Im November 1915 hält Albert Einstein vier Vorträge an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. In diesen Vorträgen stellt er seinem Publikum die Allgemeine Relativitätstheorie vor, an der er jahrelang getüftelt hatte. Mit dieser Theorie kann Einstein beschreiben, wie Materie, Raum und Zeit wechselwirken. Dabei schafft er kurzerhand eine Kraft unseres Universums ab: die Schwerkraft.

Bei Isaac Newton war alles noch viel einfacher gewesen: Laut dem Briten ist die Schwerkraft, wie der Name schon sagt, eine Kraft. Diese wirkt zum Beispiel zwischen zwei Massen anziehend. Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen ließ sich zunächst wunderbar erklären, warum ein Apfel vom Baum fällt oder warum die Erde um die Sonne kreist.

Doch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitet Einstein der Schwerkraft nun ein Ende: Laut ihm handelt es sich dabei lediglich um einen Effekt der gekrümmten Raumzeit. Frei nach dem Physiker John Wheeler übersetzt könnte man die Allgemeine Relativitätstheorie so zusammenfassen: Die Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat, und die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich zu bewegen hat. Ein Apfel fällt also nicht deshalb vom Baum, weil er die Effekte der Schwerkraft verspürt, sondern weil er dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit folgt.

Doch war die Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915 nicht nur konzeptionell ungeheuerlich, sondern auch mathematisch: Ihre Gleichungen sind so kompliziert, dass Einstein selbst zunächst davon überzeugt ist, dass es unmöglich sei, exakte Lösungen für sie zu finden.

Wie praktisch, dass sich bei einem seiner Vorträge ein Mensch befand, dem genau das nur wenig später gelingen sollte – und das, während er als Soldat im Ersten Weltkrieg an der Front stationiert war. Karl Schwarzschild war Physiker und Astronom. Außerdem beherrschte er praktischerweise genau jene mathematischen Fähigkeiten, die benötigt wurden, um eine exakte Lösung für die Einstein’schen Feldgleichungen zu finden. Diese Gleichungen brachten jedoch einen seltsamen Aspekt zu Tage, der zeigte: Es könnte so etwas wie Schwarze Löcher geben.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. März 2024.

Friedrichshafen, 19. März 2024 – Airbus hat vom Jet Propulsion Laboratory JPL (Pasadena, Kalifornien) der NASA den Zuschlag für die Entwicklung und den Bau der GRACE-C-Zwillingssatelliten erhalten. Diese neue Mission der NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird die mehr als 20-jährige Partnerschaft zwischen den USA und Deutschland fortsetzen und damit die ununterbrochenen Messung des Schwerefelds der Erde gewährleisten. 2002 begann die Kooperation mit GRACE und wurde mit dem 2018 gestarteten GRACE Follow-On fortgeführt.

Während ihrer fünfjährigen nominellen Missionsdauer wird die GRACE-C-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment-Continuity) die Messreihe fortsetzen, mit der beobachtet wird, wie sich das Grundwasser, die Ozeane, die Eisschilde und das Land der Erde von Monat zu Monat verändern, indem Veränderungen im Schwerefeld des Planeten gemessen werden.

Alain Fauré, Leiter von Space Systems bei Airbus, sagte: „Es ist erstaunlich, dass zwei Satelliten, die mehr als 200 km voneinander entfernt sind, uns sagen können, wie schnell unsere Eisschilde schmelzen, ohne auf die Erde zu schauen. Bei der Umweltüberwachung ist Kontinuität ein Schlüsselelement. Die wertvollen Daten, die die bisherigen GRACE-Missionen geliefert haben, sind ein Beweis für ihren Erfolg, und es ist eine großartige Nachricht, dass Airbus weiterhin Teil dieser internationalen Mission ist, die die Instrumente zur Messung der Entwicklung unseres Klimas liefert.”

GRACE-C besteht aus zwei identischen Satelliten, die im Abstand von etwa 200 km auf einer Umlaufbahn in 500 km Höhe mit einer Neigung von 89 Grad fliegen. Jeder Satellit wird etwa 3 x 2 x 1 Meter groß sein und rund 600 kg wiegen. Der Start soll frühestens Ende 2028 von den USA aus erfolgen.

Wie ihre Vorgänger ist auch die GRACE-C-Mission darauf ausgelegt, kleine Abstandsänderungen zwischen den Satelliten aufgrund von Schwerkraftschwankungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bis auf den Mikrometer genau zu messen. Während die beiden Satelliten die Erde umkreisen, werden Bereiche mit etwas stärkerer Schwerkraft (größere Massenkonzentration) die Position der Sonde und damit den Abstand zwischen den Satelliten beeinflussen. Das äußerst präzise Mikrowellen-Entfernungsmesssystem wird diese Veränderungen aufspüren und die Kartierung des Schwerefelds der Erde mit unübertroffener Genauigkeit ermöglichen.

Anhand der Veränderungen in diesen Schwerkraftkarten – oder der Verfolgung der Massenkonzentration – können die Wissenschaftler im Laufe der Monate oder Jahren den globalen Wasserhaushalt, einschließlich Grundwasserspiegel und Eisschilde, und den Einfluss des Klimawandels beurteilen. Außerdem wird es Einblicke in die Tiefen- und Oberflächenströmungen in den Ozeanen und in den Beitrag der Ozeanhöhen liefern.

GRACE-C ist ein Umbau der beiden GRACE Follow-On Satelliten mit modernster Avionik und dem gemeinsamen US-amerikanisch-deutschen Laser Ranging Interferometer (LRI), das bereits auf GRACE Follow-On als experimentelle Nutzlast geflogen ist und nun das Hauptinstrument für die Entfernungsmessung darstellt.

Die Mission basiert auf einer ressortübergreifenden Partnerschaft zwischen NASA und DLR. Die deutschen Beiträge werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die optische Bank des LRI-Instruments wird von der SpaceTech GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsforschung (Albert-Einstein-Institut) gebaut.

Airbus Defence and Space in Friedrichshafen wird die Satelliten entwerfen, bauen und zum Startplatz liefern, einschließlich der Unterstützung der NASA/JPL in der Start- und frühen Orbitphase (LEOP). Die Mission wird vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) des DLR betrieben.

GRACE-C – eine erfolgreiche Serie von Missionen zur Beobachtung der Erdumwelt geht weiter
GRACE-C ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Dies wird durch Beiträge anderer Projektpartner auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten verantwortlich sein und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) zusammen mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für den Bau des Lasersystems zur Messung der Entfernung zwischen den GRACE-C-Sonden.

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• GRACE-C

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

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

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

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

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

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

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

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

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: ZARM.

Ob groß oder klein: es gibt für alle etwas zu entdecken. Nicht nur der Fallturm, sondern auch der GraviTower Bremen Pro, das neue Labor für Forschung in der Schwerelosigkeit, können ausgiebig erkundet werden.

Und damit nicht genug. Wollten Sie schon immer mal wissen, wie ein Haus auf dem Mars aussehen könnte und wie es z.B. mit Sauerstoff versorgt wird? Oder warum eine Tankstelle im Weltraum so schwierig umzusetzen ist? Und wussten Sie schon, dass sich Feuer auf einer Raumstation ganz anders verhält als auf der Erde?

Von Quantenphysik bis zum Kinderprogramm – es ist für alle etwas dabei. Der Eintritt ist selbstverständlich kostenlos. Besuchen Sie uns am Sonntag, den 11. Februar 2024 und erleben Sie unsere Labore und Forschung in Aktion.

Datum: 11. Februar 2024
Uhrzeit: 11 bis 17 Uhr
Ort: ZARM, Am Fallturm 2, 28359 Bremen

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• Fallturm Bremen (ZARM)
• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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

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

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

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

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

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Quelle: IFW Dresden 11. November 2022.

11. November 2022 – Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum. Sie vereinen so viel Masse auf so wenig Raum, dass sich nichts – nicht einmal Licht – ihrer Anziehungskraft entziehen kann. Das Verständnis Schwarzer Löcher ist der Schlüssel zur Enträtselung der grundlegendsten Gesetze, die den gesamten Kosmos bestimmen, weil sie ein Zusammenspiel von zwei der am besten untersuchten Theorien der Physik darstellen: Der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der Verformung der Raumzeit durch massive Objekte beschreibt, und der Quantentheorie, die die Physik der kleinsten Größeneinheiten beschreibt. Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssten wir diese beiden Theorien zusammenfügen und eine Theorie der Quantengravitation entwickeln.

Um diesem Ziel näher zu kommen, sollten wir unser Augenmerk auf das richten, was aus Schwarzen Löchern entweicht, anstatt uns mit all dem zu befassen, was von ihnen verschluckt wird. Der sogenannte Ereignishorizont ist eine nicht überwindbare Zone, die jedes Schwarze Loch umgibt und aus der es kein Entrinnen gibt. Der britische Physiker Stephen Hawking entdeckte jedoch 1974, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont herum eine geringe Wärmestrahlung aussenden muss. Diese Strahlung ist bisher jedoch nie direkt nachgewiesen worden. Die Menge der Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch ausgeht, ist so gering, dass sie mit der heutigen Technologie nicht von der Strahlung aller anderen kosmischen Objekte unterschieden werden kann.

Alternativ könnten wir versuchen, den Mechanismus, der der Entstehung der Hawking-Strahlung zugrunde liegt, direkt hier auf der Erde zu untersuchen. Das haben sich Forschende des IFW Dresden und der Universität Amsterdam zur Aufgabe gemacht. Die Antwort auf die Frage, ob das grundsätzlich gelingen kann, ist ein begeistertes: „Ja, das funktioniert tatsächlich. Wir wollten die wirkungsvollen Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu ergründen: Schwarze Löcher“, sagt Lotte Mertens, die seit Januar 2021 im Rahmen ihrer binationalen Promotion am IFW Dresden zum Thema forscht.
Dazu untersuchte sie ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomplatz zum nächsten „hüpfen“ können. Die durch das Schwarze Loch verursachte Verformung der Raumzeit wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht die Elektronen zwischen den einzelnen Stellen springen sollen. Mit der richtigen Einstellung der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung zeigt das Modellsystem Ausschläge, die sich genau so verhalten, als ob sie eine Temperatur hätten. Trotz des Fehlens der tatsächlichen Schwerkraft im Modellsystem gibt die Untersuchung dieses synthetischen Horizonts wichtige Aufschlüsse über die Physik der originalen Schwarzen Löcher. „Hawking-Strahlung tritt nur dann auf, wenn das Modellsystem zu Beginn keine räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeiten aufweist und eine homogene Raumzeit imitiert, bevor es in ein System mit einem synthetischen Schwarzen Loch umgewandelt wird“, erklärt Mertens. „Das Auftreten von Hawking-Strahlung erfordert also eine Veränderung der Raumzeitverkrümmung.“

Die vorhergesagte Hawking-Strahlung setzt voraus, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Dies bedeutet, dass die Existenz der Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist. Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass eine Hawking-Temperatur nur dann auftritt, wenn man eine ganz bestimmte räumliche Variation des Hüpfens einstellt. Dies könnte sogar Auswirkungen auf die allgemeine Relativitätstheorie haben: Wenn die Analogie gilt, gibt es demnach nur in bestimmten Gravitationssituationen ein thermisches Spektrum.

„Da unser Modell so einfach ist, kann es in einer Reihe von Versuchsaufbauten eingesetzt werden“, freut sich Lotte Mertens. Die Methodik zeigt, dass spezifische, schwer fassbare Phänomene des Universums durch genau konstruierte Materialsysteme beobachtet werden können. Die Erforschung Schwarzer Löcher mit Hilfe moderner Materialforschung im Labor bringt uns dem Verständnis des Zusammenspiels von Gravitation und Quantenmechanik einen Schritt näher.

Originalpublikation:
Lotte Mertens, Ali G. Moghaddam, Dmitry Chernyavsky, Corentin Morice, Jeroen van den Brink, and Jasper van Wezel, ‘Thermalization by a synthetic horizon’ Phys. Rev. Research 4, 043084
URL: Phys. Rev. Research 4, 043084 (2022) – Thermalization by a synthetic horizon (aps.org)
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.043084,
https://arxiv.org/abs/2206.08041, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.08041.

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• physikalische Grundlagenforschung
• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Bonn 5. August 2022.

5. August 2022 – Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass die Zwerggalaxien des zweitnächsten Galaxienhaufens der Erde – des sogenannten Fornax-Haufens – frei von solchen Halos aus Dunkler Materie sind. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Zwerggalaxien sind kleine, schwache Galaxien, die normalerweise in Galaxienhaufen oder in der Nähe größerer Galaxien zu finden sind. Aus diesem Grund können sie von den Gravitationswirkungen ihrer größeren Begleiter beeinflusst werden. „Wir stellen eine innovative Methode zur Überprüfung des Standardmodells vor, die darauf beruht zu untersuchen, wie stark Zwerggalaxien durch die Schwerkraft von nahegelegenen größeren Galaxien gestört werden“, sagt Elena Asencio, Doktorandin an der Universität Bonn und Erstautorin der Studie. Solche Gezeiten entstehen, wenn die Schwerkraft eines Körpers auf verschiedene Teile eines anderen Körpers wirkt. Sie sind vergleichbar mit den Gezeiten auf der Erde – bestimmt durch den Mond, der wie ein Magnet an der ihm zugewandten Seite der Erde zieht.

Der Fornax-Haufen hat viele Zwerggalaxien. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass einige dieser Zwerggalaxien verzerrt erscheinen, als wären sie durch die Umgebung des Haufens gestört worden. „Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag. „Das liegt daran, dass nach diesem Modell die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“

Das Team analysierte das erwartete Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge, das von ihren inneren Eigenschaften und ihrer Entfernung zum gravitativen Zentrum des Haufens abhängt: Galaxien mit großer Größe, aber geringer stellarer Masse und Galaxien in der Nähe des Haufenzentrums werden leichter gestört oder zerstört. Die Ergebnisse verglichen sie mit dem Störungsgrad, beobachtet aus Bildern des VLT Survey Teleskops der Europäischen Südsternwarte.

Das Ergebnis des Vergleichs: „Um die Beobachtungen mit dem Standardmodell zu erklären, müssten die Fornax-Zwerge bereits durch die Gravitation des Haufenzentrums zerstört werden, selbst wenn die Gezeiten, die auf einen Zwerg wirken, vierundsechzigmal schwächer sind als die Eigengravitation des Zwergs“, sagt Elena Asencio. Das sei nicht nur der Intuition widersprechend, sondern widerspreche auch früheren Studien, die zeigten, dass die externe Kraft, die nötig ist, um eine Zwerggalaxie zu stören, ungefähr so groß ist wie die Eigengravitation des Zwergs.

Widerspruch zum Standardmodell
Daraus schlossen die Autorinnen und Autoren, dass es im Standardmodell nicht möglich ist, die beobachteten Erscheinungsformen der Fornax-Zwerge auf eine in sich widerspruchsfreie Weise zu erklären. Das Team wiederholte die Analyse mithilfe der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach dieser Theorie gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newton’schen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Drehgeschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Dr. Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

„Es ist aufregend zu sehen, dass die Daten, die wir mit dem Survey Teleskop erhalten haben, einen so gründlichen Test kosmologischer Modelle ermöglichen“, betonen die Koautoren Aku Venhola von der Universität Oulu (Finnland) und Steffen Mieske von der Europäischen Südsternwarte.

Es sei nicht das erste Mal, dass eine Studie, die die Auswirkungen der Dunklen Materie auf die Dynamik und Entwicklung von Galaxien untersucht, zu dem Schluss komme, dass die Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Pavel Kroupa, Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren.“

Dr. Hongsheng Zhao von der University of St. Andrews fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass wir mehr gestörte Zwerggalaxien in anderen Haufen finden, eine Vorhersage, die von anderen Teams überprüft werden sollte“.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die University of Saint Andrews (Schottland), die Europäische Südsternwarte (ESO), die Universität Oulu (Finnland) und die Karls-Universität in Prag (Tschechien) beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Universität Bonn, den britischen Science and Technology Facilities Council und den Deutschen Akademischen Austauschdienst.

Originalpublikation
Elena Asencio, Indranil Banik, Steffen Mieske, Aku Venhola, Pavel Kroupa & Hongsheng Zhao: The distribution and morphologies of Fornax Cluster dwarf galaxies suggest they lack dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; doi.org/10.1093/mnras/stac1765

https://arxiv.org/abs/2208.02265

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• Dunkle Materie

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Quelle: ETH Zürich 12. Juli 2022.

12. Juli 2022 – Die Gravitationskonstante G bestimmt die Stärke der Schwerkraft. Diese sorgt dafür, dass Äpfel zu Boden fallen, oder dass die Erde um die Sonne kreist. Isaac Newton hat vor über 300 Jahren das Gravitationsgesetz formuliert, in dem diese Naturkonstante vorkommt. Sie lässt sich nicht mathematisch herleiten, sondern nur experimentell ermitteln.

Obwohl Wissenschaftler*innen im Lauf der Zeit zahlreiche Experimente durchgeführt haben, um den Wert der Gravitationskonstante zu bestimmen, befriedigt der derzeit gültige Wert die Fachwelt nicht. Er ist noch immer ungenauer als der Wert jeder anderen fundamentalen Naturkonstante, zu denen etwa die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gehört.

Dass die Schwerkraft nur äußerst schwer zu fassen ist, hat damit zu tun, dass sie nur sehr schwach ist und sich auch nicht abschirmen lässt: Misst man die Schwerkraft zwischen zwei Körpern, misst man auch die Wirkung aller anderen Körper der Welt mit.

«Die einzige Möglichkeit diese Situation aufzulösen, besteht darin, die Gravitationskonstante mit möglichst vielen verschiedenen Methoden zu ermitteln», erklärt Jürg Dual, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. Er und seine Mitarbeitenden stellen nun in der Fachzeitschrift «Nature Physics» ein neues Experiment vor, mit dem sie die Gravitationskonstante erneut bestimmt haben.

Neuartiges Experiment in alter Festung
Um Störquellen möglichst auszuschließen, baute Duals Team die Messeinrichtung in der ehemaligen Festung Furggels bei Pfäfers ob Bad Ragaz (Schweiz) auf. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei in Vakuumkammern aufgehängten Balken. Den einen versetzen die Forschenden in Vibration. Durch die Gravitationskopplung begann auch der zweite Stab minimal (im Pikometerbereich – also ein Billionstel Meter) zu vibrieren. Die ETH-​Forschenden maßen schließlich mit Lasermessgeräten die Bewegung der beiden vibrierenden Balken und die Messung dieses dynamischen Effekts erlaubte Rückschlüsse auf die Größe der Gravitationskonstante.

Der Wert, den die Forschenden auf diese Weise ermittelten, liegt um 2,2 Prozent höher als die derzeit offizielle Größe, welche das Committee on Data for Science and Technology angibt. Allerdings ist der neue Wert mit einer großen Unsicherheit behaftet, räumt Dual ein: «Für einen zuverlässigen Wert muss diese Unsicherheit noch deutlich reduziert werden. Wir sind bereits daran, Messungen mit einem leicht veränderten Versuchsaufbau durchzuführen, um die Konstante G noch genauer bestimmen zu können. Erste Resultate sind verfügbar, aber noch nicht publiziert. «Wir sind auf dem richtigen Weg», bestätigt Dual.

Das Experiment läuft ferngesteuert von Zürich aus. Das reduziert Störungen durch Personal, das vor Ort anwesend ist, auf ein Minimum. Die Forschenden können die Messdaten jederzeit in Echtzeit anschauen.

Einblick in die Geschichte des Universums
Für ihn liegt der Vorteil der neuen Methode darin, dass die Schwerkraft über die vibrierenden Stäbe dynamisch gemessen werde. «Bei dynamischen Messungen spielt es im Gegensatz zu statischen keine Rolle, dass sich die von anderen Körpern wirkende Schwerkraft nicht abschirmen lässt», erklärt er. Er hofft daher, dass er und sein Team mit dem Experiment dazu beitragen können, das Rätsel der Gravitation zu knacken. Die Wissenschaft hat diese Naturkraft oder die Experimente, die sich darauf beziehen, noch immer nicht vollständig verstanden.

Ein besseres Verständnis der Gravitation würde es beispielsweise erlauben, die Signale von Gravitationswellen besser zu interpretieren. Solche Wellen konnten im Jahr 2015 in den LIGO-​Observatorien in den USA erstmals nachgewiesen werden. Sie waren das Resultat von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern, die in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zur Erde verschmolzen waren. Seither konnten Wissenschaftler*innen dutzende solche Ereignisse dokumentieren. Könnte man solche Ereignisse detailliert nachzeichnen, ließen sich neue Einblicke in das Universum und dessen Geschichte gewinnen.

Krönender Karriereabschluss
Jürg Dual beschäftigt sich seit 1991 mit Methoden zur Messung der Gravitationskonstante, stellte die Arbeit daran zwischenzeitlich aber wieder ein. Die Beobachtung von Gravitationswellen am LIGO verlieh seiner Forschung neuen Schub, und 2018 nahm er die Gravitationsforschung wieder auf. 2019 richtete die Gruppe das Labor in der Festung Furggels ein und setzte neue Experimente auf. Am Projekt beteiligt waren nebst den Wissenschaftlern aus Duals Gruppe auch Infrastrukturpersonal wie Reinraumspezialisten, ein Elektroingenieur und ein Mechaniker sowie eine Statistikerin. «Dieses Experiment ist nur dank eines jahrelangen Team-​Efforts zustande gekommen.»

Publikation
Brack T, Zybach B, Balabdaoui F, et al. Dynamic measurement of gravitational coupling between resonating beams in the hertz regime. Nature Physics, 11. Juli 2022. Doi: 10.1038/s41567-​022-01642-8
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01642-8

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: ZARM 14. Juni 2022.

14. Juni 2022 – Die Anlage bietet, ähnlich wie der Fallturm Bremen, die Möglichkeit wissenschaftliche Experimente unter Schwerelosigkeitsbedingungen durchzuführen. Der etwas kleinere GraviTower mit einer Versuchsdauer von 2,5 Sekunden kommt ohne Vakuum aus und bietet dadurch eine weitaus höhere Wiederholungsrate. Statt maximal drei Experimenten im Fallturm können im GraviTower bis zu 960 Wiederholungen am Tag stattfinden. Nachdem die ersten wissenschaftlichen Versuche erfolgreich absolviert wurden, wurde die Anlage am 14. Juni 2022 in einer Hybridveranstaltung der Öffentlichkeit präsentiert.

Seit über 30 Jahren prägt der Fallturm die Wissenschaftslandschaft für Forschung in der Schwerelosigkeit. Am Raumfahrtstandort Bremen bietet er Forschenden aus aller Welt die Möglichkeit für 9,3 Sekunden Experimente in Schwerelosigkeit durchzuführen – eine Experimentdauer, die weltweit unerreicht ist und eine exzellente Alternative zu den Forschungsmöglichkeiten im Weltraum darstellt.

Das neue und schnellere Weltraumlabor
Mit dem neuen GraviTower Bremen Pro wird dem Fallturm nun ein zweites leistungsstarkes Weltraumlabor an die Seite gestellt, welches statt einer langen Experimentdauer eine sehr hohe Wiederholungsrate bietet. Mit bis zu 960 Mikrogravitations-Experimenten am Tag eröffnet er den Wissenschaftler:innen ganz neue Möglichkeiten und festigt Bremens internationale Vorrangstellung auf dem Gebiet der Forschung unter Weltraumbedingungen.

Für die Durchführung der Experimente nutzt der GraviTower ein Schienensystem, und kann so auf das Vakuum, welches beim Bremer Fallturm vor jedem Versuch gezogen werden muss, verzichten. Das Besondere daran: Mit Hilfe eines Seilantriebs wird ein Schlitten als Träger der Experimentkapsel auf exakt die Geschwindigkeit beschleunigt, die er theoretisch während eines Katapultfluges im Vakuum des Fallturms erreichen würde. Auf diese Weise wird der störende Luftwiderstand kompensiert.

Durch den Schlitten wird die Experimentkapsel von der Umgebungsluft abgeschirmt. Beim Erreichen der Schwerelosigkeitsphase ist sie von dem sie umgebenden Schlitten komplett entkoppelt und befindet sich für 2,5 Sekunden berührungslos im freien Fall. In dieser Zeit gibt es innerhalb des Schlittens keine Luftbewegung, die den freien Fall der Experimentkapsel bremsen würde, sodass wir eine ähnlich hohe Qualität der Schwerelosigkeit erreichen wie im Fallturm. Gegen Ende des freien Falls wird die Experimentkapsel schließlich wieder an den Schlitten gekoppelt und beide werden durch den Seilantrieb abgebremst.

Seit dem 9. März 2022 führen Forscherteams im GraviTower sehr erfolgreich ihre Versuche durch, die bisher aus den Fachgebieten Feuersicherheit, Gravitationsphysik und Biologie stammen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wissenschaftler:innen sich bei der Nutzung der Mikrogravitationslabore des ZARM nicht zwischen einer langen Experimentdauer oder einer hohen Wiederholrate entscheiden müssen – das im Fallturm genutzte Experimentkapselsystem findet auch im GraviTower Anwendung, was die Kompatibilität der beiden Anlagen maximiert. Ein Experiment kann, ohne langen Umbau, vom Fallturm in den GraviTower übertragen werden.

Mit der Präsentation des Weltraumlabors am 14. Juni 2022 wurde der GraviTower zum ersten Mal feierlich der Öffentlichkeit präsentiert, auch wenn die Entwicklungsphase noch nicht final abgeschlossen ist. In naher Zukunft soll die Anlage durch eine künstliche Intelligenz, sowie reduzierte Gravitation, wie sie beispielsweise auf dem Mond oder Mars herrscht, erweitert werden.

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: DLR.

17. März 2022 – Am 17. März 2002 starteten die Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und mit ihnen die „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam.
Nach dem GRACE-Betriebsende im Jahr 2017 setzt die Folgemission „GRACE-Follow-On“ (FO) seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Überwachung der großen Veränderungen im „Ökosystem Erde“ erfolgreich fort. Die GRACE- und GRACE-FO-Daten sind heute eine der Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC).

Wenn wir Massen beobachten, wirken sie auf den ersten Blick starr und unbeweglich. Doch das täuscht, denn sie sind ständig in Bewegung: Im Erdinneren verschiebt sich flüssiges Gestein, Wasser verteilt sich in den Ozeanen und auf den Kontinenten in riesigen Mengen um und auch Luftmassen verwirbeln sich ständig. Diese ungleiche Verteilung führt jeweils dazu, dass sich die Erdanziehungskraft nicht gleichförmig über den Erdball verteilt. An Stellen mit mehr Masse ist das Gravitationsfeld geringfügig stärker als an anderen.

Seit dem Start der beiden GRACE-Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und dem Beginn der GRACE-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam am 17. März 2002 und der Nachfolgemission GRACE-FO erfassen die Satellitenduos diese langsamen Bewegungen ganz genau. „Mit den GRACE-Satelliten können wir erstmalig die Massentransporte im System Erde global erheben. Die Missionen GRACE und GRACE-FO haben jede kleine Veränderung in diesen Masseströmen so präzise erfasst, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Durch diese Messungen können wir vor allem die Folgen des Klimawandels besser verstehen, weil sich zum Beispiel das Schmelzen der Eismassen, die Veränderungen des Meeres- sowie des Grundwasserspiegels exakter bestimmen lassen“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn.

4,7 Billionen Tonnen Eis in Grönland geschmolzen
Das Grönlandeis schmilzt – und zwar viel schneller als gedacht. Pro Jahr verliert dieses Eisschild 277 Gigatonnen an Masse. Eine Gigatonne entspricht einem Würfel von einem Kilometer Kantenlänge. „In den letzten zwanzig Jahren hat die grönländische Eisdecke rund 4,7 Billionen Tonnen Eis verloren. Dänische Forscher haben diese Erkenntnisse anhand der langen GRACE-Datenreihen gewonnen, die auch regelmäßig in die Berichte des Weltklimarates IPCC einfließen. Im letzten Bericht ist GRACE die am dritt-häufigsten zitierte Satellitenmission. Das unterstreicht die Bedeutung, die diese Mission für die Klimaforschung hat“, betont Walther Pelzer. Doch nicht nur die Eisschmelze ist ein wichtiger Klimaindikator.

Mehrmonatige Trockenperioden im Amazonas und drastische Abnahmen des Grundwasserspiegels im Norden Indiens konnten mit den GRACE-Daten ebenso zuverlässig beobachtet werden wie der Anstieg des Meeresspiegels über zwei Jahrzehnte. Außerdem ist aus den GRACE-Daten die sogenannte „Potsdamer Schwerekartoffel“ entstanden. Dieser „Gravitationsglobus“ zeigt, dass das Schwerefeld der Erde nicht gleichmäßig verteilt ist. Dank dieses dreidimensionalen Geoids werden die Abweichungen der Erdgestalt deutlich sichtbar. Besonders stark ist der Einfluss der Schwerkraft demnach über dem Himalaja und dem Nordatlantik, dagegen eher schwach über dem Indischen Ozean und den Kleinen Antillen.

Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie genau messen diese Satelliten eigentlich die Massentransporte? Der Clou ist, dass Massen bei GRACE und GRACE-FO alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung erfasst werden. Die beiden Satelliten flogen beziehungsweise fliegen jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanz und Geschwindigkeit der beiden Satelliten werden dabei mithilfe von Mikrowellen und einem Laser ständig ganz exakt gemessen. Die Genauigkeit von ein bis zwei Mikrometern entspricht dabei etwa einem Hundertstel der Dicke eines Blattes Druckerpapier. „Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – üben mit ihren Massen eine Gewichtskraft aus. Ist sie stärker, wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch wird er schneller und entfernt sich vom anderen Satelliten.

Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Geringere Massen beschleunigen den voranfliegenden Satelliten weniger und bewirken wieder eine Annäherung. Im übertragenen Sinne können wir mit den Satelliten wiegen, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat abnehmen oder zunehmen“, erklärt Peter Schaadt, GRACE-FO-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht im All, sondern anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden, wobei die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt werden.

„Tom“ und „Jerry“ in sicheren Händen des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums
Nach dem Start der beiden GRACE-Satelliten am 17. März 2002 wurden „Tom“ und „Jerry“ in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Schon etwa 70 Sekunden später fand die erste Kontaktaufnahme mit der DLR-Bodenstation in Weilheim statt. Die ersten Daten der Satelliten wurden über ein Kommunikationsnetzwerk direkt und ohne Verzögerung zum Raumfahrt-Kontrollzentrum des DLR in Oberpfaffenhofen bei München geschickt. Dort begann dann die „Akquisitionsphase“ der Satelliten.

Diese erste frühe Phase nach dem Start übernahm das Kontrollzentrum auch 2018 bei der Folgemission GRACE-FO, wie Sebastian Löw, Projektleiter des GRACE-FO Bodensegments vom DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining, erzählt: „Wir haben die Bahnparameter bestimmt, den Zustand von GRACE analysiert, die Funktionsbereitschaft aller Systeme getestet sowie deren Konfiguration für ihre eigentlichen wissenschaftlichen Aufgaben. In der Akquisitionsphase haben wir außerdem die autonomen Bordsysteme zur Positions- und Lagebestimmung sowie die bordeigenen Sternsensoren und das Lageregelungssystem in Betrieb genommen.“ Die Betriebsaufgaben waren für beide Missionen, GRACE und GRACE-FO, identisch.

In den ersten beiden Wochen nach den Starts befahl das Betriebsteam dann jeweils mehrere Bahnmanöver, um den relativen Abstand der Satelliten auf 220 Kilometer einzustellen. Die Kontrolle dieses Formationsfluges erfordert regelmäßige Korrekturmanöver in Intervallen von einigen Wochen. Dafür und zur Satellitenkontrolle während der Mission werden die beiden Antennen der DLR-Bodenstation Weilheim genutzt – unterstützt in den ersten 30 Tagen vom Polar-Netzwerk der NASA. Nach einer zweiwöchigen Testphase lag dann die Kontrolle und der Betrieb der beiden GRACE Satelliten in der Hand des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums. Alle empfangenen Daten wurden im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Neustrelitz weiterverarbeitet, archiviert und an die wissenschaftlichen Auswertezentren verteilt.

20 Jahre erfolgreiche Deutsch-Amerikanische Kooperation – ein Erfolgsmodell für die Zukunft
Die Bedeutung der Klimazeitreihenmessungen von GRACE und GRACE-FO für die Klimaforschung ist essenziell. Deshalb arbeiten NASA, das DLR und das GFZ gemeinsam mit Max-Planck-Instituten an der Vorbereitung einer nächsten Mission, die die Beobachtungen im Anschluss an GRACE-FO fortsetzen soll. „Die Kooperation mit der NASA in der Erdbeobachtung ist ein großartiges Zeichen für die gemeinsamen Ziele, die die USA und Deutschland in der Klimapolitik verfolgen wollen“, unterstreicht DLR-Vorstandsmitglied Walther Pelzer. „Die Beauftragung des Satellitenbaus durch die NASA ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit der deutschen Raumfahrtindustrie.“

GRACE und GRACE-FO – zwei erfolgreiche Missionen
GRACE war eine gemeinsame Mission der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant dauerte. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die „University of Texas“ und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde finanziert vom DLR, der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ. Das JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger für die Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen.

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• DLR

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Quelle: TU Dresden.

16. März 2022 – Aus kleinen Veränderungen der Erdanziehungskraft ermitteln Wissenschaftler der TU Dresden Massenänderungen der Eisschilde in Grönland und Antarktika. Datenreihen dieser Eismassenänderungen stellt das Institut für Planetare Geodäsie der TU Dresden auch im Auftrag der Europäischen Weltraumagentur ESA bereit.

“GRACE” steht für „Gravity Recovery and Climate Experiment“. Die GRACE-Mission endete 2017 und wird seit 2018 durch die Mission „GRACE Follow-On“ fortgesetzt. GRACE und GRACE Follow-On funktionieren nach demselben Prinzip: Zwillingssatelliten folgen einander in ihrer Umlaufbahn in einem Abstand von etwa 200 km. Die Schwankungen dieses Abstandes werden gemessen, und zwar auf einen Tausendstel Millimeter genau. Da die Schwankungen dieses Abstands durch die Unregelmäßigkeiten der Erdanziehungskraft hervorgerufen werden, kann diese bis in die kleinsten Feinheiten bestimmt werden. Die unmittelbaren Messungen, sozusagen die Rohdaten, bearbeiten u.a. die Kolleg*innen am Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum und liefern damit die Ausgangsdaten für die Analysen der Dresdener Geodäten.

Von 2002 bis 2021 hat der Grönländische Eisschild rund 5000 Milliarden Tonnen Masse verloren, der Antarktische Eisschild rund 1800 Milliarden Tonnen. Eine Milliarde Tonnen entspricht der Masse eines Kubikkilometers Wasser. Das Schmelzwasser vermehrt die Wassermassen des Ozeans und sorgt für rund ein Viertel des globalen Meeresspiegelanstiegs.

Martin Horwath, Professor für Geodätische Erdsystemforschung, erklärt: „Messen liefert Fakten. Die Bestimmung von Eismassenänderungen mit Hilfe der Gravitationskraft ist ein einzigartiges Verfahren, weil uns dabei eigentlich keine Änderungen entgehen können. In Verbindung mit weiteren Satellitenmethoden, z.B. der Vermessung von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten, liefert diese Methode ein detailliertes Bild gegenwärtiger Änderungen der Eisschilde.“

„Die Abnahme von Eis auf den Kontinenten führt zur Zunahme der Wassermassen der Ozeane. Und auch diese können wir mit Hilfe ihrer Gravitationswirkung messen.“

„In den resultierenden Datenreihen stecken viele Jahre Entwicklungen der Auswertemethodik. Und die Ergebnisse sind auf unserem Datenportal frei zugänglich, für Schüler*innen ebenso wir für Klimaforscher*innen.“

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: TU Dresden.

15. März 2022 – Jede und jeder kennt die Anekdote von Newton und dem Apfel. Da die Gravitation eine Wechselwirkungskraft ist, wird die Erde auch von dem Apfel angezogen. Damit ist klar, dass auch kleine Massenänderungen zu einer Veränderung des Schwerefelds führen.

Um diese kleinen Änderungen aufzuspüren, war ein Team aus deutschen und argentinischen Wissenschaftlern im südlichen Patagonien, in der argentinischen Provinz Santa Cruz unterwegs. Wissenschaftler der TU Dresden (TUD), des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) Leipzig, der Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und des Argentine-German Geodetic Observatory (AGGO) haben die fünfwöchige Messkampagne Anfang März 2022 beendet und danach die mehr als 2.700 km lange Rückfahrt von El Calafate nach La Plata angetreten.

Im südlichen Patagonien, im Grenzgebiet zwischen Argentinien und Chile, befindet sich mit den Patagonischen Eisfeldern die größte zusammenhängende Eismasse auf der südlichen Hemisphäre außerhalb Antarktikas. Diese Eisfelder sind erheblichen Massenverlusten ausgesetzt, die größtenteils auf den Klimawandel, aber auch auf die natürliche Klimavariabilität und andauernde dynamische Ausgleichsvorgänge seit dem letzten glazialen Maximum zurückzuführen sind. Welche Anteile diesen verschiedenen Ursachen tatsächlich zugeschrieben werden können, ist eine der wichtigen offenen Fragen, zu denen aktuell geforscht wird und dieses Projekt einen Beitrag liefern soll.

Diese Massenänderungen erreichen eine Größenordnung von bis zu einem Fünftel der Antarktischen Eismassenverluste und bewirken sowohl eine Veränderung des Schwerefelds als auch Deformationen der Erdkruste. Letztere äußern sich in einer Krustenhebung von bis zu 4 cm pro Jahr, ermittelt durch vorhergehende Messungen der TUD-Wissenschaftler. Erschwert wird die Detektion dieser resultierenden Änderungen aber durch eine komplizierte tektonische Situation: Ungefähr 150 km nordwestlich des Nördlichen Patagonischen Eisfelds treffen drei tektonische Platten aufeinander. Wo die divergente Plattengrenze zwischen der Antarktischen und Nazca-Platte unter die Südamerika-Platte abtaucht (subduziert), öffnet sich ein Asthenosphären-Fenster, was zu außergewöhnlichen, bisher nur unzureichend verstandenen Massenumverteilungen im Erdinneren führt.

Als wichtigste Größe wurde der Schwerewert an acht Messpunkten bestimmt, von der Atlantikküste in Puerto San Julian bis zum östlichen Rand des südpatagonischen Eisfelds mit dem Glaciar Perito Moreno als bekanntestem Gletscher. Dafür wurde ein Absolutgravimeter des Typs Micro-g LaCoste FG5 eingesetzt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerebeschleunigung mit einer extrem hohen Genauigkeit von nahezu einem Milliardstel der Erdschwere zu bestimmen. Ergänzt werden diese Messungen durch Relativschweremessungen mit einem Scintrex CG5-Gravimeter zur Bestimmung von lokalen Schweregradienten und Anschlüssen an Sicherungspunkte bzw. Punkte des argentinischen Schwerenetzes (RAGA) sowie durch präzise GPS-Messungen zur Bestimmung der Krustendeformation. Eine Besonderheit stellen Wasserstandsmessungen mittels GPS-Reflektometrie an den großen patagonischen Seen und der Atlantikküste dar: Die indirekt empfangenen, an der Wasseroberfläche reflektierten Signale der GPS-Satelliten werden in der Auswertung dazu genutzt, die Höhe des Wasserspiegels und damit den Gravitationseffekt von Füllstandsänderungen des jeweiligen Gewässers zu bestimmen.

„Um die Schwereänderungen aufgrund der Massenverluste zu detektieren, ist nach dieser bereits zweiten mindestens eine weitere Messkampagne notwendig“, sagt Thorben Döhne, Doktorand an der Professur für Geodätische Erdsystemforschung, verantwortlich vor allem für die Relativschweremessungen. „Allerdings stellen die Wetterbedingungen, vor allem mit den heftigen, andauernden Winden, und die nicht immer einfachen logistischen Umstände, z.B. beim Transport von Mensch und Material über unbefestigte Straßen und Furten, besondere Herausforderungen an ein solche Messkampagne“, berichtet Andreas Richter, ehemals an der TU Dresden und nun an der UNLP tätig. Die Forscher hoffen, indem sie die absolut gemessenen Schwereänderungen und die mittels GPS bestimmten Krustendeformationen ins Verhältnis setzen, neue Einsichten in die Struktur des Erdinneren und die Natur der beobachteten Deformationsprozesse zu gewinnen. „Außerdem wird es helfen, die an der Erdoberfläche durchgeführten, also bodengebundenen Messungen mit satellitengeodätischen Messungen der Massenbilanz und Höhenänderung der Patagonischen Eisfelder zu verknüpfen“, ergänzt Döhne.

Das Forschungsvorhaben „Gravimetrische Bestimmung der Reaktion der festen Erde auf Eismassenänderungen in Süd-Patagonien“ wird gemeinsam von Mirko Scheinert (TU Dresden) und Axel Rülke (BKG Leipzig) geleitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft durch eine Sachbeihilfe finanziert.

Dank
Die beteiligten Wissenschaftler bedanken sich ausdrücklich für die Unterstützung durch die Universidad Nacional de La Plata, Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (Dekan: Prof. Raúl Perdomo), das Argentinisch-Deutsche Geodätische Observatorium (Wissenschaftlicher Direktor: Prof. Claudio Brunini), das Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie das Instituto Geográfico Nacional (Direktor: Sergio Cimbaro).

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• Klimawandel

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Quelle: Universität Bonn.

4. Februar 2022 – Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt, wie das Weltall nach Ansicht der meisten Physikerinnen und Physiker entstanden ist. Forschende der Universität Bonn haben nun auf seiner Basis die Entwicklung der Galaxien untersucht. Dabei sind sie auf erhebliche Abweichungen zu tatsächlichen Beobachtungen gestoßen. An der Studie waren auch die Universität von St. Andrews in Schottland sowie die Karls-Universität in Tschechien beteiligt. Die Ergebnisse sind jetzt im Astrophysical Journal erschienen.

Die meisten Galaxien, die von der Erde aus sichtbar sind, ähneln einer flachen Scheibe mit verdicktem Zentrum. Sie gleichen also in etwa dem Sportgerät eines Diskuswerfers. Laut Standardmodell der Kosmologie sollten solche Scheiben aber eher selten entstehen. Denn ihm zufolge ist jede Galaxie von einer Art Heiligenschein aus dunkler Materie umgeben. Dieser Halo ist unsichtbar, übt jedoch aufgrund seiner Masse eine starke Anziehungskraft auf Galaxien in der Umgebung aus. „Daher kommt es immer wieder dazu, dass Galaxien miteinander verschmelzen“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Dieser Crash bewirke zweierlei, erläutert der Physiker: „Zum Einen durchdringen sich die Galaxien dabei, wodurch die Scheiben-Form zerstört wird. Zum Zweiten verringert sich durch ihn der Drehimpuls der durch die Fusion entstandenen neuen Galaxie.“ Vereinfacht gesagt, nimmt dadurch ihre Rotationsgeschwindigkeit stark ab. Die Drehbewegung sorgt normalerweise dafür, dass sich durch die dabei wirkenden Fliehkräfte eine neue Scheibe formiert. Ist der Drehimpuls dazu zu schwach, passiert das jedoch nur sehr langsam oder unterbleibt ganz.

Große Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität
In der aktuellen Studie hat Kroupas Doktorand Moritz Haslbauer eine internationale Forschungsgruppe geleitet, um den Werdegang des Universums anhand der aktuellsten Superrechner-Simulationen zu untersuchen. Die Berechnungen basieren auf dem Standardmodell; sie zeigen, welche Galaxien sich bis heute hätten bilden müssen, sollte diese Theorie korrekt sein. Ihre Ergebnisse verglichen die Forscher dann mit den momentan wohl genauesten Beobachtungsdaten des von der Erde sichtbaren Universums.

„Dabei sind wir auf eine erhebliche Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität gestoßen“, sagt Haslbauer: „Es gibt augenscheinlich deutlich mehr flache Scheibengalaxien, als sich durch die Theorie erklären lässt.“ Allerdings ist die Auflösung von Simulationen auch auf heutigen Supercomputern begrenzt. Es kann daher sein, dass die Zahl der Scheibengalaxien, die im kosmologischen Standardmodell entstehen würden, unterschätzt wurde. „Selbst wenn wir diesen Effekt berücksichtigen, bleibt aber ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung“, betont Haslbauer.

Anders sieht es bei einer Alternative zum Standardmodell aus, die ohne Dunkle Materie auskommt. Nach der sogenannten MOND-Theorie (das Kürzel steht für „Theorie der MilgrOmscheN Dynamik) wachsen Galaxien nicht, indem sie miteinander verschmelzen. Stattdessen entstehen sie aus rotierenden Gaswolken, die sich mehr und mehr verdichten. Auch in einem MOND-Universum werden Galaxien immer größer, indem sie Gas aus der Umgebung aufnehmen. Fusionen ausgewachsener Galaxien wie im Standardmodell sind aber selten. „Unsere Bonn-Prag-Forschungsgruppe hat die weltweit einzigartige Fähigkeit aufgebaut, diese Alternative ebenfalls durchzurechnen“, sagt Kroupa, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn ist. „Die Vorhersagen von MOND entsprechen dem, was wir tatsächlich sehen.“

Herausforderung für das Standardmodell
Allerdings sind die genauen Mechanismen des Galaxien-Wachstums auch bei MOND noch nicht vollständig verstanden. Zudem haben in MOND die Newton’schen Gravitationsgesetze unter bestimmten Umständen keine Gültigkeit, sondern müssen abgeändert werden. Das hätte weitreichende Konsequenzen auch für andere Bereiche der Physik. „Dennoch löst die MOND-Theorie alle bekannten extragalaktisch-kosmologischen Probleme“, sagt Dr. Indranil Banik, der maßgeblich an diesen Untersuchungen beteiligt war. „Unsere Studie belegt, dass junge Physikerinnen und Physiker auch heute noch die Chance haben, bedeutende Beiträge zur fundamentalen Physik zu leisten“, ergänzt Kroupa.

Publikation:
Moritz Haslbauer, Indranil Banik, Pavel Kroupa, Nils Wittenburg und Behnam Javanmardi: The high fraction of thin disk galaxies continues to challenge ΛCDM cosmology; Astrophysical Journal; DOI: 10.3847/1538-4357/ac46ac;
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac46ac
https://arxiv.org/abs/2202.01221

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover.

6. Dezember 2021 – Heute um kurz nach 9 Uhr startete im Norden Schwedens nahe der lappländischen Stadt Kiruna vom Raketenstartplatz ESRANGE (European Space and Sounding Rocket Range) eine Höhenforschungsrakete des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) für einen knapp viertelstündigen Parabelflug. Die Rakete erreichte eine Höhe von etwa 259 Kilometern und kehrte anschließend per Fallschirm auf die Erde zurück. Aufgrund der tiefen Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Celsius war es bisher noch nicht möglich, die Rakete mit dem Helikopter zu bergen. Etwa sechs Minuten des Fluges befand sich die Rakete in der Schwerelosigkeit. Unter anderem mit an Bord: Ein Experiment, das Gravitationsbiologen des DLR gemeinsam mit Forschenden des Instituts für Tierökologie der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo) durchführten. Sie untersuchten das Verhalten von Trichoplax adhaerens in der Schwerelosigkeit. Es ist das erste Mal, dass der Modellorganismus Trichoplax ins All geflogen ist.

Um das Verhalten von Trichoplax in der Schwerelosigkeit beobachten zu können, installierten die Forschenden in einem der Modultöpfe, aus denen die Rakete unter anderem zusammengesetzt ist, ein Mikroskop. „Wir waren sehr gespannt, wie sich das Tierchen in der Schwerelosigkeit verhalten wird“, sagt Professor Dr. Bernd Schierwater, der das Institut für Tierökologie an der TiHo leitet und bereits seit 30 Jahren mit Trichoplax arbeitet. „Welche Effekte hat die Gravitation auf den Organismus oder speziell, wie gerichtet wachsen die Zellen, wenn der Richtungsgeber Schwerkraft entfällt?“ In Schweden vor Ort sind Dr. Jens Hauslage vom DLR und Moritz Schmidt und Pia Reimann, die beide ihre Doktorarbeit im Institut für Tierökologie anfertigen. Um das Verhalten von Trichoplax auf der Erde und in der Schwerelosigkeit miteinander vergleichen zu können, zeichnete eine Kamera am Mikroskop auf, wie sich der einfache Vielzeller in der Schwerelosigkeit bewegt.

Trichoplax adhaerens spielt in der Evolutionsforschung eine wichtige Rolle. Die Tiere haben die primitivste Struktur unter den Vielzellern und gelten als Ursprungsorganismen aller Tiere. Es ist nur wenige Millimeter groß und weltweit in allen warmen Meeren zu Hause. Die Tiere besitzen keine Körperachse, also weder Kopf noch Rumpf. In ihrem abgeflachten, scheibenförmigen Körper finden sich auch keine Gewebe oder Organe. Sie bewegen sich im seichten Wasser amöbenartig über Steine oder Korallen fort, dabei verändern sie fortlaufend ihre Form.

Das Genom von Trichoplax adhaerens ist mit nur 97 Millionen Basenpaaren das kleinste Genom, das bei vielzelligen Tieren (Metazoa) bekannt ist. Das sind nur etwa ein Zehntel so viel Gene wie der Mensch besitzt. Schierwater veröffentlichte die Sequenz des Genoms im Jahr 2008 gemeinsam mit amerikanischen Forschenden. Es weist einige Überraschungen auf: Obwohl Trichoplax weder Sinnes- noch Nervenzellen oder sogar Augen, besitzt, finden sich beispielsweise im Genom ein ganzes Dutzend Opsingene. Diese Gene spielen eine Rolle bei der Lichtwahrnehmung. Vorhanden sind auch eine Vielzahl von sogenannten Achsen- und Symmetrie-Genen, die bei höheren Tieren die Kopf-Schwanz- und Bauch-Rücken-Achse festlegen. Und das obwohl Trichoplax weder Symmetrien noch Körperachsen besitzt. Da Trichoplax alle prinzipiellen Gene besitzt, die auch beim Menschen vorkommen, eignet es sich gut als Modellorganismus, um grundlegende Mechanismen zu untersuchen. Schierwater und Kollegen interessiert speziell die Entstehung von Krebs. Genetische Studien im All können beispielsweise helfen, die Gene zu finden, die unkontrolliertes Krebswachstum auslösen.

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• Hoehenforschungsraketen

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Quelle: TU Clausthal.

6. Juli 2021 – Für Professor Jens Günster war es schon ein bekanntes Szenario: als der Flug im Airbus A310 zwischen 7600 und 8500 Höhenmetern plötzlich für mehr als 20 Sekunden in die Schwerelosigkeit überging. Wie bereits in den Jahren 2017 und 2018 nahm der Materialwissenschaftler, der an der TU Clausthal sowie an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) tätig ist, auch in 2021 an einer Parabelflug-Kampagne teil. Das Programm – in diesem Jahr von der Europäischen Raumfahrt Agentur ESA vom Flughafen Paderborn-Lippstadt aus durchgeführt – ermöglicht es der Wissenschaft, Experimente unter Bedingungen vorzunehmen, die der Schwerelosigkeit gleichkommen.

Die aktuellen Flüge fanden in der vergangenen Woche statt. Im Rahmen eines innovativen Forschungsprojektes mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt setzte Professor Günster dabei eine Versuchsreihe zum Thema additive Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck in der Schwerelosigkeit fort. Mit an Bord war nicht nur wieder ein Drucker, der von der Clausthaler Firma DHM Prüfsysteme hergestellt wurde. Mit an Bord war dieses Mal auch der Inhaber des Unternehmens, Dr. Harald Müller, ein Alumnus der TU Clausthal.

In einem Labor der Universität hatte das Team die Experimente vorbereitet. Später in der Erdatmosphäre wurden Drucker, Software und Druckprozess dann unter den Anziehungskraft-Bedingungen von Mond und Mars getestet. Diese Gravitationen werden durch bestimmte Flugmanöver (siehe Grafik) erreicht. So kann die Marsgravitation für rund 30 Sekunden simuliert werden. Unter Bedingungen wie im Weltall haben die Clausthaler beispielsweise erfolgreich getestet, wie sich ein Schraubenschlüssel per 3D-Druck herstellen lässt. Die Ergebnisse der Experimente können Astronauten bei zukünftigen Weltraumissionen helfen, wenn sie Ersatzteile herstellen müssen.

Das Flugzeug für die Parabelflüge war die einstige „Konrad Adenauer“ aus der Flugbereitschaft des Bundes. Nach dem Umbau bietet der Airbus Platz für zehn bis dreizehn verschiedene Experimente und deren Teams. Daneben sei geschultes Personal an Bord, das die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler absichere, erläuterte Günster. „Teilweise lasten bei den Manövern bis zu 2 g auf uns“, so der Clausthaler, den auch Mitarbeiter der BAM begleiteten. Bei den jeweils sechs Stunden andauernden Flügen werden bis zu 31 Parabelmanöver absolviert. Dieses Programm wird an mehreren Tagen wiederholt, so dass es für die Beteiligten mit einer großen körperlichen Belastung einhergeht. Nach dem Abschluss der Flüge waren sich die Clausthaler und BAM-Mitarbeiter einig: „Die Parabelflüge sind eine überragende Erfahrung. Die Experimente und das Erlebnis lassen die körperlichen Strapazen schnell vergessen.“

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• Parabelflüge

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