Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Nach jahrelanger Forschung ist es nun endlich soweit: Das interdisziplinäre Konsortium QUBE schießt seinen ersten Satelliten in den Orbit. „Das ist wirklich ein Meilenstein“, sagt Harald Weinfurter, Professor für Experimentelle Quantenphysik an der LMU. „Bisher gibt es praktisch keine Satelliten in der Erdumlaufbahn, die weltweite Quantenschlüsselverteilung ermöglichen“. Nur China habe bereits solche Technologie ins All geschickt, allerdings sind die chinesischen Satelliten sehr groß und teuer.

Quantenschlüssel aus dem All
Das BMBF-geförderte Verbundprojekt QUBE (Quantenverschlüsselung mit Cube-Sat) hatte es sich unter Konsortialführung der LMU zum Ziel gesetzt, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Nano-Satelliten zu entwickeln und zu testen. Durch den Einsatz von Quantenzuständen für die Erzeugung von geheimen Schlüsseln kann abhörsichere Kommunikation durch Einsatz der Quantenverschlüsselung ermöglicht werden. Im Gegensatz zu Glasfasernetzwerken, bei denen auf Grund von Leitungsverlusten die Übertragung auf wenige 100 km beschränkt ist, kann durch den Einsatz von Satelliten der Austausch geheimer Schlüssel in Zukunft zwischen mehreren Bodenstationen und Satelliten weltweit durchgeführt werden.

Weltraum-Hightech auf kleinstem Raum
Um dies möglichst effizient zu realisieren, arbeiteten bei QUBE führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen. Es gelang dem Konsortium, die Technologie sowie die erforderlichen kompakten Komponenten zur Erzeugung von Quantenschlüsseln so weiterzuentwickeln, dass sie vollständig auf einen Kleinstsatelliten – einen sogenannten CubeSat – passen. Mit einer Gesamtmasse von 3,53 Kilogramm ist das gesamte Modul nicht größer als eine Schuhschachtel.

Interdisziplinäres Teamwork bei Forschung
Das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik (ZfT) in Würzburg war als Projektpartner für die Entwicklung des dafür nötigen Satelliten zuständig. „Eine besonders hohe technische Herausforderung war die Miniaturisierung der nötigen Satellitenfunktionen, insbesondere der hochgenauen Ausrichtung auf die Bodenstation, damit eine stabile optische Verbindung aufgebaut werden kann. Hier wird eine bisher bei Nano-Satelliten noch nicht erreichte Genauigkeit erzielt“, hebt Professor Klaus Schilling, Vorstand des ZfT hervor. Damit Informationen zwischen Cube-Sat und Bodenstation ausgetauscht werden können, entwickelte das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen leistungsfähige optische Kommunikationssysteme im Miniaturformat.

Die Forschenden von LMU, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen (MPL) und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) liefern die Module, welche die Quantenzustände im Satellit erzeugen und am Boden analysieren sollen. „Unsere miniaturisierten Quantenkommunikationskomponenten wurden so entwickelt, dass sie auch bei den extremen Vibrations-, Temperatur- und Strahlungsbelastungen beim Start und beim Einsatz im All voll funktionstüchtig bleiben“, erklärt Christoph Marquardt, Professor an der FAU.

Abhörsichere Kommunikation weltweit
Nach der Entwicklung von QUBE arbeitet das Team im nächsten Schritt an QUBE II – einem etwa doppelt so großen Satelliten, der dank besserer Optik und Hardware sichere Schlüssel mit Bodenstationen effizient erzeugen und austauschen kann. Die Satellitenfirma OHB stand bisher beratend zur Seite und leitet nun das Folgeprojekt QUBE II. „Quantenschlüsselverteilung ist eine der ersten, wichtigen Anwendungen der Quantentechnologien. Es gibt bereits kommerzielle Geräte für lokale Glasfasernetzwerke“, erklärt Norbert Lemke (OHB). „Die im Rahmen der Vorhaben QUBE und QUBE-II entwickelten Hardwarekomponenten werden kostengünstige, weltweite Quantenschlüsselerzeugung per Kleinstsatellit ermöglichen“. Mit dem Satellitenstart Anfang Juli ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer abhörsicheren, globalen Kommunikation getan.

Raketenstart am 18. Juli 2024 geplant
Nachdem QUBE ein umfangreiches Testprogramm erfolgreich absolviert hat, ist der Satellit mittlerweile bereits am Startplatz in Vandenberg (Kalifornien) angekommen. Dort wird er auf einer Falcon-9-Rakete von SpaceX integriert und dann voraussichtlich am 18. Juli 2024 in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn befördert. Im Satellitenkontrollzentrum des ZfT in Würzburg wird der Raketenstart live für die Forschenden und Gäste übertragen. Direkt anschließend wird dann von dort der Satellit in Betrieb genommen. Während der nächsten Monate werden die einzelnen Komponenten aktiviert und noch einmal getestet, bis dann die ersten Quantensignale mit der Bodenstation am DLR Oberpfaffenhofen während der kurzen Überflüge in der Nacht empfangen und analysiert werden sollen.

Die Launch-Party findet zum geplanten Raketenstart, voraussichtlich am 18. Juli 2024, in der Testhalle des ZfT in Würzburg statt, wo schon intensive Tests des QUBE Lageregelungssystems durchgeführt wurden. Es werden dort auch Modelle des Satelliten und der Quantentechnologie-Nutzlast ausgestellt.

Aktuelle Neuigkeiten werden jeweils auf der Webseite telematik-zentrum.de abrufbar sein. Anbei finden Sie zwei Fotos für Ihre redaktionelle Verwendung. Für weiteres Fotomaterial wenden Sie sich bitte an den unten genannten Ansprechpartner.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Transporter-11 auf Falcon-9

Der Beitrag Globale Quantenverschlüsselung: Nano-Satellit QUBE startet ins All erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Ein Forschungsteam unter Leitung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat nun eine neue, zuverlässige Methode entwickelt, die die Anzahl der Brutpaare sowie der Küken genau vorhersagen kann und damit ein Frühwarnsystem für das Fortschreiten des Klimawandels im Südlichen Ozean darstellt.

Seine Ergebnisse hat das Forschungsteam im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

FAU-Team entwickelt zuverlässige Methode zur Überwachung von Brutpaaren und Küken per Satellit
Die Überwachung der weltweiten Population von Kaiserpinguinen ist eine große Herausforderung, denn sie bewohnen abgelegene Gebiete der Antarktis. In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben Forschende unter anderem Satellitenbilder eingesetzt, um die bedrohte Art zu verfolgen.

Obwohl wertvolle Populationsdaten gewonnen wurden, sind die bisherigen Zählungen jedoch inkonsistent und unzuverlässig, denn Satellitenbilder können nur zwischen Oktober und April aufgenommen werden, da sonst – im Polarwinter – nicht genug Tageslicht vorhanden ist, um die Tiere an ihren Brutstätten zu erfassen.

Außerdem kann die Anzahl der in einer Kolonie anwesenden Pinguine stark variieren, da die erwachsenen Tiere kommen und gehen und mit herkömmlichen Methoden nicht von Küken unterschieden werden können.

Forschende kombinieren Satellitenbilder und Wissen über Pinguinverhalten
Die neue Schätz-Methode kombiniert nun Satellitenbilder mit detailliertem Wissen über das Brutverhalten von Kaiserpinguinen. „Das bedeutet, die saisonalen Ereignisse und Bedingungen zum Zeitpunkt der Aufnahme der Satellitenbilder zu berücksichtigen“, sagt Daniel Zitterbart, einer der leitenden Autoren der Studie und Wissenschaftler an der FAU und der Woods Hole Oceanographic Institution (USA).

„Bei Kaiserpinguinen brüten zum Beispiel nur die Männchen die Eier aus. Die Weibchen sind während des Ausbrütens der Eier – circa 64 Tage – durchgehend im Meer und kommen erst nach dem Schlüpfen der Küken zurück. Außerdem spielt eine Rolle, wie die Pinguine die aktuelle Temperatur wahrnehmen – vergleichbar mit der gefühlten Temperatur beim Menschen, die unter anderem durch Wind oder Sonnenschein beeinflusst wird. Wenn die Tiere sich gegenseitig wärmen, stehen sie dichter und die Kolonie erscheint dadurch kleiner.“

„Kombinieren wir die Informationen aus den Satellitenbildern mit unserem Wissen über das Verhalten der Kaiserpinguine, können wir sehr viel genauer ableiten, wie viele Tiere in einer Kolonie leben“, sagt der Hauptautor der Studie, FAU-Doktorand Alexander Winterl.

„Unsere Schätzungen haben wir mit bestehenden Datensätzen verglichen, die über einen Zeitraum von zehn Jahren in zwei Kaiserpinguinkolonien in der Antarktis gesammelt wurden. Dabei sehen wir, dass herkömmliche Methoden Trends nur über Dekaden hinweg messen können, Schwankungen innerhalb eines Jahres oder innerhalb weniger Jahre aber nicht darstellen können.”

Frühwarnsystem für die Gesundheit des Südlichen Ozeans
„Wir brauchen die genauen Populationsdaten nicht nur, um diese Art zu schützen, sondern auch um die Menschen auf die extremen Veränderungen im Südlichen Ozean und die Auswirkungen des Klimawandels aufmerksam zu machen“, betont Winterl.

„Der rasche Rückgang des Eises auf und um die Antarktis bedroht Lebensgrundlage der Tiere. Frühere Modellstudien legen nahe, dass über 90 Prozent der Kaiserpinguinkolonien bis zum Jahr 2100 ohne erhebliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen verschwinden werden.“

„Kaiserpinguine stehen an der Spitze der Nahrungskette. Sie spiegeln wider, wie die unteren Ebenen des marinen Nahrungsnetzes vom Klimawandel betroffen sind“, erläutert Co-Autor Zitterbart.

„Diese Forschung hat das Potenzial, den Kaiserpinguin von einer schwer zu untersuchenden Art zu einem Frühwarnsystem für die Gesundheit des Ökosystems im Südlichen Ozean zu machen. Mit dieser neuen Methode ist unser nächstes Ziel, jährliche Satellitenbilder zu verwenden, um genaue Populationszählungen und den Bruterfolg an allen 66 bekannten Kaiserpinguinkolonien zu erhalten.“

Publikation
Remote sensing of emperor penguin abundance and breeding success
DOI: 10.1038/s41467-024-48239-8
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48239-8
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-024-48239-8.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Planet Erde

Der Beitrag FAU: Pinguinzählung in der Antarktis via Satellit erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 25. März 2024.

25. März 2024 – Neutronensterne, Supernovaüberreste und schwarze Löcher: Sie alle senden Röntgenstrahlen aus, die Physikerinnen und Physikern dabei helfen, Rückschlüsse auf die Entwicklung des Universums zu ziehen. Bisher haben sie sich dafür auf Objekte in der Milchstraße und ihren nächsten Satellitengalaxien fokussiert, die näher und damit heller sind als andere. Nun haben Forschende des Astronomischen Instituts des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ein neues Ziel: Sie werden weiter entfernte und damit auch leuchtschwächere Quellen in ihre Analysen miteinbeziehen. So möchten sie herausfinden, wie einzelne Galaxien entstanden sind und wie sie sich weiterentwickeln werden. In dieser zweiten Förderperiode wird die Forschungsgruppe nun von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über drei Jahre erneut gefördert.

Schon seit 2021 untersucht die Forschungsgruppe „eROSITA-Studien zu Endstadien der Sterne“ (eRO-STEP) astrophysikalische Quellen im All, die Röntgenstrahlung aussenden. Dazu gehören beispielsweise kompakte Objekte, das heißt weiße Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher, oder Gas zwischen den Sternen, das entsteht, wenn Sterne sterben. „Dieses Gas kann unterschiedliche Phasen haben, zum Beispiel kalte und heiße Phasen. Die heißen Phasen sind dabei so heiß, dass sie nicht optisch strahlen, sondern Röntgenstrahlung aussenden“, erklärt Prof. Dr. Manami Sasaki, Sprecherin der Forschungsgruppe an der FAU. Mithilfe des Röntgenteleskops „eROSITA“ hat die FAU als eines der Kerninstitute des deutschen eROSITA-Konsortiums von 2019 bis 2022 den gesamten Himmel nach solchen Quellen durchforstet und festgehalten, an welchen Stellen Röntgenstrahlung auftritt. „Wenn wir Röntgenstrahlung im All durch das Teleskop beobachten, können wir die Strahlung bei höheren Energien untersuchen“, sagt Prof. Sasaki. „Daraus können wir Rückschlüsse ziehen, wie sich einzelne Objekte verhalten haben und es in Zukunft werden.“

In den vergangenen Jahren haben sich Prof. Sasaki und ihr Team auf nähere und damit hellere Quellen und Quellpopulationen in der Milchstraße und den Magellanschen Wolken fokussiert, das sind die größten Satellitengalaxien der Milchstraße. Dabei haben sie beispielsweise bis dahin unbekannte Supernovaüberreste entdeckt – ein Hinweis dafür, dass Sterne aus den Magellanschen Wolken herausgeschleudert oder zwischen ihr und der Milchstraße herausgerissen wurden. Neben neuen Daten haben die Forschenden eROSITA auf technische Unsicherheiten untersucht und neue Analyseroutinen entwickelt. In der neuen Förderperiode werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiter entfernte und damit leuchtschwächere Quellen untersuchen und eine Studie der gesamten Milchstraße anfertigen. Das Ziel: Herausfinden, wie einzelne Galaxien wie die Milchstraße und die Magellanschen Wolken entstanden sind und wie sie sich in Zukunft entwickeln könnten. Langfristig will die Forschungsgruppe ein tieferes Verständnis der kompakten Objekte, den großen interstellaren Strukturen, der interstellaren Stoßwellen und der Teilchenbeschleunigung gewinnen.

An der Forschungsgruppe 2990 eRO-STEP sind neben der FAU die Eberhard-Karls-Universität Tübingen, die Universität Hamburg, das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam und das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik beteiligt.

Zur Forschungsgruppe:
https://www.ero-step.de/

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag FAU-Forschende röntgen das Weltall erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 22. März 2024.

22. März 2024 – Obwohl die beiden riesigen Eisfelder in den Anden Südamerikas mit rund 16.000 Quadratkilometern eine Fläche von der Größe Thüringens bedecken, ist über diese Patagonische Eiskappe recht wenig bekannt. Das versucht ein Team um Dr. Johannes Fürst vom Geographischen Institut der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gerade zu ändern. Mit den vorhandenen, eher spärlichen Daten und neuesten Methoden hat die Gruppe das Volumen der beiden Eisfelder auf 5351 Kubikkilometer im Jahr 2000 neu eingeschätzt. In diesen beiden Eiskappen steckt demnach vierzigmal mehr Eis als in allen Gletschern der europäischen Alpen zusammen. Ihre Erkenntnisse haben die Forscher im Fachmagazin Communications Earth & Environment veröffentlicht.

Die Patagonischen Eisfelder stellen die Gletscher Europas also weit in den Schatten. Das zeigen bereits ihre riesigen Ausdehnungen: Schon das Nördliche Patagonische Eisfeld ist ungefähr 120 Kilometer lang und an manchen Stellen 50 bis 70 Kilometer breit. Das Südliche Patagonische Eisfeld hat mehr als die dreifache Fläche und erstreckt sich bei einer durchschnittlichen Breite von 30 bis 40 Kilometern rund 350 Kilometer von Nord nach Süd. Im Durchschnitt sind die Eismassen dort mehr als 250 Meter dick und damit rund fünfmal mächtiger als die Gletscher der europäischen Alpen.

Dazu kommt ein außergewöhnliches und zum Teil extremes Klima. Ähnlich wie in Mitteleuropa wehen die Winde auch in diesen Regionen Südamerikas oft von West nach Ost und tragen so feuchte Luft von den Ozeanen ins Land hinein. Der entscheidende Unterschied liegt in den Anden, die sich in Südamerika von Norden nach Süden erstrecken und so mit Höhen von oft weniger als 3000 Metern im Süden und teilweise 6000 Metern in den subtropischen und tropischen Regionen die feuchten, vom Pazifik hereinströmenden Luftmassen zum Aufsteigen zwingen. Dabei kühlen sie ab, können weniger Feuchtigkeit halten, und es beginnt je nach Höhenlage und Jahreszeit zu regnen oder zu schneien.

In den Regionen zwischen der Pazifikküste und den Anden fallen daher jährlich oft mehr als 3000 Millimeter Niederschlag. Jeder Quadratmeter Boden bekommt daher im Jahr 3000 Liter Regen, Schnee und Hagel ab. Im Vergleich erhalten Städte wie Nürnberg mit etwa 550 und München mit rund 930 Litern recht wenig Niederschlag. Westlich der Anden im Süden Chiles wächst daher in einem meist kühlen Klima ein dichter Regenwald, in dem nur sehr wenige Menschen leben. In den Hochlagen der Berge regnen sich die Wolken dann ab, und die Winde bringen dann in die Gebiete östlich der Anden relativ trockene Luft. Dort erstreckt sich daher über viele hundert Kilometer eine karge Steppenlandschaft, die ebenfalls nur dünn besiedelt ist.

Die beiden Patagonischen Eisfelder liegen also in einer recht abgelegenen Weltregion, in der deutlich weniger Klima- und Geodaten gemessen werden als zum Beispiel in Mitteleuropa. Obendrein streiten Argentinien und Chile seit langem über den Verlauf der Grenze, und ausgerechnet im Bereich der Südlichen Patagonischen Eiskappe haben sie diesen Konflikt auf Eis gelegt und damit große Teile der Gletscherflächen praktisch zu einem nur sehr schwer zugänglichen Niemandsland erklärt. Was geographische Messungen dort fast unmöglich macht.

Dazu kommt noch ein weiteres Problem: Die Niederschläge nehmen mit jedem Meter zu, den die Luftmassen an der Westflanke der Anden in die Höhe steigen. In den Gipfellagen und auf den beiden Patagonischen Eisfeldern schneit es daher sehr große Mengen. „Wir wissen allerdings nicht, wieviel Niederschlag dort tatsächlich fällt“, erklärt FAU-Forscher Johannes Fürst. Dort oben kommen nämlich so große Mengen, dass eine Wetterstation kaum dauerhaft betrieben werden könnte, weil in dieser abgelegenen Weltregion Störungen zumindest nicht rasch behoben werden können. Und weil die riesigen Schneemassen dort immer wieder Teile oder gar die gesamte Mess-Station zerstören könnten.

Ob dort also 10.000 oder vielleicht sogar 30.000 Liter Niederschlag im Jahr auf jeden Quadratmeter fallen, ist weitgehend unbekannt. „Spekulationen über den maximalen Schneefall reichen von weit über 30 Metern bis hin zu 100 Metern pro Jahr“, sagt Johannes Fürst. „Das sind unvorstellbare Mengen.“ Weil sich dort oben aus diesen Schneemassen mit der Zeit das Eis der Gletscher bildet, wären solche Zahlen wichtig, um die Vorgänge besser zu verstehen. Sicher ist jedenfalls eines: Die riesigen Niederschlagsmengen versorgen die Eiskappe laufend mit sehr viel Nachschub, der bald wieder talwärts fließt.

Das wiederum lässt die Gletscher, die aus den Patagonischen Eiskappen kommen, sehr rasch strömen. Während sich das Eis in den europäischen Alpen nur selten hundert Meter im Jahr nach unten schiebt, überschreiten die meisten Gletscher der Patagonischen Eisfelder dieses Tempo. Etliche von ihnen fließen sogar mit mehr als einem Kilometer im Jahr talwärts, einige erreichen sogar ein Tempo von mehreren Kilometern im Jahr. So hohe Geschwindigkeiten sind sonst nur von den Gletschern bekannt, die aus den mit Abstand größten Eiskappen der Erde über Grönland und über der Antarktis strömen.

Obendrein verlieren die Gletscher der Patagonischen Eisfelder nach Studien von Matthias Braun vom Institut für Geographie der FAU im Klimawandel jedes Jahr auch noch durchschnittlich einen Meter Eisdicke. Auch das ist ein rekordverdächtiger Wert und ein guter Grund dafür, die Patagonischen Eiskappen möglichst gut im Auge zu behalten und mit den Methoden der modernen Wissenschaft zu vermessen. Genau das hat Johannes Fürst jetzt in enger Zusammenarbeit vor allem auch mit chilenischen Forschungsorganisationen getan. Dabei hat die Gruppe die vorhandenen, oft nur spärlichen Messungen vor Ort mit den deutlich gröberen Satelliten-Daten verglichen. Damit wiederum lassen sich die Ergebnisse aus dem Weltraum kalibrieren und so auch die Eisdicken in abgelegenen Regionen ohne Vor-Ort-Daten besser abschätzen.

So gewinnt man auch Daten vom Boden unter dem Eis. Damit aber kann man viel besser einschätzen, wie schnell ein Gletscher in Zukunft schwinden dürfte. So kann sich unter dem Eis zum Beispiel eine Mulde im Gelände verbergen. Zieht der Gletscher sich zurück, kann sein Schmelzwasser diese Vertiefung zu einem See auffüllen. Endet dort die Eisfront, kann das relativ warme Wasser den Gletscher von unten angreifen. Dadurch kann oben mehr Eis abbrechen und so den Rückgang des Gletschers weiter beschleunigen.

Der FAU-Glaziologe und sein Team haben daher gute Gründe, die Patagonische Eiskappe auch vor Ort zu vermessen. Dabei fliegen sie mit einem Helikopter über den Gletscher und messen mit Radar-Strahlen die Tiefe des Eises bis auf wenige Meter genau. Und verbessern so die Daten dieses sehr dynamischen Eises kräftig. Solche Daten aber sind für die Klimaforschung sehr wichtig, weil die Patagonischen Eisfelder mit steigenden Temperaturen sehr rasch Eis verlieren. Da mit jedem Meter Fahrt mit einem Benzin- oder Diesel-Auto langfristig ein Zuckerwürfel Gletschereis schmilzt, will Johannes Fürst diese Eisfelder gut im Auge behalten, um gefährliche Entwicklungen besser als bisher einschätzen zu können.

Publikation:
https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-023-01193-7.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Klimawandel

Der Beitrag FAU: Die Vermessung der Eiswelt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bayreuth 14. September 2023.

14. September 2023 – In der Energietechnik und Raumfahrttechnik ist die Schmierung beweglicher Maschinenelemente eine besondere Herausforderung. Die üblichen Fette oder Öle haben hier den Nachteil, dass sie im Vakuum und bei hohen Temperaturen verdampfen, während sie bei sehr tiefen Temperaturen ihre Schmierwirkung einbüßen. Daher werden oftmals feste Schmierstoffe benötigt. Ein neues Projekt der Universität Bayreuth will auf diesem bisher wenig erforschten Gebiet einen grundlegenden Beitrag zur Optimierung leisten. Der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD kooperiert dabei mit dem Institut für Werkstofftechnik an der Universität Kassel und dem Computer-Chemie-Centrum an der FAU Erlangen-Nürnberg.

Das von Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel koordinierte Vorhaben ist mit dem Schwerpunktprogramm SPP 2074 „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) assoziiert. Es wird in den nächsten drei Jahren an den drei Standorten mit insgesamt rund 780.000 Euro gefördert. Auf die Universität Bayreuth entfallen dabei rund 343.000 Euro. In dem neuen Projekt geht es speziell um Wälzlager: Dies sind Lager, die einen Innen- und einen Außenring enthalten und beispielsweise der Stabilisierung von Achsen und Antriebswellen dienen. Rollende Körper zwischen den Ringen verringern dabei den Reibungswiderstand. Gewöhnlich werden zur Schmierung von Lagern Öle oder Fette verwendet, aber diese Art der Schmierung ist bei Wälzlagern unter extremen Bedingungen oftmals unvorteilhaft oder gar nicht möglich. Solche extremen Bedingungen herrschen insbesondere im Vakuum – beispielsweise in Anwendungen der Energietechnik oder Raumfahrttechnik. Unter diesen Bedingungen verdampfen flüssige Schmierstoffe, so dass die Schmierung versagt. Benötigt werden daher „trockene“ Schmiersysteme, die mit festen Stoffen arbeiten.

Das neue Projekt in Bayreuth, Erlangen und Kassel wird sich mit Molybdändisulfid (MoS₂) befassen, einem für Wälzlager unter extremen Bedingungen noch wenig erforschten festen Schmierstoff. „Im Vergleich zu anderen festen Schmierstoffen, die im Rahmen des SPP 2074 untersucht werden, zeichnet sich Molybdändisulfid dadurch aus, dass es nicht nur bei hohen Temperaturen bis zu mehreren hundert Grad Celsius seine Schmierwirkung behält, sondern insbesondere im Vakuum hervorragend funktioniert. Die Herstellung wie auch die Beschichtung von Oberflächen ist im industriellen Maßstab kostengünstig. In unserem Projekt wollen wir grundlegend neue Erkenntnisse zur optimalen Verwendung von Molybdändisulfid als Schmierstoff gewinnen. Auf dieser Basis wird es beispielsweise möglich sein, die Zuverlässigkeit von Kraftwerken oder Raumfahrzeugen zu erhöhen“, sagt Tremmel.

Im Fokus der geplanten Forschungsarbeiten steht die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, die Gebrauchsdauer von MoS₂-geschmierten Wälzlagern mit einer bisher unerreichten Präzision vorherzusagen. Mit diesem Ziel werden Reibungs- und Verschleißvorgänge in verschiedenen Größenordnungen – von der Nano- über die Mikro- bis zur Makroskala – analysiert, wobei Experimente und Computersimulationen einander ergänzen. Diese skalenübergreifenden Materialanalysen werden ermöglicht durch den interdisziplinären Verbund der an den drei Projektstandorten angesiedelten Kompetenzen aus den Bereichen Maschinenbau, Materialwissenschaft und Theoretischer Chemie. Moderne Verfahren der Beschichtungstechnik, der Materialcharakterisierung und der Materialsimulation kommen dabei zum Einsatz. Das Projekt wird zu grundlegend neuen Einsichten in veränderte Materialstrukturen führen, die durch Reibung und Verschleiß verursacht werden. Daraus wiederum werden sich wichtige Hinweise für die Optimierung von Festschmierstoffschichten ableiten lassen, die extremen Bedingungen standhalten.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Material / Werkstoff

Der Beitrag Damit in Kraftwerken und Raumfähren alles wie geschmiert läuft erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 10. August 2023.

10. August 2023 – Eine eigene Forschung durchzuführen und dabei sogar etwas Neues zu entdecken, ein fantastisches Gefühl – vor allem, wenn es bereits im Studium passiert. Anna Merkel vom GeoZentrum Nordbayern hat das selbst erlebt. Sie fand Hinweise auf eine Eiszeit in Europa in der frühen Jura-Zeit. Mit Rebecca Luber hat sie über ihre Forschung und ihr Studium an der FAU gesprochen.

Überraschende Funde in Franken
Im Zuge ihrer Masterarbeit führte Anna Merkel, die an der FAU den Master Geowissenschaften studiert hat, eine Grabung in einer Tongrube zwischen Bamberg und Forchheim durch. Sie wollte dort das Toarcian Oceanic Anoxic Event (TOAE) untersuchen, ein klimatisches Event, das eine ähnliche klimatische Entwicklung beschreibt, wie wir sie aktuell durchleben – und damit für die Forschung zum Klimawandel hochrelevant ist.

Im Zuge der Untersuchungen stieß Merkel auf Karbonatknollen, in denen sie kleine Kristalle fand. Diese Glendonite entstehen nur im Zuge einer erheblichen Temperatur-Abkühlung – genauer genommen: eine eiszeitliche Abkühlung. Diese Funde überraschten nicht nur Anna Merkel, denn: Dies widerspricht einigen Theorien, die von einem grundsätzlich warmen Klima in der frühen Jura-Zeit ausgehen, bevor es zum TOAE kam.

Wie sind die Funde also zu erklären? „Eine mögliche Ursache könnten hier kühle Wasserströmungen sein, die zu einer Wasserschichtung und somit zu einer rapiden Abkühlung am Meeresboden und zur Bildung der Glendonite geführt haben“, erklärt Anna Merkel. Ihre Entdeckung ist so bahnbrechend, dass Merkel eingeladen wird, ihre Ergebnisse auf den verschiedensten Fachkonferenzen vorzustellen. Die Ergebnisse zeigen eine neue Ausgangssituation für das TOAE. Nämlich, dass dieses Event nicht aus einer einigermaßen warmen Temperatur entstanden ist, sondern unmittelbar auf eine Eiszeit folgt. „Das macht das TOAE nochmal extremer“, sagt Merkel. Dass sie mit ihrer Masterarbeit so eine Resonanz erzielt, hätte sie im Traum nicht gedacht. „Es ist ein unglaublich tolles Gefühl, zu sehen, was die eigene Forschungsarbeit bewirken kann. Da merkt man, warum man Wissenschaft macht.“

Vom Bachelor zum Forschungsprojekt
Aber wie kommt man eigentlich so weit, um so großartige Forschungsprojekte durchführen zu können? Anna Merkel hat ihren Bachelor in Geowissenschaften in Niedersachsen gemacht und hat sich dann entschieden ihren Master hier in Erlangen zu machen. „Für die FAU habe ich mich wegen des guten internationalen Rufs entschieden – und die Entscheidung seither nicht bereut.“

Was ihr am besten an ihrem Studium gefallen hat, ist die Tatsache, dass die Studierenden die Möglichkeit haben, selbst zu forschen: „So kann man die Theorie und Praxis verbinden und das Gelernte direkt anwenden. Dabei herrscht an den Lehrstühlen und innerhalb des Studiengangs eine unterstützende Atmosphäre“, erzählt sie. Außerdem hat ihr die Geländeausbildung, die Teil des Studiums ist, sehr gut gefallen. Hier reist man auch schon früh durch die Welt, zum Beispiel nach Polen oder Schweden. Das macht nicht nur sehr viel Spaß, sondern gibt den Studentinnen und Studenten auch die Möglichkeit viele Erfahrungen zu sammeln und ihr Wissen für verschiedenen Gesteinstypen auszubauen.

Bis wohin reicht die Eiszeit?
In ihrer Dissertation möchte Anna Merkel nun ihre Forschung weiterführen. Sie will durch weitere Grabungen in Europa feststellen, bis wohin die Glendonite reichen, um so herauszufinden, wie weit sich die Abkühlung ausgebreitet hatte und was die Ursache dafür sein könnte. Durch die Feststellung, an welcher Stelle keine Glendonite mehr zu finden sind, lässt sich auch feststellen, wie die Meeresströmungen damals geflossen sind.

Bayern in der Jurazeit: Geologin macht besondere Entdeckung
Anna Merkel hat im Zuge eines Audiobeitrags des Bayrischen Rundfunks vom 4. August 2023 ebenfalls über ihre bahnbrechende Entdeckung gesprochen. Zu hören ist Anna Merkel ca. ab Minute 0:15:
https://www.br.de/nachrichten/bayern/bayern-in-der-jurazeit-geologin-macht-besondere-entdeckung,TltMSkK,
mp4: https://cdn-storage.br.de/MUJIuUOVBwQIbtChb6OHu7ODifWH_-46/_-dS/_2FH52N65K1S/858adc56-2039-4519-8a71-8ee886323079_1.mp4.

Forschungsarbeit
Glendonite-bearing concretions from the upper Pliensbachian (Lower Jurassic) of South Germany: indicators for a massive cooling in the European epicontinental sea,
https://link.springer.com/article/10.1007/s10347-023-00667-6,
pdf: https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10347-023-00667-6.pdf.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Planet Erde

Der Beitrag Geowissenschaftlerin macht herausragende Entdeckung in Franken erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Angepasste Trainingsprogramme in Verbindung mit medikamentöser Unterstützung könnten Astronautinnen und Astronauten auf künftigen Missionen besser schützen. Ihre Erkenntnisse, die auch für die Behandlung rheumatologischer Erkrankungen im klinischen Alltag genutzt werden sollen, haben die Forschenden im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Fliegt der Mensch eines Tages zum Mars? Eine solche Mission wird seit Jahrzehnten diskutiert – und sie ist nicht nur abhängig von den technischen Voraussetzungen. „Wenn Menschen drei Jahre ununterbrochen im Weltall unterwegs sind, müssen wir auch die gesundheitlichen Belastungen im Blick haben“, sagt Dr. Anna-Maria Liphardt. „Das gilt bereits für heutige Flüge, bei denen Astronautinnen und Astronauten meist nicht länger als sechs Monate der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind.“

Nach Flug: Knochen bis zu zehn Jahre gealtert
Liphardt ist Sportwissenschaftlerin, hat am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und an der Deutschen Sporthochschule Köln promoviert und erforscht am Universitätsklinikum Erlangen die Auswirkungen rheumatisch-entzündlicher Erkrankungen auf unser Skelett. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Deutschland, Kanada und den USA hat sie in einer Langzeitstudie untersucht, wie sich die Knochenstruktur im Weltall verändert und wie sie sich auf der Erde wieder erholt. 14 Männer und drei Frauen wurden vor ihrem Start ins Weltall sowie sechs und zwölf Monate nach ihrer Rückkehr gecheckt: die Knochendichte und Stärke von Tibea und Radius, also des Schienbeins und der Speiche, wurden ebenso bestimmt wie die trabekuläre Mikrostruktur im Knocheninneren. Anhand von Biomarkern in Blut und Urin wurde außerdem der Knochenumsatz gemessen.

Die Ergebnisse sind besorgniserregend: Selbst zwölf Monate nach dem Flug hatten sich neun von 17 Astronauten nicht vollständig erholt und zeigten eine um bis zu zwei Prozent reduzierte Knochenstärke und -mineraldichte. „Das klingt nicht spektakulär, aber es entspricht einem altersbedingten Knochenverlust von mindestens einem Jahrzehnt“, erklärt Anna-Maria Liphardt. „Die Konsequenz ist, dass die Betroffenen mit deutlich früher beginnender Osteoporose und Anfälligkeit für Brüche rechnen müssen.“ Im Unterschied zur Alterung auf der Erde ist bei den Astronautinnen und Astronauten weniger die Knochenhülle, sondern vielmehr die innere Knochenstruktur betroffen. Einige der untersuchten Probandinnen und Probanden wiesen bereits irreparable Schädigungen der stäbchenförmigen Trabekel auf. Liphardt: „Wir konnten zeigen, dass die Regeneration umso schwieriger ist, je länger die Astronautinnen und Astronauten im Weltall waren.“

Training und Medikation müssen angepasst werden
Größere Regenerationsprobleme hatten auch jene Personen, bei denen vor dem Flug ein höherer Knochenumsatz festgestellt wurde. „Knochenumsatz bedeutet, dass Zellen abgebaut und wieder neu gebildet werden“, erklärt Liphardt. „Menschen mit höherer körperlicher Aktivität haben einen höheren Knochenumsatz – die Schwierigkeit besteht darin, diese Aktivität während der Weltraummission aufrecht zu erhalten.“ Zwar gebe es auf der ISS verschiedene Angebote für sportliche Betätigung, vom Laufband über das Fahrradergometer bis hin zu Kraftübungen wie dem Kreuzheben. Entscheidend sei jedoch, das Trainingsprogramm während des Fluges besser an die individuellen Bedürfnisse anzupassen. Liphardt: „Es ist eine besondere Herausforderung, neue Geräte zu entwickeln, die in der Schwerelosigkeit funktionieren und wenig Platz beanspruchen.“

Profitieren könnten Astronautinnen und Astronauten auch von Medikamenten, wenn sie zusätzlich zur Bewegung während des Fluges eingenommen werden. Dazu zählen beispielsweise Bisphosphonate, die bereits erfolgreich zur Behandlung und Vorbeugung von Osteoporose zum Einsatz kommen, weil sie den Knochenabbau hemmen. „Bisphosphonate werden von der NASA bereits eingesetzt, allerdings weiß man noch zu wenig darüber, wie sie in der Mikrogravitation genau wirken“, erklärt Liphardt. „Wir empfehlen, die Kombination aus medikamentöser Therapie und körperlichem Training weiter systematisch zu untersuchen.“

Erkenntnisse für medizinischen Alltag
Mit ihrer Studie liefern die Forschenden nicht nur Erkenntnisse für künftige Weltraummissionen. Muskel- und Knochenschwund infolge von Bewegungsmangel sind auch ein zentrales Problem bei chronischen Erkrankungen auf der Erde. „In der Rheumatologie ist nicht immer klar, welche Schäden durch die Entzündung und welche durch Immobilität verursacht werden“, sagt Liphardt. „Unsere Studie könnte deshalb auch den Grundstein für neue oder angepasste Therapien legen.“

Hilfreich wird dabei auch die neue Generation hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographen (HR-pQCT) sein, die bei der Astronautenstudie zum Einsatz kam. Die Geräte sind in der Lage, die innere Knochenstruktur in hoher Auflösung direkt abzubilden. „Bei älteren Geräten wurde ein Algorithmus verwendet, um einzelne Parameter der Mikrostruktur aus dem erzeugten Bildmaterial zu berechnen“, erklärt Liphardt. „Dabei kam es zu ungenauen Ergebnissen, vor allem bei trabekulären Knochenveränderungen.“ Seit einigen Monaten verfügt nun auch die Medizinische Klinik 3 des Universitätsklinikum Erlangen über ein solches HR-pQCT-Gerät der neuesten Generation – profitieren werden davon jedoch keine Astronauten, sondern Patientinnen und Patienten mit Erkrankungen des Muskel- und Skelettsystems.

Publikation
Leigh Gabel, Anna-Maria Liphardt, Paul A. Hulme, Martina Heer, Sara R. Zwart, Jean D. Sibonga, Scott M. Smith & Steven K. Boyd: Incomplete recovery of bone strength and trabecular microarchitecture at the distal tibia 1 year after return from long duration spaceflight.
https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1.pdf

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

Der Beitrag Forscherin der FAU untersucht Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Skelett erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Lauter kleine Punkte, ein Muster ist nicht zu erkennen: Was für Laien lediglich weißgraue Fotos mit versprengten Krümeln sind, lässt Astronomenherzen höherschlagen. Die Rede ist von historischen Fotoplatten, die den Sternenhimmel als Negativ zeigen. Zusammen mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam sowie den Universitäten Hamburg und Tartu (Estland) haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) die astronomischen Aufnahmen digitalisiert und online veröffentlicht – nach zehn Jahren wurde das Projekt dank der finanziellen Unterstützung durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) nun erfolgreich abgeschlossen. Eine Pressemitteilung der FAU.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 4. Juli 2022.

4. Juli 2022 – Auch wenn die ältesten Aufnahmen „nur“ 129 Jahre alt sind – im Vergleich zu Maßstäben, die ansonsten in der Astronomie gelten, wahrlich ein winziger Augenblick –, sind sie von historischem Wert und bergen sie wissenschaftliche Schätze. Denn nur mit solchen Aufnahmen können heutige Astronominnen und Astronomen gleich über mehrere Jahrzehnte hinweg untersuchen, wie sich Sterne bewegen oder wie sich ihre Helligkeit verändert. So lassen sich neue Forschungsfragen beantworten und Abermillionen Sterne genauer und objektiver in Augenschein nehmen.

In mehreren Schritten hat das Forschungsteam seit 2012 in der Datenbank APPLAUSE – kurz für Archives of Photographic Plates for Astronomical USE – die Aufnahmen aus den Archiven der Partnerinstitute aus den Jahren 1893 bis 1998 digitalisiert und in einem Katalog mit Details zur Aufnahme wie Datum, Himmelsabschnitt und Aufnahmeort erfasst. Darüber hinaus entwickelte der Forschungsverbund eine Software, die künstliche Intelligenz nutzt, um Fehler auf den Platten wie Kratzer oder Staub zu beseitigen und die Aufnahmen zu kalibrieren und damit erst wissenschaftlich vergleichbar zu machen. Weltweit stehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern nunmehr 4,5 Milliarden Messungen von Himmels-Lichtquellen für ihre Forschung zur Verfügung.

Insgesamt über 94.000 Fotoplatten digitalisiert
Einen bedeutenden Anteil der insgesamt 94.090 erfassten Fotoplatten sind die rund 40.000 Aufnahmen der Dr. Karl-Remeis-Sternwarte Bamberg – Astronomisches Institut der FAU. Denn darunter finden sich Fotografien, die fränkische Forscherinnen und Forscher zwischen 1963 und 1976 an Observatorien auf der Südhalbkugel aufgenommen haben. Diese zeigen den Südhimmel – weltweit eine Besonderheit, da in dieser Zeit kein einziges weiteres astronomisches Projekt diesen Teil des Firmaments dokumentierte. Neu hinzugekommen sind seit der letzten Veröffentlichung vor vier Jahren nun noch die Fotoplatten, die zwischen 1912 und 1968 in Bamberg entstanden sind und den Nordhimmel zeigen. Diese 17.600 Aufnahmen stellen die wichtigste Ergänzung im jetzt finalen Daten-Update dar.

Doch das ist nicht alles: Dank einer wissenschaftlichen Konferenz in Bamberg wurden weitere Sternwarten auf das Projekt aufmerksam. Wie zum Beispiel die Thüringer Landessternwarte Tautenburg. Sie stellte dem Forschungsverbund das Archiv des Karl-Schwarzschild-Observatoriums – die ehemalige Sternwarte der Akademie der Wissenschaften der DDR – aus den Jahren 1960 bis 1998 zur Verfügung. Oder das astronomische Observatorium des Vatikanstaats in Castel Gandolfo, deren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich ebenfalls meldeten, um ihr Archiv in die Datenbank einpflegen zu lassen und so der weltweiten Forschungsgemeinde zu öffnen.

Neue Erkenntnisse dank langfristiger Aufnahmen
Doch welche Erkenntnisse lassen sich aus den historischen Fotoplatten heute noch gewinnen? Die Bamberger Sternwarte hatte mit ihren Durchmusterungen des Nord- und Südhimmels im vergangenen Jahrhundert zum Ziel, Sterne zu untersuchen, deren Helligkeit schwankt. Bei manchen Objekten ist ihre physikalische Beschaffenheit nicht bekannt, also aus welchen Gasen sie genau bestehen. So ist der Stern „HD49798“ ein besonders interessantes Beispiel. Seine unstetigen Lichtschwankungen wurden in den 1960er- und frühen 1970er-Jahren auf den Bamberger Fotoplatten registriert, konnten aber erst im vergangenen Jahr ausgewertet werden. Sie zeigen nämlich, dass der Stern in den Jahren 1964/65 immer heller leuchtete, um danach bis 1974 wieder schwächer zu leuchten. Hinzu kamen schnelle Lichtveränderungen innerhalb weniger Tage. Im Jahr 1999 wurde durch Satellitenmessungen schließlich entdeckt, dass von dem Stern Röntgenstrahlung ausgeht. Heute ist die Annahme, dass sie von einem unsichtbaren, sehr kompakten Begleiter, möglicherweise einem Neutronenstern, herrührt. Die langfristigen Helligkeitsvariationen waren bisher nicht bekannt, weil keine Messungen über einen so langen Zeitraum – zehn Jahre – existierten. Die historischen Daten der Fotoplatten liefern also bedeutende Hinweise für die Astronomie, die in den kommenden Jahren von Forscherinnen und Forschern noch auszuwerten sind. Das Sternenduo ist übrigens weiterhin einzigartig, denn bislang wurde keine andere Konstellation dieser Art im Weltall entdeckt.

Zugang zu den publizierten Daten von APPLAUSE: https://www.plate-archive.org/cms/

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Geschichte der Astronomie/ Historisches

Der Beitrag FAU: Bereit für die Forschung im virtuellen Observatorium erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: FAU 11. Mai 2022.

11. Mai 2022 – „Dabei kam uns auch der Zufall zu Hilfe“, erklärt Ole König vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg, der gemeinsam mit dem FAU-Astrophysiker Prof. Dr. Jörn Wilms und dem Forschungsteam bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, der Eberhard Karls Universität Tübingen, der Universitat Politécnica de Catalunya in Barcelona und dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam in der renommierten Fachzeitschrift Nature über die Beobachtung berichtet. „Solche Röntgenblitze lassen sich kaum vorhersagen, dauern nur wenige Stunden und das Beobachtungsinstrument muss in dieser Zeit auf den Ausbruch zielen“, schildert der Astrophysiker die Zusammenhänge.

Bei diesem Instrument handelt es sich um das eROSITA-Röntgen-Teleskop, das eineinhalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt seit 2019 den Himmel nach weichen Röntgenstrahlen durchmustert. Dabei wurde am 7. Juli 2020 starke Röntgenstrahlung in einem Bereich des Himmels gemessen, der vier Stunden vorher noch völlig unauffällig gewesen war. Als das Röntgen-Teleskop vier Stunden später die gleiche Stelle am Himmel erneut musterte, war diese Strahlung wieder verschwunden. Weniger als acht Stunden hatte der Röntgenblitz also gedauert, der vorher das Zentrum des Detektors völlig überbelichtet hatte.

Solche Röntgen-Ausbrüche hatten theoretische Überlegungen bereits vor mehr als 30 Jahren vorgesagt. Sie waren bisher aber noch nie direkt beobachtet worden. Diese Feuerbälle aus Röntgenstrahlen entstehen auf der Oberfläche von Sternen, die eine ähnliche Größe wie unsere Sonne hatten, bevor sie ihre Brennstoffvorräte aus Wasserstoff und später aus Helium tief in ihrem Inneren weitgehend verbraucht hatten. Diese alten Sterne schrumpfen sehr stark zusammen, bis ein „Weißer Zwerg“ übrigbleibt, der ähnlich groß wie die Erde ist, aber eine Masse enthält, die ähnlich groß wie unsere Sonne sein kann. „Diese Verhältnisse kann man sich an einem Beispiel gut vorstellen“, erklärt Jörn Wilms: „Stellt man sich die Sonne in der Größe eines Apfels vor, hätte die Erde die Dimension eines Stecknadelkopfes, der in zehn Metern Entfernung um den Apfel kreist.“

Sterne in Form eines Edelsteins
Verkleinert man wiederum einen Apfel auf die Größe eines Stecknadelkopfes, behält dieses winzige Teilchen das vergleichsweise riesige Gewicht des Apfels. „Ein Teelöffel Materie aus dem Inneren eines Weißen Zwergs hat daher leicht die Masse eines Lastkraftwagens“, erklärt Jörn Wilms weiter. Weil diese ausgebrannten Sterne hauptsächlich aus Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen, ähneln sie einem ebenfalls aus Kohlenstoff bestehenden riesigen Diamanten, der die Größe der Erde hat und im Weltraum schwebt. Diese Objekte in Form eines Edelsteins sind zwar immer noch heiß und leuchten daher weiß. Nur ist diese Strahlung schwach und lässt sich daher von der Erde aus gesehen kaum entdecken.

Es sei denn, der alte Stern wird von einem Stern begleitet, in dem das Sonnenfeuer noch brennt und von dem dann Material auf ihn übergehen kann. „Dieser Wasserstoff kann sich mit der Zeit zu einer nur wenige Meter dicken Schicht auf der Oberfläche der Sternenleiche sammeln“, erklärt FAU-Astrophysiker Jörn Wilms. In dieser Schicht aber erzeugt die riesige Schwerkraft einen gigantischen Druck, der so groß werden kann, dass dort das Sternenfeuer wieder zündet. In einer Kettenreaktion entsteht rasch eine riesige Explosion, in der die Wasserstoffschicht wieder abgesprengt wird. Die Röntgenstrahlung einer solchen Explosion hat dann am 7. Juli 2020 die Detektoren von eROSITA getroffen und überbelichtet.

„Mit Modellrechnungen, mit denen wir ursprünglich die Entwicklung des Röntgen-Instruments begleitet hatten, konnten wir dann in einer aufwändigen Arbeit das eigentlich überbelichtete Bild genauer analysieren und so erstmals einen Blick hinter die Kulissen einer solchen „Nova“ genannten Explosion eines Weißen Zwergs werfen“, schildert Jörn Wilms die weitere Forschung. Nach diesen Ergebnissen sollte der Weiße Zwerg ungefähr die Masse unserer Sonne haben und damit relativ groß sein. Bei der Explosion entstand ein 327.000 Grad heißer Feuerball, der damit rund sechzigmal wärmer als unsere Sonne war.

Weil bei solchen Novae der Energie-Nachschub fehlt, kühlen sie rasch aus, und die Röntgenstrahlung wird weicher, bis sie schließlich zu sichtbarem Licht wird, das einen halben Tag nach der eROSITA-Entdeckung auch die Erde erreichte und mit optischen Teleskopen beobachtet wurde. „Es tauchte dann ein scheinbar heller Stern auf, der sogar mit dem Auge sichtbar war“, erklärt Ole König. Solche scheinbaren „neuen Sterne“ wurden auch früher schon beobachtet und wegen ihres unverhofften Auftauchens „Nova Stella“ genannt, was „neuer Stern“ bedeutet. Weil diese Nova aber erst nach dem Röntgenblitz sichtbar wird, ist eine Vorhersage für solche Ausbrüche sehr schwierig, die daher eher zufällig die Röntgen-Detektoren treffen. „Da hatten wir wirklich Glück“, freut sich Ole König.

Originalpublikation
Ole König, Jörn Wilms, Riccardo Arcodia, Thomas Dauser, Konrad Dennerl, Victor Doroshenko, Frank Haberl, Steven Hämmerich, Christian Kirsch, Ingo Kreykenbohm, Maximilian Lorenz, Adam Malyali, Andrea Merloni, Arne Rau, Thomas Rauch, Gloria Sala, Axel Schwope, Valery Suleimanov, Philipp Weber & Klaus Werner: X-ray detection of a nova in the fireball phase
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04635-y

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Weisse Zwerge

Der Beitrag Explosion auf einem Weißen Zwerg direkt beobachtet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY.

Im grönländischen Eis lauscht künftig eine weltweit einzigartige Anlage nach extrem schwer fassbaren Teilchen aus dem Weltall: Das Pionier-Projekt „Radio Neutrino Observatory Greenland“ (RNO-G) verwendet eine neue Messmethode, um sehr energiereiche kosmische Neutrinos mit Radioantennen nachzuweisen. An der Forschungsstation Summit Station haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Projekts jetzt die ersten Antennenstationen im Eis installiert.

„Neutrinos sind ultraleichte und extrem scheue Elementarteilchen“, erläutert DESY-Physikerin Anna Nelles, die das Projekt mit initiiert hat. „Die Teilchen entstehen in rauen Mengen im All, vor allem bei energiereichen Prozessen wie kosmischen Teilchenbeschleunigern. Sie sind aber kaum nachweisbar, weil sie so gut wie nie mit Materie reagieren. Allein von der Sonne durchqueren pro Sekunde rund 60 Milliarden Neutrinos unbemerkt jeden fingernagelgroßen Fleck auf der Erde.“

Die ultraleichten Elementarteilchen werden manchmal auch als Geisterteilchen bezeichnet, denn sie fliegen problemlos durch Wände, die Erde und ganze Sterne. „Diese Eigenschaft macht sie interessant für die Astrophysik, weil sich mit ihnen beispielsweise auch ins Innere explodierender Sonnen oder in verschmelzende Neutronensterne blicken lässt, woher kein Licht zu uns gelangen kann“, berichtet Nelles, die auch Professorin an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg ist. „Zudem lassen sich mit Neutrinos natürliche kosmische Teilchenbeschleuniger aufspüren.“

Nur extrem selten wechselwirkt ein Neutrino jedoch mit der durchquerten Materie, wenn es – zum Beispiel im grönländischen Eisschild – zufällig auf ein Atom stößt. Bei einer solchen seltenen Kollision entsteht eine Lawine von Folgeteilchen, von denen viele im Gegensatz zum Neutrino elektrisch geladen sind. Diese geladenen Folgeteilchen erzeugen Radiowellen, die von den Antennen aufgefangen werden können.

„Der Vorteil von Radiowellen ist, dass Eis für sie ziemlich durchsichtig ist“, erläutert DESY-Physiker Christoph Welling, der zurzeit Teil des Projektteams auf Grönland ist. „Das heißt, wir können Radiosignale über Distanzen von einigen Kilometern detektieren.“ Je höher die Reichweite, desto größer das Volumen im Eis, das sich überwachen lässt, und desto größer die Chance, eine der seltenen Neutrinokollisionen aufzuspüren. „RNO-G wird der erste Radio-Neutrinodetektor im großen Maßstab sein“, sagt Welling. Zuvor hatten kleinere Versuche bereits gezeigt, dass der Nachweis kosmischer Teilchen über Radiowellen grundsätzlich möglich ist.

Insgesamt 35 Antennenstationen sollen mit einem Abstand von je 1,25 Kilometern rund um die Summit Station auf dem mächtigen grönländischen Eisschild installiert werden. Trotzdem kann es Monate oder sogar Jahre dauern, bis der Detektor anschlägt. „In der Neutrinoforschung braucht man Geduld“, erläutert Nelles. „Hochenergetische Neutrinos lassen sich ungemein selten auffangen. Aber wenn man eines erwischt, dann ist der Informationsgehalt unglaublich.“ Die Forscherinnen und Forscher denken dabei auch schon an den nächsten Schritt, denn der nächste Radio-Neutrinodetektor soll später buchstäblich am anderen Ende der Welt aufgebaut werden und das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ergänzen.

Dort hat ein internationales Konsortium, zu dem auch DESY gehört, rund 5000 empfindliche optische Messgeräte kilometertief ins ewige Eis eingeschmolzen. Diese Photomultiplier spähen nach einem schwachen bläulichen Flackern, das ebenfalls von den energiereichen Folgeteilchen einer seltenen Neutrinokollision erzeugt wird, wenn diese durchs unterirdische Eis rasen. Auf diese Weise sind IceCube bereits spektakuläre Beobachtungen von Neutrinos gelungen, die beispielsweise aus dem Umfeld eines gigantischen Schwarzen Lochs oder von einem zerrissenen Stern stammten. Die Leuchtsignale der unterirdischen Folgeteilchen lassen sich im Eis nicht so weit verfolgen wie die Radiowellen. Dafür schlagen die Photomultiplier bereits bei niedrigeren Energien der kosmischen Neutrinos an.

„Je höher die Energie, desto seltener werden die Neutrinos. Das heißt, man braucht größere Detektoren“, erläutert DESY-Forscherin Ilse Plaisier aus dem Installationsteam auf Grönland. „Die beiden Systeme ergänzen sich ideal: Das optische IceCube-Detektorgitter misst etwa bis zu einer Neutrinoenergie von einer Billiarde Elektronenvolt, das Radio-Antennenfeld wird ab rund zehn Billiarden bis zu hundert Trillionen Elektronenvolt empfindlich sein.“ Das Elektronenvolt ist eine in der Teilchenphysik weit verbreitete Einheit der Energie. Hundert Trillionen Elektronenvolt entsprechen etwa der Energie eines kräftig geschlagenen Squashballs mit 130 Kilometern pro Stunde – aber im Fall eines Neutrinos konzentriert in einem einzelnen subatomaren Teilchen, das Trillionen Trillionen Mal leichter ist als ein Squashball.

Die Installationsarbeiten für das Pionier-Projekt laufen in der ersten Phase noch bis Mitte August und waren in Pandemie-Zeiten eine besondere logistische Herausforderung: Die Teams mussten vor der Anreise zur Summit Station an verschiedenen Orten mehrere Wochen in Quarantäne verbringen, um ein Einschleppen des Coronavirus zu vermeiden. RNO-G wird mindestens fünf Jahre auf dem grönländischen Eis stehen bleiben. Die Stationen funktionieren autonom mit Solarzellen und sind per Mobilfunk untereinander vernetzt. Auf Grundlage dieses Betriebs soll dann der Neutrinodetektor IceCube am Südpol im Rahmen des Ausbaus zu Generation 2 (IceCube-Gen2) mit Radioantennen erweitert werden.

„Der Nachweis von Radiosignalen von hochenergetischen Neutrinos ist ein sehr vielversprechender Weg, den zugänglichen Energiebereich deutlich zu vergrößern und damit das neue Fenster zum Kosmos noch weiter zu öffnen“, betont DESYs Direktor für Astroteilchenphysik, Christian Stegmann. „Wir gehen diesen Weg über erste Testaufbauten auf Grönland, um dann auch Radioantennen am Südpol als Teil von IceCube-Gen2 zu installieren.“

An dem Pionier-Projekt sind mehr als ein Dutzend Partner beteiligt, darunter die University of Chicago, die Vrije Universiteit Brussel, die Penn State University, die University of Wisconsin-Madison und DESY.

Weitere Informationen
RNO-G-Homepage: https://radio.uchicago.edu
IceCube-Gen2: https://www.icecube-gen2.de

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Neutrinos

Der Beitrag DESY: Auf der Jagd nach kosmischen Teilchen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: FAU.

3500 Meter – so tief liegt das Neutrinoteleskop KM3Net/ARCA, das seit 2015 am Grunde des Mittelmeeres vor der Küste Siziliens aufgebaut wird. Forschende vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der FAU bauen unter anderem wichtige Messmodule für dieses internationale Projekt. Während einer einwöchigen Seekampagne Anfang April 2021 wurden fünf neue Detektionseinheiten des Neutrino-Teleskops angeschlossen und sind nun betriebsbereit.

Das KM3NeT/ARCA-Teleskop, das zukünftig das Volumen eines Würfels mit einem Kilometer Seitenlänge umfassen wird, befindet sich etwa 80 Kilometer vor Capo Passero, Sizilien. Zusammen mit seinem Schwesterteleskop ORCA, das vor der Küste von Toulon in Frankreich liegt, wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die astrophysikalischen Quellen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos identifizieren und die fundamentalen Eigenschaften der schwer fassbaren und allgegenwärtigen Elementarteilchen untersuchen. Die beiden Teleskope werden ebenso noch nie dagewesene Möglichkeiten für erd- und meereswissenschaftliche Studien bieten.

Hochempfindliche Sensoren
Nach seiner Fertigstellung wird KM3NeT/ARCA mit mehr als zweihundert Detektionseinheiten ausgerüstet sein. Jede dieser 700 Meter hohen Einheiten besteht aus 18 Modulen, die mit hochempfindlichen Lichtsensoren ausgestattet sind, die die schwachen Lichtblitze registrieren, die durch Neutrino-Wechselwirkungen im pechschwarzen Abgrund des Mittelmeers entstehen. Bisher war eine Detektionseinheit im Einsatz. Mittels ferngesteuertem Tauchfahrzeug setzten die am Projekt teilnehmenden Teams nun fünf neue KM3NeT-Detektionseinheiten ein.

Diese sechs Detektionseinheiten bilden den anfänglichen Kern des KM3NeT/ARCA Neutrinoteleskops. 18 der optischen Module in einer der neu installierten Detektoreinheiten wurden an der FAU gebaut. „Wir haben jetzt gezeigt, dass wir die Detektorkomponenten mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit herstellen und in der Tiefsee installieren können. Das ist ein großartiger Erfolg, der die Tür zum vollständigen Aufbau von KM3NeT weit öffnet“, sagt Prof. Dr. Ulrich Katz, Lehrstuhl für Experimentalphysik (Astroteilchenphysik) der FAU und Mitinitiator des KM3NeT/ARCA-Projekts. Neben dem Bau dieser optischen Module, von denen auch für die nächste Kampagne Module an der FAU gebaut werden, testen die Erlanger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler außerdem die Lichtdetektoren, koordinieren die Softwareentwicklung und bringen Machine Learning-Methoden für die Datenauswertung zur Anwendung.

Während der Kampagne ist zudem eine neue Junction Box, ein Knotenpunkt für die Stromverteilung und Datenübertragung der Detektionseinheiten, eingebaut worden. Diese Box ist über ein elektrooptisches Kabel mit einem Labor des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien verbunden. Als letzter Schritt wurde die erste Detektionseinheit, die seit 2015 im Einsatz ist, an den neuen Verteilerkasten angeschlossen.

KM3NeT ist ein internationales Projekt von über 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus mehr als fünfzig wissenschaftlichen Instituten auf der ganzen Welt. KM3NeT wurde in die Liste der vom Europäischen Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) ausgewählten Projekte mit hoher Priorität aufgenommen.

Link:
Webseite von KM3NeT

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Unterwasser-Neutrino-Detektor KM3NeT

Der Beitrag KM3NeT: Neue Sensoreinheiten für Unterwasserteleskop erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: FAU.

Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker unter Beteiligung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen. Das Schwarze Loch und sein Begleitstern in der Milchstraße sind weiter von der Erde entfernt und wesentlich massereicher als bisher angenommen. Das Projekt liefert zugleich neue Antworten auf die Frage, wie Schwarzer Löcher überhaupt entstehen. Die Ergebnisse sind im führenden Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht worden.

Den ersten Hinweis gab es bereits 1964: Zwei Geigerzähler an Bord einer suborbitalen Rakete, die von New Mexico aus abgefeuert wurde, registrierten eine starke Röntgenquelle in unserer Milchstraße. Acht Jahre später entdeckte der US-amerikanische Astronom Tom Bolton, dass diese Röntgenquelle um den Stern HDE 226868, einen sogenannten Blauen Riesen, kreist. Bolton schloss daraus, dass es sich bei Cygnus X-1 – so der Name der unsichtbaren Quelle – um ein schwarzes Loch handeln müsse. Diese Annahme wurde durch spätere Beobachtungen bestätigt. „Cygnus X-1 ist das erste Schwarze Loch, das in unserer Milchstraße entdeckt wurde“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms, Astrophysiker der Universitätssternwarte der FAU.

Die tatsächliche Entfernung des Systems von der Erde konnte bislang nur grob geschätzt werden, ebenso wie die Massen des Schwarzen Lochs und seines Begleitsterns. Wilms hat deshalb ein ambitioniertes Projekt initiiert, zu dem sich ein internationales Team renommierter Astronominnen und Astronomen zusammengeschlossen hat. Die Forschenden nutzten das Very Long Baseline Array, ein Cluster aus zehn in den USA verteilten Radioteleskopen, um eine präzise Paralaxenmessung vorzunehmen. „Die Messung basiert auf dem Prinzip, dass man die Entfernung eines Objektes bestimmen kann, indem man es von zwei verschiedenen Orten aus betrachtet“, sagt Jörn Wilms. „Die unterschiedlichen Beobachtungspositionen ergeben sich in unserem Fall durch die Bewegung der Erde um die Sonne.“

Materieverlust heller Sterne geringer als vermutet
Über einen Zeitraum von sechs Tagen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Projektleiter James Miller-Jones vom International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) das Cygnus-System beobachtet und dabei über 2000 Messwerte aufgezeichnet. Das Ergebnis: Cygnus X-1 ist deutlich weiter von der Erde entfernt als bislang angenommen – etwa 7200 anstatt der zuvor geschätzten 6100 Lichtjahre. „Aus dieser Kalibrierung ergibt sich auch, dass Cygnus deutlich größer sein muss“, erklärt Jörn Wilms. „Wir haben errechnet, dass das Schwarze Loch mehr als 20-mal so massereich wie die Sonne ist“, sagt Jörn Wilms. „Das übertrifft frühere Schätzungen um 50 Prozent.“

Diese Erkenntnis wirft zugleich ein neues Licht auf die Entstehung Schwarzer Löcher überhaupt: Bislang ging die Forschung davon aus, dass helle Sterne bis zur Supernova-Explosion sehr viel Masse an ihre Umgebung verlieren. Wilms: „Durch Sternwinde wird Materie von der Oberfläche quasi weggeblasen. Damit ein Schwarzes Loch jedoch so massiv werden kann wie Cygnus X-1, muss dieser Masseverlust deutlich geringer sein als wir dachten.“

Anhand der aktuellen Messdaten gehen die Forschenden davon aus, dass das Schwarze Loch im Cygnus X-1-System sein Leben als Stern begann, der ungefähr 60-mal so groß wie die Sonne war und vor Zehntausenden von Jahren kollabiert ist. Trotz seiner gigantischen Größe umkreist es in nur fünfeinhalb Tagen seinen Begleitstern HDE 226868, wobei die Umlaufbahn nur ein Fünftel der Entfernung zwischen Erde und Sonne beträgt. Dabei dreht sich Cygnus X-1 unglaublich schnell – sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit und damit schneller als jedes andere bisher gefundene Schwarze Loch. Die extrem starke Röntgenstrahlung entsteht dadurch, dass der Begleitstern einen Teil seiner Masse an das Schwarze Loch verliert und dabei eine Scheibe aus Gas bildet, die sich durch Reibung auf mehrere Millionen Grad erhitzt.

Neues Radioteleskop soll weitere Geheimnisse lüften
„Schwarze Löcher zählen nach wie vor zu den bestgehüteten Geheimnissen des Universums“, sagt Jörn Wilms. „Mit unserem Projekt haben wir einen weiteren Teil dieses Geheimnisses lüften können.“ Im kommenden Jahr soll der Bau des Square Kilometer Array (SKA) in Australien und Südafrika beginnen, das die Empfindlichkeit des aktuell größten Radioteleskops der Welt nochmals übertrifft und das Universum noch detaillierter abbilden kann. Die Astroforschung verspricht sich davon neue Impulse für das Verständnis exotischer und extremer kosmischer Objekte, die uns bislang verborgen bleiben.

Publikation:
„Cygnus X-1 contains a 21–solar mass black hole—Implications for massive star winds”

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Cygnus X-1

Der Beitrag Milchstraße: Schwarzes Loch massiver als gedacht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Astronomen haben in der ersten vollständigen Himmelskarte des Röntgenteleskops eROSITA an Bord des SRG-Observatoriums eine auffallende Entdeckung gemacht: eine riesige kreisrunde Struktur aus heißem Gas unterhalb der Milchstraßenebene, die den größten Teil des südlichen Himmels einnimmt. Eine ähnliche Struktur am Nordhimmel, der sogenannte „Nordpolar-Sporn“, ist seit langem bekannt und man nahm an, dass er von einer frühen Supernova-Explosion stammte. Zusammengenommen scheinen die nördliche und die südliche Struktur stattdessen beide aus dem galaktischen Zentrum auszutreten und erinnern in ihrer Form an eine Sanduhr. An der FAU sind die Gruppen für Multiwellenlängenastronomie von Prof. Dr. Manami Sasaki und für Röntgenastronomie von Prof. Dr. Jörn Wilms der Dr. Karl Remeis Sternwarte des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) an der eROSITA-Mission beteiligt. Die Remeis-Sternwarte leistet einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften und des Ursprungs der eROSITA-Blasen.

„Dank seiner Empfindlichkeit sowie Energie- und Winkelauflösung kann eROSITA den gesamten Röntgenhimmel mit bisher unerreichter Tiefe kartieren und so auch die südliche Blase eindeutig nachweisen“, erklärt Michael Freyberg, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) schon viele Jahre an eROSITA arbeitet. Das Röntgenteleskop durchmustert alle sechs Monate den gesamten Himmel, und die Daten ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach großräumigen Strukturen zu suchen. Die Röntgenemission, die von eROSITA beobachtet wird, zeigt dass die Blasen eine Ausdehnung von mehreren Kiloparsec, oder bis zu 50.000 Lichtjahren, im Durchmesser haben, und damit fast so groß sind wie die Milchstraße selbst.

Diese ‚eROSITA-Blasen‘ zeigen auffallende morphologische Ähnlichkeiten mit den bereits bekannten ‚Fermi-Blasen‘, die das Fermi-Teleskop im Bereich der Gammastrahlen entdeckte, sie sind aber größer und energiereicher. „Die scharfen Grenzflächen dieser Blasen laufen höchstwahrscheinlich entlang von Schockwellen, die durch einen massiven Energieeintrag aus dem Innern unserer Galaxie in den galaktischen Halo verursacht wurden“, führt Peter Predehl aus, der Erstautor des Nature-Artikels. „Solch eine Erklärung wurde bereits früher für die Fermi-Blasen vorgeschlagen; mit eROSITA ist jetzt ihr volles Ausmaß und ihre Morphologie offensichtlich geworden.“ Diese Entdeckung wird den Astronomen helfen, den kosmischen Kreislauf der Materie in und um die Milchstraße und andere Galaxien zu verstehen.

Der größte Teil der gewöhnlichen, baryonischen Materie im Universum ist für unsere Augen unsichtbar; alle Sterne und Galaxien, die wir mit optischen Teleskopen beobachten, machen weniger als 10% ihrer Gesamtmasse aus. Man nimmt an, dass sich riesige Mengen unbeobachteter baryonischer Materie in den Halos mit geringer Dichte befinden, die die Galaxien und die Filamente im kosmischen Netz wie Kokons umgeben. Diese Halos sind heiß, mit einer Temperatur von Millionen von Grad, und daher nur für Teleskope sichtbar, die energiereiche Strahlung nachweisen können.

Die Blasen, die eROSITA jetzt gefunden hat, zeigen Störungen in dieser heißen Gashülle um unsere Milchstraße auf, die entweder durch eine Periode intensiver Sternentstehung oder durch einen Ausbruch aus dem supermassereichen Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum verursacht wurden. Auch wenn das Schwarze Loch sich jetzt ruhig verhält, könnte es in der Vergangenheit durchaus aktiv gewesen sein, ähnlich wie man es bei aktiven Galaxienkernen (AGN) mit stark wachsenden Schwarzen Löchern in fernen Galaxien beobachten kann.

In beiden Fällen muss die Energie, die für die Entstehung dieser riesigen Blasen nötig ist, enorm gewesen sein. „Die Narben, die solche Ausbrüche hinterlassen, brauchen sehr lange, um in diesen Halos zu heilen“, fügt eROSITA-Projektwissenschaftler Andrea Merloni hinzu. „Die Wissenschaftler haben lange und bei vielen Galaxien nach den gigantischen Signaturen solch gewalttätiger Aktivitäten in der Vergangenheit gesucht.“ Die eROSITA-Blasen liefern jetzt ein starkes Indiz für großräumige Wechselwirkungen zwischen einem Galaxienkern und dem Halo um die Galaxie. Diese Prozesse sind dabei energiereich genug, um die Struktur, den Energiegehalt und die chemische Anreicherung des zirkumgalaktischen Mediums der Milchstraße zu stören.

„eROSITA schließt derzeit die zweite Durchmusterung des gesamten Himmels ab und verdoppelt damit die Anzahl der Röntgenphotonen, die von den entdeckten Blasen kommen“, betont Rashid Sunyaev, wissenschaftlicher Leiter des SRG-Observatoriums in Russland. „Wir haben noch enorm viel Arbeit vor uns, denn die eROSITA-Daten ermöglichen es uns, viele Röntgen-Spektrallinien zu identifizieren, die von dem hoch ionisierten Gas emittiert werden. Das bedeutet, dass wir nicht nur die Fülle der chemischen Elemente, den Grad ihrer Ionisierung, die Dichte und Temperatur des emittierenden Gases in den Blasen untersuchen können, sondern wir können auch die Orte der Schockwellen identifizieren und charakteristische Zeitskalen abschätzen.“

Informationen zur eROSITA-Mission bei der FAU:
Kosmischen Giganten auf der Spur
Beeindruckender Blick in den Himmel

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• DLR: Der größte Schock unserer Heimatgalaxie (9. Dezember 2020)

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

Der Beitrag eROSITA: Großräumige Strukturen aus heißem Gas erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: FAU.

Doppelsterne sind Astrophysikerinnen und -physikern gut bekannt. Einer gab ihnen jedoch Rätsel auf: Warum fehlte ein Teil der Röntgenstrahlung, die die Doppelsternsysteme aussenden? Und warum hatte der andere Teil überraschende Eigenschaften? Ein Forschungsteam unter Federführung der FAU hat sich mit diesen Fragen beschäftigt und ein Doppelsternsystem mithilfe von Röntgensatelliten beobachtet. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Doppelsterne sind im Weltraum nichts Ungewöhnliches. Selbst wenn der eine Partner wie bei IGR J16318-4848 in einem der Spiralarme unsere Galaxie aus einem Neutronenstern und damit aus dem superkompakten Rest einer Sternen-Leiche besteht. Dessen Gegenüber wirkt ebenfalls exotisch, weil es sich um einen Überriesen-Stern handelt, der ein Vielfaches der Masse unserer Sonne hat. Obendrein entpuppt sich dieses Monster als eine Art „kosmische Dreckschleuder“, die jede Menge Eisen in den Weltraum bläst. „Meist erreicht uns von solchen Systemen ein breites Spektrum aus weicher und harter Röntgenstrahlung“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms vom Astronomischen Institut der FAU in der Dr. Karl Remeis-Sternwarte Bamberg. Dieses System aber gab Astrophysikerinnen und Astrophysikern eine harte Nuss zu knacken, weil nicht nur der gesamte weiche Teil der Strahlung fehlt, sondern obendrein das harte Röntgenlicht auch noch sehr überraschende Eigenschaften hat. Lösen konnten Jörn Wilms, sein Doktorand Ralf Ballhausen und ein Forschungsteam in Deutschland, den Niederlanden, Spanien und den USA dieses Problem erst mit Hilfe gleich zweier Röntgen-Satelliten und Computer-Modellen, mit denen sie die Vorgänge um dieses bizarr anmutende System aus zwei Sternen simulierten.

Der Überriese, der Winzling und das Rätsel
In diesem Sternen-Paar bläst der Überriese, dessen wahre Größe noch gar nicht genau bestimmt werden konnte, kontinuierlich einen Teil seiner eigenen Masse als Sternenwind in den Weltraum. Dort aber kreist wahrscheinlich bereits ein Neutronenstern, der einst entstand, als ein Stern, der mindestens die achtfache Masse unserer Sonne hatte, am Ende seines Lebens zu einem extrem kompakten Gebilde zusammenstürzte. Dort sind die Atomkerne extrem dicht nebeneinander gepackt. Ein Teelöffel davon wäre ähnlich schwer wie ein Eisenwürfel mit 700 Meter langen Kanten. „Obwohl er die 1,4-fache Masse unserer Sonne hat, ist ein solcher Neutronenstern mit einem Durchmesser von zehn Kilometern im Vergleich mit den 700.000 Kilometern unserer Sonne nur ein Winzling“, erklärt Jörn Wilms. Fällt die vom Überriesen-Partner ausgestoßene Materie auf diesen super-massiven Winzling, entsteht Röntgenstrahlung. „Nur fehlt bei diesem Doppelstern-System nicht nur die gesamte weiche Röntgenstrahlung, sondern besteht auch der harte Teil fast ausschließlich aus einer extrem hellen Emissionslinie, die aus Eisen stammt“, staunt FAU-Forscher Jörn Wilms.

Diese Röntgen-Fluoreszenz entsteht, wenn das Röntgenlicht vom Neutronenstern aus Eisen-Atomen Elektronen herausschlägt, die aus der nächsten Nähe des Atomkerns stammen. Die so entstandene Lücke wird rasch von einem Elektron aus etwas größerer Entfernung zum Kern geschlossen. Dabei wird genau die Strahlung frei, von der Röntgensatelliten riesige Mengen messen. „Daraus schließen wir, dass dort große Mengen Eisen vorhanden sind“, folgert FAU-Forscher Ralf Ballhausen.

Nur ist der Neutronenstern sehr heiß und sollte dieses Eisen kräftig aufheizen. Dadurch verlieren die Atome leicht Elektronen, die relativ weit vom Atomkern entfernt sind und die daher ohnehin nicht allzu fest gebunden sind. Dabei werden die Atome zu Ionen. Dieser Verlust verändert auch die Elektronen-Struktur in nächster Nähe zum Atomkern und gleichzeitig auch die Röntgen-Fluoreszenz ein klein wenig. „Als 2016 der japanische Satellit Hitomi das System vermaß, fanden sich solche Veränderungen aber kaum“, berichtet Jörn Wilms. Anscheinend gibt es dort also kaum die erwarteten Eisen-Ionen, sondern wohl vor allem Eisen-Atome. Wieso aber werden diese von der starken Röntgenstrahlung nicht aufgeheizt und in Ionen verwandelt? Die Forscherinnen und Forscher standen vor einem großen Rätsel.

Die Lösung? Fester Staub!
Die Lösung fand das Team um die FAU-Forscher Jörn Wilms und Ralf Ballhausen, als es das System gleichzeitig mit zwei Röntgen-Satelliten beobachtete: Das NuSTAR Röntgenteleskop der US-Weltraumorganisation NASA und der 3,8-Tonnen-Gigant XMM-Newton, den die europäische Weltraumorganisation ESA bereits 1999 in den Weltraum gehievt hat, zeigen gemeinsam das gesamte Spektrum der Röntgenstrahlung in sehr hoher Qualität. Aber noch immer lieferten die Modellrechnungen mit diesen Ergebnissen eine andere Röntgen-Strahlung als die aus dem System gemessene. Erst als die Forscherinnen und Forscher in ihren Modellen das bisher als Gas angenommene Eisen durch einen festen Staub ersetzten, stimmten die vom Computer ausgespuckten Werte endlich mit der Realität im Weltraum überein.

Damit aber hatte das Team auch das Geheimnis um die seltsame Röntgenstrahlung gelöst: „Der Überriese ist zwar tatsächlich eine Dreckschleuder, die sehr viel Eisen in den Weltraum bläst“, erklärt Ralf Ballhausen. „Nur verklumpt dieses Gas rasch und bildet so festen Staub.“ Dieser könnte vielleicht aus Olivin und damit einem Mineral aus Eisen und Nickel bestehen, das nicht nur im Erdmantel, sondern auch in Meteoriten und sehr wahrscheinlich auch überall sonst im Weltraum reichlich vorkommt. Dieser Olivin-Staub sammelt sich in großen Mengen an und hüllt das Paar aus Neutronenstern und Überriesen in eine dichte Staubschicht. In den inneren Bereichen kann die Röntgenstrahlung vom Neutronenstern dieses Eisen zwar kräftig aufheizen. Von der Erde aus aber beobachten die Röntgensatelliten nur die äußersten Schichten der Staubhülle. Und dort bleibt das Olivin kalt.

Inzwischen nehmen Jörn Wilms, Ralf Ballhaus und ihr Team bereits andere Doppelstern-Systeme unter die Lupe, die ebenfalls die Röntgenstrahlen aus ihrem Inneren großenteils zu verschlucken scheinen. Vielleicht ähneln die Verhältnisse dort ja auch dem Neutronenstern und seinem Überriesen und dicke, kalte Staubhüllen sind nichts Ungewöhnliches im Weltraum?

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Doppelstern als kosmischer Teilchenbeschleuniger (1. Juli 2020)
• ESO: Ausgang des Kampfes zweier Sterne (5. Februar 2020)
• Gas aus gemeinsamer Scheibe speist Zwillingssterne (4. Oktober 2019)
• Doppelsternsystem mit zwei protoplanetaren Scheiben (4. August 2014)
• Entstehung von Doppelsternsystemen neu untersucht (21. Mai 2010)
• Doppelstern mit Wolke (8. April 2010)
• Zwei Sonnen am Himmel – der Normalfall? (30. März 2007)
• Babyfotos von stellaren Zwillingen (23. September 2005)

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Doppelsterne

Der Beitrag FAU: Rätselhaftes Doppel im Weltraum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Ein Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) untersuchte die Flächen- und Höhenänderungen aller Gletscher der europäischen Alpen über einen Zeitraum von 14 Jahren. Dazu verglichen sie dreidimensionale Geländemodelle der deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X und der deutsch-amerikanischen Shuttle-Radar Topography Mission (SRTM) aus der Zeit zwischen 2000 und 2014. Die Höhenmodelle kombinierte das Team mit optischen Aufnahmen der Landsat-Satelliten der NASA. Das Ergebnis: Ungefähr 17 Prozent des gesamten Eisvolumens der Alpen gingen seit der Jahrtausendwende verloren. Die Erkenntnisse veröffentlichte das Team kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Ein Verlust an Eisvolumen von 17 Prozent entspricht mehr als 22 Kubikkilometern. Das ist größer als das Siebenfache des Wasservolumens des Starnberger Sees. Außer den höchsten Erhebungen der Zentralalpen erreicht die Eisschmelze bereits auch höher gelegene Gletscherregionen und die Tendenz setzt sich fort.

Die stärksten Verluste traten in den Gebirgsmassiven der Schweizer Alpen auf. Allein die großen Talgletscher der Berner Alpen verloren im Zeitraum von 2000 bis 2014 etwa 4,8 Gigatonnen Eismasse. Die Eisdicke ging im Durchschnitt um 0,72 Meter pro Jahr zurück. Das entspricht einem Volumen von knapp fünf Kubikkilometern. Lokal waren die Schmelzraten in den unteren Gletscherbereichen sogar um ein Vielfaches höher. Ein Beispiel stellte der größte Gletscher der Alpen auf, der Große Aletsch-Gletscher: Dort schrumpfte die Gletscheroberfläche nahe der Gletscherfront durch Abschmelzen jährlich um bis zu fünf Meter und mehr.

Zu diesen Ergebnissen kam das Team des FAU-Instituts für Geographie durch die Kombination der Daten aus den drei Erdbeobachtungsmissionen TanDEM-X, SRTM und Landsat. Entscheidender Vorteil des Verfahrens war, dass annähernd gleichzeitige Flächen- und Höhenmessungen verglichen werden konnten. Ähnliche Studien aus anderen Gebirgsregionen der Erde gehen in der Regel von einer konstanten vergletscherten Fläche während eines Beobachtungszeitraums aus. Besonders in hochdynamischen Gletscherregionen wie den europäischen Alpen kann dies zu einer deutlichen Unterschätzung der tatsächlichen Massenbilanz führen.

Die Radarsatellitenmission TanDEM-X
Die Mission TanDEM-X wurde im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) in öffentlich-privater Partnerschaft mit Airbus Defence and Space ins Leben gerufen. Das DLR ist verantwortlich für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten sowie für die Planung und Durchführung der Mission, die Steuerung der beiden Satelliten und die Erzeugung des digitalen Höhenmodells.

An der Mission TanDEM-X beteiligt sind das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme als wissenschaftliche Leitung, das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) und die DLR-Einrichtung Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) am Standort Oberpfaffenhofen. Zusammen decken sie alle relevanten Arbeitsfelder der Mission ab: Sensortechnik, Missionsauslegung, hochgenaue operationelle Prozessierung der Daten und Erstellung von für den Nutzerbedarf optimierten Produkten. Zusammen mit dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR sind sie zudem für die Infrastruktur, die den Betrieb der Satelliten ermöglicht, das sogenannte Bodensegment, sowie für die Datenverarbeitung zuständig.

Einen Rückblick auf zehn Jahre TanDEM-X, den Ausblick für die mögliche Zukunft der Erdbeobachtung mit Radarsatelliten sowie Servicelinks zum TDX Science Server und Datenzugang für das – zur wissenschaftlichen Nutzung freie – 90-Meter-Höhenmodell finden Sie hier.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• TanDEM-X auf Dnepr

Der Beitrag Alpen: Gletscherrückgang flächendeckend dokumentiert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.