Array nutzt eine ganze Ansammlung solcher kosmischen Uhren, um das schwache Meer von Gravitationswellen zu entdecken, das das Universum durchdringt.

Es wird erwartet, dass dieser sogenannte Gravitationswellenhintergrund von Paaren supermassereicher schwarzer Löcher stammt, die in den Zentren verschmelzender Galaxien zu finden sind. Ein signifikanter Nachweis dieses Signals wird unser Verständnis der Entwicklung von Galaxien und der Eigenschaften des frühen Universums kurz nach dem Urknall verbessern. Kürzlich hat ein internationales Team von Astronomen den ersten überzeugenden Beweis für den Gravitationswellenhintergrund bekannt gegeben, wobei viele der empfindlichsten Radioteleskope der Welt und über 15 Jahre lang gesammelte Daten zum Einsatz kamen. Obwohl dieses bahnbrechende Ergebnis den ersten Schritt zur Erforschung niederfrequenter Gravitationswellen darstellt, bleibt noch sehr viel zum weiteren Verständnis zu tun.

„Eines der größten Hindernisse bei der Verbesserung der Empfindlichkeit von Pulsar Timing Arrays ist unsere Kenntnis des interstellaren Mediums und der Modellierung seiner Auswirkungen auf die Beobachtungsdaten von Pulsaren“, sagt Dr. Parthasarathy. Wenn sich Radiowellen vom Pulsar zu unserem Planeten ausbreiten, werden sie von den Elektronen im interstellaren Medium abgelenkt, was direkte Messungen der Gravitationswellenparameter verfälscht. „GIGA wird diese große Einschränkung überwinden, indem es Gammastrahlen-Beobachtungen von Pulsaren mit dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA nutzt. Da Gammastrahlen nicht in gleicher Weise durch das interstellare Medium beeinflusst werden, wird ein Gammastrahlen-Pulsar-Timing-Array einen unabhängigen und direkteren Nachweis des Gravitationswellenhintergrunds ermöglichen“, fügt er hinzu.

„GIGA ist eine aufregende Idee, die bahnbrechende Ergebnisse verspricht“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ des Instituts. „Eine Kombination von Gammastrahlen- und Radiodaten wird nicht nur die abgeleitete Empfindlichkeit für den Gravitationswellenhintergrund erhöhen, sondern auch dazu beitragen, dessen astrophysikalische Ursprünge besser zu verstehen“, fügt er hinzu.

Dr. Parthasarathy wird vor Ende 2023 zu ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie, wechseln, wo er seinen ERC Starting Grant nutzen wird, seine eigene Forschungsgruppe aufzubauen. „Ich freue mich sehr darauf, meine Forschungsgruppe aufzubauen, während ich weiterhin mit meinen MPIfR-Kollegen zusammenarbeite, und ich bin dem ERC für die Finanzierung dankbar“, sagt er abschließend.

Hintergrundinformation
Der Europäische Forschungsrat (ERC) gibt die Vergabe von 400 Starting Grants an junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ganz Europa bekannt. Mit den Finanzhilfen in Höhe von insgesamt € 628 Mio. € – wird die Spitzenforschung in einem breiten Spektrum von Bereichen unterstützt, von Medizin und Physik bis hin zu Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Grants helfen Forschern am Anfang ihrer Laufbahn, ihre eigenen Projekte zu starten, Forschungsteams zu bilden und ihre besten Ideen zu verfolgen.

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• Ehrungen

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Quelle: Universität Hamburg 1. September 2023.

1. September 2023 – Durch die Messung einer sogenannten „Type Ia“-Supernova – also einer der energiereichsten Explosionen, die es im Universum gibt – konnte nachgewiesen werden, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt. Dafür erhielten Forscher 2011 den Physik-Nobelpreis. Grundlage für dieses Ereignis scheint die Explosion eines sogenannten „weißen Zwergs“ gewesen zu sein.

Weiße Zwerge sind sehr kompakte Objekte, die aus Sternen am Ende ihres Lebenszyklus entstehen und eine extreme Materiedichte haben. Wenn eine kritische Masse (Chandrasekhar-Grenze) erreicht wird, kommt es zum Kollaps, der zugleich Ursprung der Supernova sein könnte. Doch wo liegt diese kritische Masse und wie wird sie erreicht? Das möchte Prof. Dr. Thomas Kupfer in seinem Projekt „CompactBINARIES“ herausfinden, das nun vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) im Rahmen eines Starting Grants gefördert wird.

„Möglich ist etwa, dass sich zwei weiße Zwerge in einem extrem kompakten Doppelstern umkreisen. Die beiden Objekte kommen sich immer näher, bis sie schließlich verschmelzen und dabei die kritische Masse erreichen“, erklärt Kupfer. Möglich sei aber auch, dass der weiße Zwerg Materie von einem Begleitstern aufnehme und so die kritische Masse erreiche.

Um zu erforschen, ob kompakte Doppelsterne aus weißen Zwergen die Basis für Supernovae sein könnten, müssen sie genauer verstanden werden. Kupfer und sein Team wollen daher mithilfe von Himmelsmusterungen tausende dieser Doppelsterne kartieren und untersuchen. Basis dafür sind die Gravitationswellen, die von den Doppelsternen abgegeben werden. „Mit modernen Geräten wie BlackGEM oder SDSS-V wird der Himmel automatisiert und wiederholt durchmustert. Wir können in den Daten gezielt nach den Quellen der Gravitationswellen suchen und so die kompakten Doppelsterne identifizieren“, erklärt der Physiker. Um die riesigen Datenmengen entsprechend zu filtern, wird das Team unter anderem Techniken des maschinellen Lernens anwenden.

Die geeigneten Doppelsterne werden dann intensiv weiter beobachtet, wofür neben dem Hubble Space Teleskop und den Großteleskopen der Europäischen Südsternwarte auch das TIGRE-Teleskop in Mexiko zum Einsatz kommt. Dieses wird unter Federführung der Hamburger Sternwarte betrieben. Auch das Oskar-Lühning-Teleskop in Bergedorf wird für die Forschung verwendet werden. „Obwohl tausende dieser Doppelsterne in der Milchstraße vorhergesagt sind, kennen wir bisher gerade einmal zwei Dutzend. Das soll sich mit unserer Forschung ändern. So können wir die Ursprünge von Supernovae besser verstehen“, so Kupfer.

„CompactBINARIES“ startet im September 2023 und wird über fünf Jahre gefördert. Prof. Dr. Thomas Kupfer hat zum 1. September eine Professur für „Physik, insbesondere Galaktische Astronomie“ an der Universität Hamburg angetreten. Er wird an der Hamburger Sternwarte am Fachbereich Physik forschen und ist Mitglied im Exzellenzcluster „Quantum Universe“.

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• Doppelsterne

Der Beitrag 1,7 Millionen Euro für astrophysikalische Forschung zu Doppelsternen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Hamburg 1. August 2022.

1. August 2022 – Neutronensterne entstehen, wenn Sterne bestimmter Masse das Ende ihres Lebenszyklus erreichen. „Neutronensterne zeichnen sich durch extreme Materiedichten aus, die etwa fünfmal so hoch sind wie in einem Atomkern. Sie sind also quasi gigantische Atomkerne mit einem Radius von mehreren Kilometern“, sagt Prof. Dr. Stephan Rosswog, der zum 1. August 2022 einen Ruf an die Universität Hamburg angenommen hat. Im Rahmen des ERC Advanced Grants „Inspiration: From inspiral to kilonova“ wird er die Physik umeinanderkreisender und kollidierender Neutronensterne erforschen. Dazu modelliert er die Kollisionen mithilfe von Supercomputern und auf der Grundlage theoretischer Vorhersagen über die Eigenschaften von Neutronensternen.

Umeinanderkreisende Neutronensterne erzeugen durch ihre extreme Materiedichte sogenannte Gravitationswellen, also Schwingungen der Raum-Zeit. Daneben wird durch die Kollision ein Teil ihrer Materie ins All geworfen. Es entsteht elektromagnetische Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen. „Die Herausforderung ist, sowohl die Gravitationswellen als auch die elektromagnetische Strahlung in eine einzige Modellierung zu integrieren, denn sie basieren auf völlig verschiedenen physikalischen Prozessen. Bislang wurden das Umeinanderkreisen der Neutronensterne bis zur Kollision und die Strahlung in separaten Modellen berechnet“, erklärt Stephan Rosswog. „Inzwischen sind wir aber soweit, dass wir beides zusammen modellieren können.“

Durch einen Abgleich der theoretischen Modellierungen mit den Messdaten von Gravitationswellendetektoren und Teleskopen lassen sich theoretische Vorhersagen über Neutronensterne überprüfen. Ende der 1990er Jahren hat Stephan Rosswog gemeinsam mit Kollegen beispielsweise vorhergesagt, dass bei der Kollision von Neutronensternen schwere Elemente wie Gold, Platin oder Blei entstehen. Die darauf basierenden Modellierungen stimmen mit den tatsächlichen Messdaten überein.

„Neutronensterne sind auch ein Labor für die Relativitätstheorie“, sagt Rosswog. 2017, zwei Jahre nach der Messung des ersten Gravitationswellensignals, wurden erstmals Gravitationswellen aus der Kollision von zwei Neutronensternen gemessen. Im Zusammenspiel mit Daten von Teleskopen hat sich damals experimentell bestätigt, dass sich Gravitationswellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Damit wurde eine zentrale Vorhersage aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie belegt.

Der ERC Advanced Grant ist eines von fünf Programmen, mit denen der Europäische Forschungsrat Grundlagenforschung fördert. Die Advanced Grants richten sich an etablierte Spitzenforscherinnen und -forscher mit mehr als zehn Jahren Erfahrung in der Wissenschaft, die ihre Forschungsfelder maßgeblich prägen.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Der Beitrag Uni Hamburg: 2,5 Millionen Euro für Forschung zu Neutronensternen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: TU Ilmenau 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Mit der Förderung von 2,5 Millionen Euro für fünf Jahre kann der Forscher nun mit Hilfe von Super- und Quantencomputern Strömungen berechnen und analysieren, wie sie beispielsweise nahe der Sonnenoberfläche auftreten. Der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz könnte in Zukunft zu verbesserten Modellen der Sonnenaktivität und zu präziseren Wetter- und Klimavorhersagen führen. Das MesoComp-Projekt startet voraussichtlich im Januar 2023.

Mesoskalenkonvektion ist das Schlagwort der Spitzenforschung von Prof. Jörg Schumacher, Leiter des Fachgebiets Strömungsmechanik an der TU Ilmenau und Fellow der American Physical Society. In der Meteorologie spricht man von einem mesoskaligen konvektiven System, wenn sich zum Beispiel Gewitter zu einem größeren Gewitterkomplex zusammenschließen, der mehrere Stunden lang existiert. Weil die Turbulenzen in der Atmosphäre scheinbar chaotisch sind und sich rasch verändern, ist es heute noch schwierig, solche gigantischen Wetterphänomene rasch und zuverlässig vorherzusagen. In globalen Zirkulations- und Klimamodellen, die die Langzeitentwicklung der gesamten Erdatmosphäre beschreiben, fallen diese Mesoskalenkonvektionsprozesse immer noch durch das grobe Rechengitternetz, mit dem Wissenschaftler unsere Erdkugel umspannt haben. In die globalen Zirkulations- und Klimamodelle werden sie, stark vereinfacht, als zusätzliche Wärmeströme eingebaut. Eben diese Modellierung der Prozesse möchte das Projekt MesoComp verbessern. Dazu müssen die Wissenschaftler aber erst die Ursache der scheinbar geordneten Strömungsmuster herausfinden.

Was in der Erdatmosphäre Gewittercluster oder Wolkenstraßen sind, sind nahe der Sonnenoberfläche sogenannte Granulen. Zusammengeschlossen bilden sie riesige, 30.000 Kilometer große Strömungszellen mit einer Lebensdauer von einem Tag. Am Rande solcher Supergranulen treten eruptionsartig dicke Bündel von Magnetfeldlinien aus dem Innern der Sonne in die Sonnencorona hervor. Bei Sonnenstürmen gelangen dann große Mengen energetischer Teilchen in den Sonnenwind in Richtung Erde und können dort große Schäden anrichten: Satelliten können zerstört und sogar ganze elektrische Stromnetze zum Zusammenbruch gebracht werden. Auch das Auftreten dieser Sonnenaktivitäten kann derzeit nicht zuverlässig vorhergesagt werden, da die Bildung der Supergranulen durch Mesoskalenkonvektion noch nicht verstanden ist.

Um schnellere und präzisere Vorhersagen über das Verhalten solcher Strömungsturbulenzen zu ermöglichen, bringt Prof. Jörg Schumacher Ordnung in das Chaos. Anhand numerischer Forschungsmodelle analysiert er mithilfe von Hochleistungsrechnern die, wie Fachleute sie nennen, „geordneten Konvektionsmuster“ Wolken und Granulen. Doch sind solche Modellierungen der Mesoskalenkonvektion immer noch die größte Quelle von Unsicherheiten für präzisere Prognosen der globalen Erderwärmung und folglich auch der Häufigkeit von Extremwetterlagen. Bei Rechenaufgaben der Dimension, die der Ilmenauer Wissenschaftler lösen will, stoßen selbst Hochleistungscomputer heutiger Zeit an ihre physikalischen Grenzen.

Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen bietet der Strömungsforschung nun vollkommen neue Möglichkeiten, effektive Modellierungen nicht nur zu denken, sondern auch durchzuführen – und so ein ganz neues Verständnis grundlegender turbulenter Strömungen zu gewinnen. Komplexere Aufgaben in kürzerer Zeit zu bewältigen, als herkömmliche Rechencluster, das schaffen theoretisch die um ein Vielfaches leistungsfähigeren Quantencomputer. Für seine Forschungsarbeiten wird Prof. Schumacher auch den Quantencomputer verwenden, der von dem IT-Konzern IBM im baden-württembergischen Ehningen installiert wurde und vom Fraunhofer Kompetenznetzwerk Quantumcomputing betrieben wird – den laut IBM „leistungsstärksten Quantencomputer Europas“.

Der Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) unterstützt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Disziplinen, die sich bereits als führende Forscherinnen und Forscher etabliert haben und über eine anerkannte Erfolgsbilanz von Forschungsleistungen verfügen. Er wird, anders als die meisten sonstigen Forschungsförderungen, nicht an Forschergruppen, sondern an Einzelpersonen vergeben. ERC-Grants sind 100-prozentige Förderungen, die alles abdecken, was in einem Projekt anfällt: Personalkosten, Equipment, Verbrauchsmaterialien, Reisen, Publikationen, Unteraufträge usw. Der Strömungsforscher der TU Ilmenau Prof. Jörg Schumacher setzte sich mit seinem MesoComp-Projekt in einem zweistufigen Auswahlverfahren gegen über 1.700 Einreichungen aus der gesamten EU aus allen Wissenschaftsgebieten durch. Zur zweiten Stufe wurde nur ein Drittel der Einreichungen zugelassen, gefördert werden nun nur 253 Projekte – darunter das Projekt von Prof. Schumacher.

Ob die hohen Erwartungen in die neue Technologie Quantumcomputing erfüllt werden können, auch das will Professor Jörg Schumacher im MesoComp-Projekt klären. Denn obwohl die Computerchips schon unter minus 273 Grad Celsius gekühlt werden, um alle möglichen Rauscheffekte zu unterbinden, sind Quantencomputer noch sehr störanfällig. Doch der technische Fortschritt auf diesem Gebiet ist rasant. Allein die Bundesregierung investiert in den kommenden Jahren mehr als zwei Milliarden Euro in diese Zukunftstechnologie. Prof. Schumacher ist zuversichtlich, mit Methoden der Künstlichen Intelligenz datengetriebene Modelle der Mesoskalenkonvektion zu entwickeln, die präzisere und schnellere Vorhersagen ermöglichen werden: „Werden in zehn Jahren Klimamodellierungen auf Quantencomputern laufen? Die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und die damit zusammenhängende Forschung ist riskant. Aber ich würde es nicht versuchen, wenn ich nicht daran glauben würde.“

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• Unsere Sonne

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Quelle: AIP.

17. März 2022. Wenn junge Sterne geboren werden, sind sie oft von einer Wolke aus Gas und Staub umgeben, die zu einer Scheibe abflacht, in der Planeten entstehen können. Das bewilligte Forschungsprojekt konzentriert sich auf den Aufbau und die frühe Entwicklung dieser protoplanetaren Gasscheiben. Eine der zentralen Fragen dabei ist, welche Rolle das Umfeld der Gasscheiben spielt. „Planetenbildung erfolgt bildlich gesprochen innerhalb eines Wimpernschlags nach der Sternentstehung. Wir wollen verstehen, welche festen Bestandteile der Scheibe von ihrer direkten interstellaren Umgebung stammen oder dort gewachsen sind“, erklärt Oliver Gressel, der am AIP die Abteilung Magnetohydrodynamik und Turbulenz leitet. „Wir haben das ehrgeizige Ziel, realistische Simulationen der Entstehung und frühen Entwicklung von protoplanetaren Scheiben zu erstellen und zu verstehen.“ Mit den Mitteln des Consolidator Grants werden Stellen für Promovierende und PostDocs zur Forschung am Thema finanziert, ebenso sollen die Computercluster am Institut erweitert werden – diese sind für die rechenintensiven Simulationen unabdingbar.

Oliver Gressel leitet seit 2021 die Abteilung Magnetohydrodynamik und Turbulenz am AIP. Nach seinem Physikstudium in Tübingen war er bereits für drei Jahre Doktorand am AIP und promovierte an der Universität Potsdam. Es folgten Forschungsaufenthalte in London und Stockholm sowie eine Assistenzprofessur am Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen. Im Jahr 2015 erhielt er für seine Leistungen den Johann-Wempe-Preis. Im Jahr 2018 kehrte er mit einem ERC Starting Grant ans AIP zurück.

Der Europäische Forschungsrat (ERC) ist eine von der EU-Kommission eingerichtete Institution zur Förderung grundlagenorientierter Forschung. Zwei Prinzipien zeichnen das Förderverfahren aus: Exzellenz als das alleinige Förderkriterium und ein unabhängiges und transparentes Auswahlverfahren. Der ERC vergibt jährlich ERC Consolidator Grants an exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Zeitraum von sieben bis zwölf Jahren nach der Promotion.

Weitere Informationen

Pressemitteilung ERC

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

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• Planetenentstehung

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Verfasser/in: Ute Schönfelder.

17. März 2022 – Sie gehören zu den extremsten und komplexesten Ereignissen des Universums: Kollisionen von Neutronensternen. Verschmelzen zwei dieser hochkompakten und massereichen Himmelskörper, wird die Raumzeit enorm verzerrt; die Materie erreicht Dichten und Temperaturen, die in keinem Laborexperiment reproduzierbar sind. Bei der Kollision werden hochenergetische Strahlung und Materie in den Weltraum geschleudert. Sie ist so heftig, dass sie von der Erde aus – selbst über Millionen Lichtjahre hinweg – sowohl als Gravitationswellen als auch als Licht beobachtet werden kann.

„Solche Ereignisse sind einzigartige astrophysikalische Laboratorien“, sagt Prof. Dr. Sebastiano Bernuzzi von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der 40-jährige Forscher und sein Team vom Theoretisch-Physikalischen Institut entwickeln theoretische Modelle, mit denen sich die Dynamik solcher kosmischer Kollisionen nachvollziehen und Beobachtungsdaten erst erklären lassen. Für sein aktuelles Forschungsvorhaben „InspiReM“ wird Sebastiano Bernuzzi vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) mit einem sogenannten „Consolidator Grant“ gefördert und erhält dafür in den kommenden fünf Jahren knapp zwei Millionen Euro.

„Es ist das ambitionierteste Projekt meiner bisherigen wissenschaftlichen Karriere“, sagt Bernuzzi, der 2017 bereits mit einem ERC „Starting Grant“ gefördert wurde. Er fühle sich geehrt, dass sein Projekt nun zu den ausgewählten Vorhaben gehöre, denen der ERC die wichtigste Förderung und zugleich höchstdotierte Auszeichnung der EU für Spitzenforschende vergibt. „Ich bin begeistert und zugleich entschlossen, meine Forschung auf dem höchstmöglichen Level voranzutreiben.“

Mit Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie Gravitations- und elektromagnetische Wellen vorhersagen
Bernuzzis Arbeitsgruppe an der Universität Jena gehört schon jetzt zu den führenden auf dem Gebiet der numerischen Simulation von Neutronensternverschmelzungen. Die Forschenden nutzen dafür die größten Supercomputer Deutschlands, etwa am Leibniz Supercomputing Centre (München) und an der HRLS (Stuttgart), um mit Hilfe von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie detaillierte Vorhersagen für Gravitationswellen und elektromagnetische Beobachtungen zu machen, die von solchen Ereignissen ausgehen. „Indem wir simulieren, was mit der Raumzeit während der Verschmelzung der Sterne passiert, können wir detaillierte Modelle für die Interpretation der Strahlung erstellen, die wir beobachten“. Erst kürzlich war Bernuzzi als Teil eines internationalen Teams an der Analyse von Daten beteiligt, die das NASA-Röntgenobservatorium „Chandra“ bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne im Objekt GW170817 aufgenommen hat.

Mit dem Projekt InspiReM („Modeling binary neutron star from inspirals to remnants and their multimessenger emissions”) wollen sich Bernuzzi und sein Team nicht nur auf Gravitationswellen konzentrieren, sondern auch die Überreste vergangener Sternverschmelzungen und die von ihnen ausgehenden Materialausströmungen untersuchen. Die Bedingungen in diesen Ausströmungen sind einzigartig – dort entstehen schwere Elemente, wie Gold oder Uran.

Mit der ERC-Förderung kann Bernuzzi sein Team jetzt mit den besten Forschenden aus der ganzen Welt verstärken. Ein Teil der Gelder soll auch in weitere Hochleistungsrechentechnik für das Universitätsrechenzentrum fließen, ohne die seine komplexen Simulationen nicht möglich wären.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: AIP.

Die geförderten Projekte von Prof. Lutz Wisotzki und Prof. Christoph Pfrommer haben beide zum Ziel, unser Verständnis der Galaxienentstehung zu verbessern. Lutz Wisotzki konzentriert sich dabei auf Beobachtungen mit erstklassigen Instrumenten, während Christoph Pfrommer Plasmasimulationen und kosmologische Galaxiensimulationen in neuartiger Weise miteinander verknüpfen wird.

„Die Tatsache, dass gleich zwei Spitzenforscher aus dem Fachgebiet der Astronomie in derselben Antragsrunde und dem gleichen Institut unabhängig voneinander erfolgreich die hochbegehrte Förderung eingeworben haben, ist eine herausragende Leistung“, gratuliert Matthias Steinmetz, wissenschaftlicher Vorstand und Sprecher des Vorstands des AIP. „Beide haben sich dem strengen Auswahlverfahren des ERC gestellt und durch ihren Erfolg die wissenschaftliche Exzellenz am AIP bewiesen.“ Die Projekte werden über einen Zeitraum von fünf Jahren mit jeweils etwa 2,5 Millionen Euro gefördert.

Christoph Pfrommer plant mit der erfolgreich eingeworbenen Förderung für das Projekt „Mind the Gap: from Plasma Kinetics to Cosmological Galaxy Formation“ eine Brücke zwischen den Prozessen auf kleinsten Plasmaskalen und den großskaligen Modellen zur Galaxienentstehung zu schlagen. Nach dem derzeitigen Stand der Forschung spielen bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien und Galaxienhaufen sogenannte „Feedback-Prozesse“ eine große Rolle. Beispielsweise explodieren in jungen Galaxien massereiche Sterne als Supernovae, übertragen Energie und Impuls an das umgebende interstellare Medium, beschleunigen Elementarteilchen zu sehr großen Energien, und bilden damit die sogenannte kosmische Strahlung. Die Teilchen der kosmischen Strahlung breiten sich entlang von Magnetfeldern in den Galaxien aus und helfen das interstellare Gas in galaktischen Superwinden aus den Galaxien zu treiben und die damit nachfolgende Sternentstehung zu unterdrücken.

In Galaxienhaufen formen supermassereiche Schwarze Löcher schnelle Ausflüsse in Form von Jets, welche ebenfalls die kosmische Strahlung beschleunigen. Diese strömt ein und heizt das umgebende Plasma des Galaxienhaufens, so dass eine Kühlimplosion, welche große Teile des Galaxienhaufenmediums in Sterne umwandeln würde, verhindert wird. „Eine einzigartige Kombination von Plasma- und kosmologischen Simulationen wird es meiner Arbeitsgruppe nun ermöglichen, den Transport von kosmischer Strahlung und Wärme in Zwerggalaxien, Galaxien wie der Milchstraße und sogar Galaxienhaufen genauestens zu untersuchen“, so Christoph Pfrommer. „Aus den Ergebnissen lassen sich Voraussagen ableiten, die durch Beobachtungen falsifiziert oder validiert werden können.“

Christoph Pfrommer forscht seit 2017 am AIP, leitet die Abteilung „Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik“ und ist Professor an der Universität Potsdam. Sein Physikstudium absolvierte er an der Universität Jena, der Harvard University in den USA und promovierte im Anschluss am Max-Planck-Institut für Astrophysik und der Ludwig-Maximilians-Universität München. Nach einem Forschungsaufenthalt am Canadian Institute for Theoretical Astrophysics in Toronto kehrte er nach Deutschland zurück und forschte am Heidelberger Institut für Theoretische Studien. Nach seiner Habilitation an der Universität Heidelberg wurde er 2016 bereits mit einem ERC Consolidator Grant über 2 Millionen Euro ausgezeichnet. Er nutzte diesen in den vergangenen fünf Jahren und leistete Pionierarbeit, indem er den Zusammenhang von kosmischer Strahlung und Galaxienentstehung herstellte.

Das Forschungsprojekt von Lutz Wisotzki beschäftigt sich ebenfalls mit Galaxien. Das Projekt „Spectro-Mapping of the Circumgalactic Medium Across Cosmic Times“ zielt darauf ab, einen grundlegend neuen Blick auf die Struktur und Dynamik von Gasströmungen in der Umgebung von Galaxien zu entwickeln, einem Bereich, der als zirkumgalaktisches Medium bekannt ist und eine Art Ökosystem der Galaxienentwicklung darstellt. In den letzten Jahren wurde deutlich, dass das Zusammenspiel von einströmender Materie aus dem intergalaktischen Raum und Ausflüssen, angetrieben durch supergalaktische Winde, maßgeblich die Entwicklung der Galaxien beeinflusst. Allerdings ist bisher immer noch sehr wenig über das zirkumgalaktische Medium bekannt, vor allem aufgrund der extrem geringen Gasdichte und der daraus folgenden schwierigen Beobachtbarkeit.

Das Forschungsteam begegnet diesen Schwierigkeiten durch den Einsatz modernster Beobachtungsverfahren, wie Lutz Wisotzki erläutert: „Insbesondere werden hierbei zwei einzigartige Beobachtungsinstrumente, MUSE und HETDEX, die beide unter Beteiligung des AIP entwickelt wurden, eingesetzt, für die wir innovative Methoden zur ‚spektralen Kartierung‘ des zirkumgalaktischen Mediums entworfen haben“. Diese sollen in den kommenden Jahren weiter verfeinert und auf reichhaltige neue Beobachtungsdaten von internationalen Großteleskopen angewendet werden.

Lutz Wisotzki arbeitet seit 2002 am AIP und leitet seither die Abteilung „Galaxien und Quasare“. 2009 wurde er zum Professor an der Universität Potsdam berufen. Er absolvierte sein Physikstudium sowie die Promotion und Habilitation an der Universität Hamburg. Gastaufenthalte führten ihn an die Universität Lyon, zur Europäischen Südsternwarte (ESO), an das Royal Observatory in Edinburgh und zum Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA. Lutz Wisotzki ist auch als Autor eines deutschsprachigen Standardlehrbuchs der Astrophysik bekannt.

Der Europäische Forschungsrat (ERC) ist eine von der EU-Kommission eingerichtete Institution zur Förderung grundlagenorientierter Forschung. Zwei Prinzipien zeichnen das Förderverfahren aus: Exzellenz als das alleinige Förderkriterium und ein unabhängiges und transparentes Auswahlverfahren. ERC Advanced Grants werden an etablierte Spitzenforscherinnen und -forscher vergeben, die wissenschaftlich unabhängig sind und in der jüngeren Vergangenheit hochrangige Forschungserfolge und ein Profil vorweisen können, das sie als führend in ihrem jeweiligen Fachgebiet ausweist. In den Jahren 2008 bis 2019 warben Forschende in der Astrophysik in Deutschland insgesamt 15 ERC Advanced Grants ein. Das nun zwei Wissenschaftler am AIP gleichzeitig Erfolg haben, ist bemerkenswert.

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

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

Der Beitrag Zwei AIP-Wissenschaftler erhalten ERC Advanced Grants erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: HITS.

Sterne sind die elementaren Bausteine ​​des sichtbaren Universums. Für die Astrophysik sind besonders die sogenannten massereichen Sterne interessant, die als kosmische Kraftwerke in spektakulären Supernovae explodieren und einige der exotischsten Formen von Materie hinterlassen: Neutronensterne und Schwarze Löcher. Obwohl mittlerweile sogar Verschmelzungen dieser kompakten Objekte beobachtet werden können, bleiben nach wie vor viele Fragen offen.

Der Astrophysiker Fabian Schneider befasst sich intensiv mit dem turbulenten Leben und Schicksal massereicher Sterne. Seit Januar 2021 ist er Leiter der neuen Forschungsgruppe „Stellar Evolution Theory“ (SET) am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS). Er hatte sich beim Europäischen Forschungsrat erfolgreich um einen ERC Starting Grant beworben und baut mit Mitteln in Höhe von 1,5 Millionen Euro seine eigene Juniorgruppe auf. Am HITS arbeiten nun insgesamt 13 Gruppen, darunter vier mit astronomischen Forschungsthemen.

Von Bonn über Oxford nach Heidelberg
Fabian Schneider studierte Physik an der Universität Bonn und promovierte 2015 am Argelander-Institut für Astronomie. Danach wechselte er als „Hintze Fellow“ an die Universität Oxford, wo er zu massereichen Sternen, deren Magnetfeldern und zu Supernovae forschte. In dieser Zeit begann die Kooperation mit Friedrich Röpke am HITS, die sich mit seinem Wechsel nach Heidelberg 2018 noch intensivierte: Er wurde „Gliese Fellow“ am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg und arbeitete zugleich am HITS als Gastwissenschaftler in der PSO-Gruppe. Zusammen mit Kollegen aus Garching und Oxford veröffentlichte Fabian Schneider im Oktober 2019 eine Studie zur Entstehung von Magnetfeldern bei der Verschmelzung von Sternen im Fachjournal „Nature“. 2020 erhielt er dann einen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats und entschied sich, seine neue Gruppe am HITS anzusiedeln.

Wenn Sternpaare miteinander verschmelzen
Die neue SET-Forschungsgruppe konzentriert sich besonders auf Doppelsterne. Sie bilden die überwiegende Mehrheit aller massereichen Sterne. Während ihres Lebens können die beiden Sterne Teile ihrer jeweiligen Masse austauschen. Dadurch verändert sich auch die Entwicklung des einzelnen Sterns nachhaltig. Aufgrund dieses Austausches kann beispielsweise ein Stern am Ende seines Lebens in einer Supernova explodieren und zum Neutronenstern werden, anstatt in ein Schwarzes Loch zu kollabieren. Etwa ein Viertel der massereichen Sterne verschmelzen sogar komplett miteinander.

Über das HITS
Das Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitgründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als private, gemeinnützige Forschungseinrichtung ins Leben gerufen. Das HITS betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Dabei werden große, komplexe Datenmengen verarbeitet, strukturiert und analysiert und computergestützte Methoden und Software entwickelt. Die Forschungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Die HITS Stiftung, eine Tochter der Klaus Tschira Stiftung, stellt die Grundfinanzierung der HITS gGmbH auf Dauer sicher. Die Mittel dafür erhält sie von der Klaus Tschira Stiftung. Gesellschafter des HITS sind neben der HITS Stiftung die Universität Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das HITS arbeitet außerdem mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten sowie mit industriellen Partnern zusammen. Die wichtigsten externen Mittelgeber sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Europäische Union.

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• Sternentwicklung

Der Beitrag SET: Die Evolution der Sterne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.