Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 2. Februar 2023.

2. Februar 2023 – In einer Untersuchung der Zusammensetzung der oberen Atmosphäre der Erde wurde ein erhöhtes Vorkommen des Sauerstoff-18-Isotops (¹⁸O) nachgewiesen – eine Art von Sauerstoff, dessen Atome 10 Neutronen anstelle der acht Neutronen enthalten, die in Sauerstoff-16 (¹⁶O), dem häufigsten Isotop des Elements, vorkommen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Sauerstoff in der unteren Erdatmosphäre aufgrund biologischer Prozesse einen höheren Anteil an ¹⁸O aufweist als die Sauerstoffatome im Ozean. Inwieweit dieser Effekt in der oberen Atmosphäre fortbesteht, die einer stärkeren Störung durch die UV-Strahlung der Sonne und den Sonnenwind ausgesetzt ist, blieb bisher ein Rätsel.

In einem neuen Experiment haben Helmut Wiesemeyer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und seine Kollegen zum ersten Mal den ¹⁸O-Anteil in der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre gemessen. Sie nutzten dazu den GREAT-Empfänger an Bord der fliegenden Sternwarte SOFIA und konnten feststellen, dass der ¹⁸O-Anteil in der oberen Atmosphäre dem der unteren Atmosphäre sehr ähnlich ist. Ein besseres Verständnis, inwieweit biologische Effekte die Erdatmosphäre durchdringen, könnte den Forschern eines Tages helfen, ihre Suche nach möglichen Anzeichen von Leben auf anderen Planeten zu verfeinern.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review Research“ präsentiert.

Wo verläuft die Grenze zwischen der Erdatmosphäre und dem Weltraum? Eine scheinbar einfache Frage, auf die es jedoch keine eindeutige Antwort gibt. In der Luft- und Raumfahrt wird auf die so genannte Kármán-Linie verwiesen, die bei einer Höhe von 100 km über dem Meeresspiegel verläuft. Es handelt sich dabei um eine Höhe, in der der hydrodynamische Auftrieb definitiv aufhört, oder in der Satelliten aufgrund der Reibung mit der Luft in der oberen Atmosphäre noch keine stabile Umlaufbahn um die Erde einnehmen können. Andererseits wurde erst kürzlich ein magnetosphärischer Wind entdeckt, der von der Ionosphäre der Erde bis zum Mond vordringt und die Isotopenzusammensetzung des Mondbodens, der dem Sonnenwind ausgesetzt ist, kontaminiert.

Dieser terrestrische Fingerabdruck könnte als einzigartig im Sonnensystem gelten, da er möglicherweise eine Signatur der biologischen Aktivität auf der Erde trägt. In der Tat gibt es in der unteren Atmosphäre im Verhältnis zum leichteren und häufigeren Isotop ¹⁶O mehr schweren Sauerstoff (¹⁸O) als im Meerwasser. Diese Ungleichheit ist als Dole-Effekt bekannt und lässt sich folgendermaßen verstehen: Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt der Photosynthese und übernimmt seine Isotopenzusammensetzung von derjenigen des beteiligten Wassers, während die Atmung bevorzugt die leichtere Version des Sauerstoffs zerstört. Durch eine effiziente vertikale Durchmischung wird diese gut untersuchte Biosignatur bis in die Stratosphäre getragen. Eine weitere Durchmischung der Luft in die noch höheren Atmosphärenschichten (Mesosphäre und Thermosphäre) wurde bereits vor einem Jahrzehnt nachgewiesen. Die Thermosphäre ist der Ausgangspunkt für den Wind von Sauerstoffionen, die in die Plasmaschicht der Erde eindringen, doch ist ihre isotopische Sauerstoffzusammensetzung noch unbekannt.

„Bei unserem Versuch, die Isotopenzusammensetzung von Sauerstoff in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde aus der Ferne zu messen, nutzen wir einen relativistischen Effekt, durch den sich der elektronische Grundzustand von atomarem Sauerstoff in drei Feinstrukturniveaus aufspaltet“, sagt Helmut Wiesemeyer vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), der Erstautor der Veröffentlichung. „Strahlungsübergänge von einem Quantenzustand in einen anderen erzeugen infrarote Spektrallinien. Sie werden weiter aufgespalten, wenn man dem Kern ein oder zwei Neutronen hinzufügt: Der Schwerpunkt des Atoms verschiebt sich, was zu einer leichten Veränderung der charakteristischen Frequenzen der Feinstrukturlinien führt.“

Diese Spektrallinien, die in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde entstehen, erscheinen in starker Absorption gegen helle Infrarotquellen im Hintergrund und liefern daher wertvolle Fingerabdrücke der Chemie in diesen Regionen der Atmosphäre. „Zum ersten Mal konnten wir die spektroskopische Signatur der Isotopenverschiebung in Spektrallinien von atomarem Sauerstoff in der Natur identifizieren, in einer Umgebung, die weit von erdgebundenen Laboren entfernt ist. Es ist zu hoch für Ballons und zu niedrig für Satelliten in der Erdumlaufbahn. Das erschwert Untersuchungen an Ort und Stelle ganz erheblich“, erklärt Rolf Güsten, ebenfalls vom MPIfR, bis 2018 der Hauptverantwortliche für das GREAT-Instrument, das an Bord von SOFIA den Nachweis ermöglichte. „Unsere Beobachtungen erlauben es jedoch, die Spektrallinie von ¹⁸O im Terahertz-Bereich in Absorption gegen den Mond zu identifizieren.“

„Hier schließt sich der Kreis: Die Stärke der Spektrallinie von schwerem Sauaerstoff im Vergleich zu derjenigen des Hauptisotops ¹⁶O ermöglicht es uns, die relative Häufigkeit beider Spezies aus der Ferne zu messen“, ergänzt Jürgen Stutzki von der Universität Köln, der im Oktober 2018 die Leitung des GREAT-Projekts übernommen hat. „Aus den Messungen des Stratosphärenobservatoriums leiten wir Werte ab, die für die untere Atmosphäre typisch sind, aber nicht für den Sonnenwind, der dort dominiert, wo das interplanetare Magnetfeld dasjenige der Erde ablöst.“

Doch eine endgültige Entscheidung steht noch aus: mit der Empfindlichkeit der publizierten Messungen kann noch nicht entschieden werden, ob das biogene Isotopenverhältnis des molekularen Sauerstoffs in der Troposphäre oder das Isotopenverhältnis des stratosphärischen Ozons aufgespürt wird. Um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, sind weitere Messungen erforderlich. Ein lohnendes Unterfangen, auch deshalb, weil der Ursprung des Isotopenverhältnisses von Ozon noch nicht vollständig geklärt ist. Man nimmt an, dass es durch eine Klasse schneller chemischer Reaktionen entsteht, die Isotope zwischen ihren Partnern austauschen.

„Wir zeigen, dass diese Reaktionen in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre mit inelastischen Kollisionen konkurrieren, die Quantenzustände anregen, ohne die elektrische Ladung oder chemische Bindungen zu verändern. Dieser Wettbewerb führt dazu, dass die Grundzustände von ¹⁸O anders besetzt werden als diejenigen von ¹⁶O, die sich in einem thermodynamischen Gleichgewicht befinden“, sagt Heinz-Wilhelm Hübers vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. „Die relativen Stärken der gemessenen Spektrallinien sind entscheidend für den Nachweis dieses Ungleichgewichts. Zusammen mit empirischen Daten der Sauerstoffkonzentration in der Hochatmosphäre kann unsere Bestimmung der Isotopenfraktionierung korrigiert werden. Unsere Beobachtungen mit dem Ballonexperiment OSAS-B gehen in diese Richtung.“

Auf den ersten Blick scheint die Notwendigkeit einer solchen Korrektur die Analyse unnötig kompliziert zu machen. Auf den zweiten Blick bietet sie jedoch ein Instrument zur näheren Untersuchung der schnellen Isotopenaustauschreaktionen zwischen atomarem und molekularem Sauerstoff, die der Bildung von Ozon vorangehen. Dazu ist ein weiterer Stoff als Katalysator erforderlich, der in der Stratosphäre reichlich vorhanden ist, aber in größeren Höhen immer seltener wird. Nicht zuletzt implizieren von der Quantentheorie vorgegebene Auswahlregeln eine starke Temperaturabhängigkeit der Stoßanregung, die mit dem Austausch von Isotopen konkurriert. Dieser Effekt könnte letztlich zur Untermauerung empirische Modelle der oberen Atmosphäre genutzt werden.

„Zur Zeit sind wir noch nicht so weit. Um zu einem endgültigen Ergebnis zu kommen, sind noch weitere Experimente am Infrarothimmel erforderlich, die auf den erfolgreichen Beobachtungsprogrammen von SOFIA aufbauen“, schließt Helmut Wiesemeyer.

Hintergrundinformation:
SOFIA: Die fliegende Sternwarte SOFIA war ein Flugzeug vom Typ Boeing 747SP, das für den Transport eines Teleskops mit einem Durchmesser von 2,7 m umgebaut wurde. Es war ein gemeinsames Projekt der „National Aeronautics and Space Administration“ (NASA) in den USA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das „Ames Research Center“ der NASA im kalifornischen Silicon Valley leitete das SOFIA-Programm, die Wissenschaft und den Missionsbetrieb in Zusammenarbeit mit der „Universities Space Research Association“ (USRA) mit Hauptsitz in Columbia, Maryland, und dem Deutschen SOFIA-Institut (DSI) an der Universität Stuttgart. Das Flugzeug wurde vom Hangar 703 des „Armstrong Flight Research Center“ der NASA in Palmdale, Kalifornien, gewartet und betrieben.

GREAT: Der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“ (Deutscher Empfänger für Astronomie bei Terahertz-Frequenzen) ist ein hochauflösendes Spektrometer für astronomische Beobachtungen im fernen Infrarotbereich von 0,06 bis 0,60 mm Wellenlänge. Dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist aufgrund der Absorption in der Erdatmosphäre für bodengebundene Observatorien im Allgemeinen nicht zugänglich. Der modulare Aufbau des Instruments ermöglicht es, neue technologische Entwicklungen auch kurzfristig zu integrieren. GREAT wurde von 2011 bis 2022 an Bord von SOFIA betrieben. GREAT wurde vom Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und dem I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln entwickelt, in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. Die Entwicklung von GREAT wurde von den beteiligten Instituten, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

Das Autorenteam umfasst Helmut Wiesemeyer, Rolf Güsten, Rebeca Aladro, Bernd Klein, Heinz-Wilhelm Hübers, Heiko Richter, Urs U. Graf, Matthias Justen, Yoko Okada und Jürgen Stutzki. Die ersten vier Autoren sind Mitarbeiter des MPIfR.

Originalveröffentlichung
First detection of the atomic ¹⁸O isotope in the mesosphere and lower thermosphere of Earth
Helmut Wiesemeyer et al., in: Physical Review Research 5, 013072, 1. Februar 2023
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.013072

Tracking Isotopes in the Upper Atmosphere
Matteo Rini, in: Physics 16, s19, 1. Februar 2023 (Kommentar zu Wiesemeyer et al.)
https://physics.aps.org/articles/v16/s19

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart 11. August 2022.

11. August 2022 – Bereits am Montag, den 8. August 2022 hatte SOFIA erfolgreich seinen Check Flug nach der Downtime durchgeführt, die wegen eines Sturmschadens am Flugzeug notwendig wurde. Am Ende des knapp zweistündigen Fluges hat sich SOFIA mit einem Tiefflug über den Cathedral Square und den Hagley Park sowie den Airport bei seiner großen Fangemeinde in Christchurch bedankt und dabei mit einem „Thank-You and Good-Bye“ Flügelwackeln verabschiedet.

Seit dem 19. Juni 2022 war die fliegende Sternwarte ein letztes Mal in Christchurch zu Gast, um die für Infrarotastronomie einzigartigen Bedingungen des neuseeländischen Winters zu nutzen und Objekte des südlichen Himmels zu beobachten.

Mit der High-resolution Airborne Wideband Camera Plus (HAWC+) hat das Team im Rahmen eines zentralen Langzeit-Programms den Einfluss von kosmischen Magnetfeldern auf die Sternentstehung auf unterschiedlichsten Skalen untersucht: im Detail in unserer eigenen Galaxie und auf großen Skalen in nahegelegenen anderen Galaxien.

Mit dem deutschen Spektrometer GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) haben die Forschenden untersucht, wie sich Gaswolken in Sternentstehungsgebieten der Milchstraße bewegen und wie die Winde heißer, neu entstandener Sterne die Bildung weiterer Sterne anregt oder verhindert.

„Auch wenn wir die diesjährige Beobachtungsserie wegen des Sturmschadens früher als geplant beenden mussten, haben wir auch bedingt durch die Nähe zur Antarktis, die Neuseeland bietet, wieder einzigartige Infrarotdaten gewinnen können, von denen noch viele Astronominnen und Astronomen weltweit profitieren werden“, so Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director der Universität Stuttgart. „Umso bedauerlicher ist es, dass die NASA und das DLR sich entschlossen haben, die Beobachtungsflüge von SOFIA trotz seiner Erfolge nach dem 30. September 2022 einzustellen. Damit wird ein schwer zu stopfendes Loch für die internationale Ferninfrarotastronomie geschaffen.“

Führungen für Interessierte
Das Team des Deutschen SOFIA Instituts der Universität Stuttgart hat die Downtime in Christchurch genutzt, um zusammen mit den NASA Kollegen und Kolleginnen vor Ort noch rund 200 interessierte Besucherinnen und Besucher durch das Flugzeug zu führen und dabei die Besonderheiten des Observatoriums sowie die Herausforderungen der Infrarotastronomie zu erläutern.

Vorbereitungen der finalen FIFI-LS Flugserie
Parallel hat DSI-Instrumentenwissenschaftler Christian Fischer die letzte Flugserie mit dem Stuttgarter Instrument FIFI-LS vorbereitet, die am 22. August 2022 von Palmdale aus starten wird.

Während der acht geplanten Beobachtungsflüge soll unter anderem die Zigarrengalaxie M82 untersucht werden, in der gerade ein „Starburst“, die explosionsartige Entstehung von Sternen, stattfindet. Dieser Starburst treibt einen extragalaktischen Wind an, der große Mengen Materie aus der galaktischen Scheibe herausschleudert. FIFI-LS kann klären, ob eventuell sogar in diesen Winden selbst neue Sterne entstehen. Dafür ist eine großflächig angelegte Kartierung von ionisiertem Kohlenstoff im Infrarotbereich notwendig. Vor allem in der Scheibenebene sowie in den äußeren Bereichen der Galaxie fehlen in einigen Regionen noch Daten, um die bereits vorhandene Karte zu vervollständigen.

Zusätzlich sind weitere Beobachtungen im Galaktischen Zentrum unserer Milchstraße geplant, mit denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Bahnen des interstellaren Gases auf dem Weg ins zentrale, massive Schwarze Loch unserer Milchstraße genauer analysieren können.

Nicht zuletzt sollen weitere Daten des Sternentstehungsgebiets M42 im Sternbild Orion gewonnen werden, das wegen der Nähe zum Sonnensystem eine detaillierte räumliche Analyse der Gasbewegungen und seiner physikalischen Parameter erlaubt.
„Mit diesen Beobachtungen können wir vor allem für die deutsche astronomischen Community noch ein paar wertvolle wissenschaftliche Daten im Ferninfraroten zur Verfügung stellen – Daten, die nach Beendigung des SOFIA Projektes nicht mehr zugänglich sein werden“, so Christian Fischer.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag SOFIA hebt ein letztes Mal vom Flughafen Christchurch ab erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Stuttgart 21. Juni 2022.

21. Juni 2022 – Die Nachfrage der astronomischen Gemeinschaft nach Beobachtungen des südlichen Himmels ist wie immer groß, und das SOFIA-Team arbeitet daran, diese zu ermöglichen. In diesem Jahr war SOFIA bereits einmal für einen kurzen, zweiwöchigen Einsatz zur Beobachtung der Großen Magellanschen Wolke in Santiago de Chile, Chile. Jetzt, da die COVID-Reisebeschränkungen gelockert wurden, kehrt SOFIA zum siebten Mal nach Neuseeland zurück.
Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart, das SOFIAs Betrieb auf deutscher Seite koordiniert, stellt dabei auch in Christchurch wieder sicher, dass das deutsche Teleskop an Bord der fliegenden Sternwarte immer einsatzbereit ist.

„Wir freuen uns nach einer zweijährigen coronabedingten Zwangspause nach Christchurch zurückzukehren, um bereits begonnene Projekte abschließen oder fortführen zu können und neue Bereiche des Südhimmels im Infraroten zu erforschen“, sagt Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director der Universität Stuttgart.

SOFIA hat während seiner bisherigen Betriebszeit bereits zwölf Einsätze fernab vom heimischen Einsatzort in Kalifornien absolviert, um z.B. Himmelsobjekte und Phänomene zu beobachten, die am heimischen Himmel von Palmdale aus nicht sichtbar sind. So konnte das SOFIA-Team Sternbedeckungen von Florida und Neuseeland aus beobachten. Die extrem guten atmosphärischen Bedingungen auf der Südhalbkugel in deren Winter erlauben einen ganz besonders störungsfreien Blick auf Sternentstehungsgebiete und die dort sichtbaren komplexen Wechselwirkungen zwischen neu entstandenen Sternen und den Gaswolken, aus denen sie selbst entstanden sind. Christchurch ist inzwischen fast so etwas wie SOFIAs zweites Zuhause. 2022 plant SOFIA 32 Flüge zur Beobachtung einer Vielzahl von Himmelsobjekten und -phänomenen, wie kosmische Magnetfelder, Kinematik bei der Sternentstehung und von kosmischer Strahlung angeregte Chemie im Weltraum.

Das magnetische Universum
Mit der High-resolution Airborne Wideband Camera Plus (HAWC+) an Bord von SOFIA können Astronomen und Astronominnen kosmische Magnetfelder auf vielen Skalen nachweisen. Zunächst wird das SOFIA-Team von Neuseeland aus die Magnetfelder in den zentralen Regionen unser eigenen Galaxie, der Milchstraße, kartieren und somit ein zentrales Langzeit-Programm von SOFIA vervollständigen.
Die meisten Sterne unserer und anderer Galaxien bilden sich allerdings in fadenförmige Strukturen voller kaltem Gas und Staub, sogenannten Filamenten. Daher wird das HAWC+-Instrument außerdem die Magnetfelder in diesen Filamenten detailliert messen, so dass Forscher und Forscherinnen untersuchen können, welche Rolle Magnetfelder mit ihren unsichtbaren Kräften bei der Sternentstehung in Filamenten spielen.

Blubbernde Sterne und ein Barometer für kosmische Strahlung
In der zweiten Hälfte des diesjährigen Neuseelandaufenthaltes wird das deutsche Instrument GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) eine Vielzahl von Studien durchführen, darunter auch die Untersuchung der stellaren Rückkopplung in Sternentstehungsgebieten: Wie beeinflussen Sterne die Regionen um sie herum? Junge, massereiche Sterne erzeugen gewaltige Winde, die in die sie umgebende staubige Materie eindringen. Dadurch können sie eine erneute Sternentstehung auslösen oder diese unterdrücken und somit materiearme Blasen in den interstellaren Gas- und Staubwolken erzeugen. Mit diesen Daten wollen die Forschenden verstehen, wann und warum die Sternentstehung begünstigt oder abgeschwächt wird.

Wie ein Radio kann GREAT so eingestellt werden, dass es Signale bei ganz bestimmten Frequenzen empfängt. Während des Einsatzes in Neuseeland wird es so eingestellt sein, dass es unter anderem Hydridmoleküle registriert, also solche Verbindungen, die Wasserstoff (H) enthalten. Diese Moleküle gehörten zu den ersten chemischen Verbindungen, die sich in unserem Universum gebildet haben. Selbst heute entstehen sie gelegentlich unter ganz bestimmten, extremen Umständen und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können so ihre Entstehungsrate bestimmen. Allerdings sind diese Moleküle sehr empfindlich und können leicht durch vorbeifliegende kosmische Strahlung – also hochenergetische Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – zerstört werden. Hydride sind also ein ausgezeichnetes Barometer für das Vorhandensein kosmischer Strahlung. Die von unserer Sonne erzeugte kosmische Strahlung ist gut verstanden, die kosmische Strahlung, die ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hat, dagegen nicht. Das Verständnis des Gleichgewichts zwischen der Produktion und Zerstörung von Hydridmolekülen kann somit Aufschluss darüber geben, wo die kosmische Strahlung in Umgebungen außerhalb unseres Sonnensystems vorkommt.

Exzellente Astronomie
Viele der für Astronomen und Astronominnen wichtigsten Himmelsobjekte, wie das Zentrum der Milchstraße, sind entweder nur von der südlichen Hemisphäre aus sichtbar oder lassen sich von diesen Breitengraden aus besser beobachten. Drei Jahre nachdem die fliegende Sternwarte im Jahr 2010 die ersten Infrarotphotonen vom Nachthimmel empfing, also ihr sogenanntes „First Light“ hatte, reiste SOFIA erstmals nach Neuseeland. 2022 absolviert SOFIA ihren siebten Einsatz von „Down Under“ und hat inzwischen mit den hier gesammelten Daten einzigartige astronomische Ergebnisse erzielt.

„Umso unverständlicher ist es, dass NASA und DLR kürzlich verkündet haben, den Betrieb dieser voll funktionsfähigen Mission zum 30. September 2022 einstellen zu wollen, obwohl sie großartige Leistungen erbringt und sie sich auch weiterhin bezüglich Produktivität und Publikationsrate in einem deutlichen Aufwärtstrend befindet“, so Bernhard Schulz. „Zumal es für die nächsten 20 Jahre kein Nachfolgeobservatorium für das ferne Infrarot gibt und somit ein ganzer Bereich der Astronomie zerstört wird. Es bleibt abzuwarten, wie der US-Kongress sich in seinem Haushaltsvorschlag für das Finanzjahr 2023 dazu stellt. „

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

4. Mai 2022 – Mit der gemeinsamen Entscheidung von NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), den Flugbetrieb des Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie (SOFIA) im September 2022 einzustellen, enden auch die einzigartigen wissenschaftlichen Möglichkeiten für hochauflösende Fern-Infrarot-Spektroskopie mit dem deutschen Spektrometer GREAT, dem German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies. GREAT ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Optische Sensorsysteme, und wurde weitgehend unabhängig vom Budget der Deutschen Raumfahrt-Agentur (DLR) finanziert. Beobachtungen mit GREAT wurden auch von der allgemeinen SOFIA-Nutzergemeinschaft stark nachgefragt.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie (SOFIA) mit dem deutschen GREAT-Spektrometer an Bord wird im Juli und August 2022 von Neuseeland aus zu seinen letzten zwanzig Beobachtungsflügen starten. Mit der gemeinsamen Entscheidung von NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), den Flugbetrieb im September 2022 einzustellen, enden auch die einzigartigen wissenschaftlichen Möglichkeiten für hochauflösende fern-Infrarot-Spektroskopie, die GREAT möglich gemacht hat.

Mit SOFIA, einer umgebauten Boeing-Maschine, deren Flughöhe oberhalb von 13 Kilometern liegt, können Forschende einen Wellenlängenbereich des Lichts beobachten, der von der Erde aus nicht zugänglich ist. Das spektral-höchstauflösende, abbildende Spektrometer GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) an Bord von SOFIA kann von ausgedehnten Himmelsregionen mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung eine Art von chemischem Fingerabdruck erstellen. GREAT ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Optische Sensorsysteme. Die Entwicklung wurde von den beteiligten Instituten, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

Seit dem First Light an Bord von SOFIA am 1. April 2011 hat GREAT fast 250 erfolgreiche Wissenschaftsflüge durchgeführt und dabei in 2.000 Stunden einzigartige wissenschaftliche Daten mit hohem Wert für die Nachwelt gesammelt, die anders nicht hätten beobachtet werden können. Die Betriebsfrequenzen des Spektrometers wurden speziell ausgewählt, um Spektrallinien von hoher astrophysikalischer Relevanz im fernen Infrarotbereich zu erfassen, in dem die Erdatmosphäre für bodengebundene Beobachtungen völlig undurchsichtig ist.

GREAT hat – in enger Zusammenarbeit mit den interessierten internationalen Wissenschaftler*innen – ein breites Spektrum wissenschaftlicher Themen abgedeckt, von der Erforschung der Erdatmosphäre und der Planeten bis hin zur Erforschung der Sternentstehung und der Physik und Chemie des interstellaren Mediums in der Milchstraße und nahen Galaxien. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der effizienten großräumigen Kartierung der atomaren Feinstrukturlinien von Kohlenstoff und Sauerstoff, die die stärksten Kühl-Linien des sternbildenden interstellaren Mediums sind.

Unter den neuen Molekülen, die mit GREAT entdeckt wurden, fand die Entdeckung der frühesten molekularen Bindung des Universums, das Heliumhydrid-Molekül, HeH+, größte internationale Aufmerksamkeit. Die wissenschaftlichen Ergebnisse der GREAT-Beobachtungen wurden in zahlreichen Publikationen in Fachjournalen, darunter die Ergebnisse der ersten Forschungsflüge in einem Sonderband von Astronomy & Astrophysics, und in vielen Beiträgen auf einschlägigen Konferenzen vorgestellt.

Der unmittelbare Zugang auf der Flugzeug-gestützten Plattform, im Unterschied zu Weltraummissionen, ermöglichte es dem GREAT-Konsortium, das Instrument kontinuierlich mit den neuesten Technologien weiter zu entwickeln. Angefangen mit Einkanal-Detektoren mit Flüssig-Helium-Kühlung wurde das Instrument 2015–16 zum leistungsfähigsten FIR-Array-Heterodyn-Spektrometer aller Zeiten aufgerüstet, das mit 14+7 Pixeln gleichzeitig in zwei Frequenzbändern arbeitet. Es übertrifft frühere weltraumgestützte Experimente hinsichtlich der Beobachtungsgeschwindigkeit um mehr als eine Größenordnung. Die Publikation, die das Instrument beschreibt, wurde mit dem „2018 THz Science and Technology Best Paper Award“ der renommierten IEEE Microwave Theory and Techniques Society ausgezeichnet.

Das GREAT-Team und seine Nutzergemeinschaft freuen sich nun auf den erfolgreichen Abschluss der laufenden Beobachtungsprojekte des Zyklus 9 während der bevorstehenden letzten Beobachtungskampagne von der südlichen Hemisphäre aus.

Über GREAT:
GREAT, der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“, ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Kölner Observatoriums für Submillimeter-Astronomie (KOSMA) / Universität zu Köln, in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. Die Entwicklung wurde von den beteiligten Instituten, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Rahmen der Förderungen 50 OK 1102, 1103 und 1104 sowie im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 956 finanziert.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag An Bord von SOFIA: GREATs finale Flüge erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Stuttgart.

13. April 2022 – Obwohl der nominelle deutsche Projektanteil an der fliegenden Sternware der NASA und des DLR bei „nur“ 20% liegt, stellt die deutsche Seite mit GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies), FIFI-LS (Field-Imaging Far-Infrared Line-Spectrometer) und FPI+ (Focal Plane Imager Plus) fast 50% der zurzeit in Betrieb befindlichen Instrumente. Das spiegelt sich auch dadurch wieder, dass zwischen 2009 und 2019 die referierten SOFIA Veröffentlichungen zu 45% auf Beobachtungen mit diesen Instrumenten beruhen. Darunter befinden sich diverse Publikationen in dem renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ wie zum Beispiel der erstmalige Nachweis von Heliumhydrid (HeH+) – der ersten Molekülart im Universum – mit dem deutschen GREAT Instrument. Mit dem gleichen Instrument können Forschende neben den Beobachtungen astronomischer Objekte parallel die Konzentration des atomaren Sauerstoffs in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre der Erde bestimmen, die in diesen Schichten wichtig für Atmosphärenmodelle und Vorhersagen zum Klimawandel ist.

Auch die aktuelle Beobachtungseffizienz auf deutscher Seite kann sich sehen lassen: Mit nur 8,4 Stunden benötigter Beobachtungszeit pro Veröffentlichung liegt der Wert zwar noch etwas über dem des Herschel-Weltraumteleskops (7,4 Stunden), allerdings liegen noch viele Beobachtungsdaten von SOFIA im Archiv und werden derzeit sehr aktiv von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ausgewertet, so dass die Effizienz von SOFIA auf dem besten Wege ist, die von Herschel noch zu übertreffen.

Auf US-amerikanischer Seite hat das SOFIA Wissenschaftsteam nun einen ausführlichen Statusbericht zu SOFIA veröffentlicht, der ursprünglich als Senior Review Ausarbeitung der NASA geschrieben wurde und die Erfolge sowie die Entwicklung des fliegenden Observatoriums in den letzten drei Jahren insgesamt zusammenfasst. Der Bericht „Future & Prospects“ zeigt, dass die Empfehlungen aus dem „Flagship Mission Review“ von 2019 vom SOFIA Projekt seither erfolgreich umgesetzt werden konnten und stellt bahnbrechende wissenschaftliche Erkenntnisse aus den letzten drei Jahren vor. So konnte SOFIA im fernen Infraroten Magnetfelder in unterschiedlichen Bereichen des Universums kartieren. Diese Ergebnisse erlauben es den Astronomen und Astronominnen die Theorien zur Entstehung von Sternen und Planeten bis hin zur Entwicklung von Galaxien und Galaxienhaufen zu überprüfen und zu verbessern. Eine weitere bedeutende Entdeckung von SOFIA ist der Nachweis von Wasser in Bereichen der Mondoberfläche, die der Sonnenstrahlung direkt ausgesetzt sind.

Spektroskopische SOFIA Beobachtungen erlauben die Messung von chemischen Fingerabdrücken kritischer Elemente und Moleküle sowie von komplexen physikalischen Zusammenhängen in einer Vielzahl von kosmischen Umgebungen. Außerdem konnten Forschende die Turbulenzen im interstellaren Medium und die Rückkopplungsmechanismen von neu entstanden Sternen durch Messungen des molekularen Wasserstoffanteils bestimmen.

SOFIA ist mindestens für die nächste Dekade das einzige Observatorium, das im fernen Infrarot beobachten kann und vervollständigt damit in kritischer Weise die Beobachtungen von anderen wichtigen Observatorien wie z.B. ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) oder dem Weltraumteleskop JWST (James Webb Space Telescope), welche jeweils im Radiowellenlängenbereich bzw. mittleren Infraroten beobachten können.

Der amerikanische SOFIA Statusbericht „Future & Prospects“ beschreibt neben den wissenschaftlichen Ergebnissen auch die gesamte Effizienzsteigerungen von SOFIA über die letzten Jahre. Inzwischen können wöchentlich vier Wissenschaftsflüge durchgeführt werden, wobei diese Zahl durch eine fünfte wöchentliche Ersatzflugmöglichkeit zusätzlich garantiert wird. Weiterhin konnten die Wartungsperioden dieses technisch besonders herausfordernden Observatoriums deutlich verkürzt werden, was mehr Flüge pro Jahr ermöglicht. Durch diverse Verbesserungen an den wissenschaftlichen Instrumenten und am Teleskop konnte die Genauigkeit des Observatoriums ebenfalls gesteigert werden. Über 2000 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen weltweit nutzen SOFIA inzwischen. Als bemannte Mission fördert SOFIA die Zusammenarbeit unterschiedlicher Disziplinen und Nationalitäten. Die Anzahl der Publikationen pro Jahr hat sich während der letzten drei Jahre verdoppelt und die Zitierungen von SOFIA-Publikationen nehmen zurzeit exponentiell zu.

Der aktuelle SOFIA Statusbericht „Future & Prospects“ gibt mit zahlreichen Abbildungen, Grafiken und Bildern einen umfassenden Überblick über die Erfolgsgeschichte von SOFIA auf beiden Seiten des Atlantiks. Ergänzend gibt es einen Bericht, der einen „typischen“ SOFIA-Tag beschreibt sowie einen detaillierten Einblick in die Arbeit mit diesem komplexen Observatorium und das dafür notwendige Teamwork des deutsch-amerikanischen Gemeinschaftsprojektes gibt.

Stausbericht
SOFIA-Statusbericht: Future & Prospects, SOFIA Science Mission Center, March 2022

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag SOFIA – eine deutsch-amerikanische Erfolgsgeschichte erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Stuttgart.

8. Oktober 2021 – Wenn Sterne entstehen, stoßen sie einen Teil des involvierten Gases auch wieder ab. In den Gashüllen einiger Sterne entstehen Mikrowellen- oder THz-Bereich-Laser – sogenannte Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), bei denen eine gebündelte Strahlung einer scharf definierten Wellenlänge produziert wird.

Jüngste SOFIA-Beobachtungen mit dem GREAT-Instrument haben zwei bislang unbekannte Wasserdampf-Maser bei einer Frequenz von 1,296-THz in den Ausströmungen um zwei veränderliche Sterne enthüllt: Mira, ein extrem variabler roter Riese, und R Crateris, ein halbregulärer veränderlicher Stern. Das Forschungsteam um David Neufeld von der Johns Hopkins University kombinierte die SOFIA-Messungen mit bodengestützten Radiobeobachtungen von dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg, Deutschland, und dem APEX-Teleskop in Chile. Der Vergleich all dieser Daten mit einem Anregungsmodell für die entsprechenden Maser-Übergänge erlaubt eine Abschätzung der Gastemperaturen und –dichten innerhalb der jeweiligen Ausflussregion sowie des Wasserdampfanteils.

Die gemessenen Werte bestätigen die Annahme, dass Wasserdampf und Kohlenmonoxid die Hauptquelle von Sauerstoff in solchen Ausströmungen sind.

Die ersten Wasser-Maser in Gashüllen um Sterne sind erst 2017 mit Hilfe von SOFIA-Beobachtungen entdeckt worden. Detaillierte Informationen zu diesem Thema gibt es unter:
New Observations of Terahertz Water Masers with SOFIA, Homepage des SOFIA Science Center.

SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301 und 50OK1701) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

GREAT: Der “German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies” ist ein hochauflösendes Spektrometer für astronomische Beobachtungen bei fern-infraroten Wellenlängen zwischen 0,06 und 0,6 mm. Damit operiert GREAT in einem Spektralbereich, der wegen der Absorption der Erdatmosphäre von bodengebundenen Observatorien aus nicht zugänglich ist. Der modulare Aufbau des Instruments ermöglicht den kurzfristigen Einbau neuartiger Technologie. GREAT ist eine gemeinsame Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Kooperation mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. Die Entwicklung von GREAT wurde von den beteiligten Instituten finanziert, unter Beteiligung des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) und dem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich 956.

Originalveröffentlichung:
Terahertz Water Masers. II. Further SOFIA/GREAT Detections Toward Circumstellar Outflows, and a Multitransition Analysis, David A. Neufeld et al 2021 ApJ 907 42

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart.

26. Juli 2021 – Am 19. Juli 2021 ist SOFIA, das Stratosphären-Observatorium der NASA und des DLR, auf dem Faa’a International Airport, außerhalb von Papeete, Tahiti, Französisch-Polynesien, gelandet und wird in den nächsten acht Wochen von dort aus den Südhimmel beobachten. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart, das für den Betrieb der fliegenden Sternwarte auf deutscher Seite verantwortlich ist, wird permanent mit einem hochmotivierten sechsköpfigen Team vor Ort sein. „SOFIAs Basis samt Beobachtungsinstrumenten, dem Personal und der nötigen Ausrüstung für zwei Monate nach Tahiti zu verlegen, musste im Vorfeld mit allen beteiligten Partnern, lokalen Behörden, Flughafeneinrichtungen sowie den lokalen Anbietern koordiniert und geplant werden“, so Michael Hütwohl, DSI Standortleiter im kalifornischen Palmdale, wo SOFIA normalerweise stationiert ist. Jetzt werden wir natürlich sicherstellen, dass das SOFIA Teleskop bei dieser Mission stets einsatzbereit ist und einwandfrei funktioniert.“

Beim ersten Wissenschaftsflug vom Flughafen Tahiti am 23. Juli 2021 ist der Plan bereits voll aufgegangen und die beabsichtigten Beobachtungen konnten erfolgreich durchgeführt werden.

In der Regel operiert SOFIA einmal pro Jahr für bis zu zwei Monate von Christchurch, Neuseeland, aus, um zum Beispiel das Zentrum der Milchstraße oder die Magellanschen Wolken zu untersuchen, die von der Nordhalbkugel nur schwer oder gar nicht zu beobachten sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass der für Infrarotbeobachtungen störende Wasserdampf der Erdatmosphäre in den Monaten Juli bis September auf der Südhalbkugel viel weniger ist, als zeitgleich im Nord-Sommer.
Aufgrund der COVID-19 Reisebeschränkungen musste diese Expedition in den Süden 2020 komplett ausfallen. Dafür ist SOFIA nun 2021 vorrübergehend in Französisch-Polynesien stationiert.
Bis Anfang September sind insgesamt 32 Flüge geplant, 20 mit dem German Receiver at Terahertz Frequencies (GREAT) vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und der Universität Köln, zwölf mit HAWC+, der High-resolution Airborne Wideband Camera-Plus.

Während der GREAT-Flugserie sollen unter anderem Beobachtungen für die Langzeitstudie FEEDBACK durchgeführt werden, um herauszufinden, wie genau massereiche Sterne – in denen ein Großteil der uns bekannten schweren chemischen Elemente produziert werden – die weitere Entstehung von Sternen und Planetensystemen beeinflussen. „Ein Großteil unserer Objekte kann nur vom Süden aus beobachtet werden“, so Nicola Schneider, von der Universität zu Köln, die das Programm zusammen mit Alexander Tielens von der University of Maryland, leitet. „Eine erfolgreiche Flugserie von Tahiti aus ist daher für unser Projekt sehr wichtig.“

Außerdem wird SOFIA mit einem weiteren Langzeitprogramm namens HyGAL die Verteilung der sogenannten kosmischen Strahlung, bestehend aus hochenergetischen geladenen Teilchen, in unserer Galaxie untersuchen, und so Hinweise auf den Ursprung dieser mysteriösen Teilchen liefern.
Auch wird es weitere Messungen von atomarem Sauerstoff in der Erdatmosphäre geben, der eine wichtige Rolle beim Energiehaushalt in der oberen Atmosphäre spielt und daher zur Abschätzung der Temperaturen in dieser Region verwendet wird. So helfen SOFIA-Daten die Klimamodelle unserer Erdatmosphäre zu verbessern.

Im letzten Drittel des Aufenthalts in Tahiti werden mit dem HAWC+ Instrument fadenförmige Regionen hoher Gasdichte – sogenannte Filamente – in polarisiertem Infrarotlicht beobachtet, um die Rolle von Magnetfeldern bei der Entstehung von Sternen auf unterschiedlichsten räumlichen Skalen zu verstehen.
Um die Magnetfelder und ihre Wirkung in der Nähe des zentralen supermassiven schwarzen Lochs unserer eigenen Galaxie zu ergründen, plant das SOFIA-Team mit HAWC+ ähnliche Beobachtungen der sogenannten Zentralen Molekularen Zone, einer 650 Lichtjahre umfassenden Region im galaktischen Zentrum, die sich durch dichte Molekülwolken und starke Turbulenzen auszeichnet.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: DLR.

Neues Einsatzgebiet zur Beobachtung des Südhimmels

Eigentlich hätte die fliegende Sternwarte SOFIA den Nachthimmel der Südhalbkugel wie gewohnt von Neuseeland aus beobachten sollen. „Aufgrund der durch den Covid-19 verursachten Reiseeinschränkungen werden wir das Observatorium nicht wie gewohnt in Christchurch einsetzen. Wir haben uns daher entschieden, nach Tahiti auszuweichen“, sagt Heinz Hammes, SOFIA-Projektleiter bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Beobachtungen von der südlichen Hemisphäre aus haben für uns eine große wissenschaftliche Bedeutung. Deswegen sind wir der Regierung von Französisch-Polynesien sehr dankbar, dass sie uns aufgenommen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen großen Dienst erwiesen haben. Alle unsere Mitarbeiter an Bord sind geimpft. Daher erwarten wir einen reibungslosen Ablauf der Kampagne und freuen uns auf tolle Ergebnisse“. SOFIA ist am 19. Juli 2021 um 13:42 Uhr Ortszeit (20. Juli 2021 01:42 Uhr deutscher Zeit) auf dem Fa’a’ā internationalen Flughafen in Französisch-Polynesien gelandet. Nach dieser Kampagne wird SOFIA nach Kalifornien zurückkehren, wo sie ihren jährlichen Routine-Check absolvieren wird, bevor das fliegende Observatorium wieder zu neuen spannenden Beobachtungen aufbrechen wird.

Von Französisch-Polynesien aus wird SOFIA etwa acht Wochen lang wissenschaftliche Flüge zur Beobachtung von astronomischen Quellen bestreiten, die von der nördlichen Hemisphäre aus nicht sichtbar sind. Während dieses Aufenthalts werden die Astronomen zwei der wissenschaftlichen Instrumente des fliegenden Observatoriums verwenden: das deutsche Instrument für hochauflösende Spektroskopie, GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) und das amerikanische Instrument zur Messung von Magnetfeldern, HAWC+ (High-resolution Airborne Wideband Camera).

Mit SOFIA den Ursachen des Klimawandels auf der Spur
„Zu den geplanten Projekten mit dem GREAT-Instrument gehören neue Messungen des atomaren Sauerstoffs in der oberen Atmosphäre der Erde. Sie werden uns dabei helfen, den Klimawandel besser zu verstehen“, berichtet Dr. Alessandra Roy, SOFIA-Projektwissenschaftlerin bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Klimamodelle sagen voraus, dass zunehmende Treibhausgaskonzentrationen die Temperaturen in der unteren Atmosphäre erhöhen, während die Temperaturen in der höheren Atmosphäre (Mesosphäre) sinken.

„Diese SOFIA-Messungen des atomaren Sauerstoffs spielen eine wichtige Rolle bei der Abschätzung der Temperaturen im oberen Teil der Atmosphäre und können die Theorien bestätigen, die beschreiben, wie die Sonnenenergie zwischen der Erdoberfläche und dem Weltraum ausgetauscht wird“, betont Roy.

Mit SOFIA Rätsel im interstellaren Medium entschlüsseln

GREAT wird aber auch südliche Ziele für zwei große Projekte – die sogenannten Legacy Projects – ins Visier nehmen, die schon während des SOFIA-Aufenthaltes in Köln/Bonn mitbeobachtet wurden: „HyGAL“ und „FEEDBACK“. „HyGAL“ untersucht, wie die chemischen Reaktionen im sogenannten interstellaren Medium von den durch die Galaxie strömenden, hochenergetischen Teilchen – auch bekannt als kosmische Strahlung – beeinflusst werden. „FEEDBACK“ wird Regionen mit einer Vielzahl von massiven Sternengeburten untersuchen. Die Forscher wollen dabei herausfinden, welchen Einfluss Sternentstehungsaktivitäten auf die Entstehung anderer Sterne in diesem Gebiet haben, also ob sie den Prozess der Sternenbildung eher unterstützen oder behindern. „Diese Beobachtungen von SOFIA werden den Astronomen neue Erkenntnisse bringen, warum der Sternentstehungsprozess so ineffizient ist. Wir sehen viel weniger Sterne, als eigentlich da sein sollten. Das wirft die Frage auf, ob wir den Mechanismus der Sternentstehung vollständig verstanden haben“, sagt Roy.

Nach den 20 geplanten Flügen mit GREAT werden die Ingenieure und Techniker der Sternwarte den Empfänger austauschen und HAWC+ nutzen, um unter anderem das Legacy-Projekt „SIMPLIFI“ (Study of Interstellar Magnetic Polarization: a Legacy Investigation of Filaments) zu beginnen.

Dabei werden sie das SOFIA-Teleskop auf ganz spezielle kosmische Strukturen richten. Die sogenannten Filamente sind lange und dünne Gasformationen, in denen die meisten Sterne entstehen. Dank des Legacy-Programms werden die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über die Rolle von Magnetfeldern in Sternentstehungsgebieten gewonnen haben. Während dieser zwölf Flüge mit HAWC+ wird das Observatorium auch das galaktische Zentrum beobachten, um die Rolle der Magnetfelder in den Regionen zu verstehen, die dem zentralen supermassiven schwarzen Loch am nächsten sind.

SOFIA

SOFIA ist ein weltweit einzigartiges, fliegendes Observatorium, das den Weltraum im Infrarotbereich untersucht. So erforscht die Sternwarte etwa, wie sich Milchstraßensysteme entwickeln oder wie Sterne und Planetensysteme aus interstellaren Molekül- und Staubwolken entstanden sind. Möglich wird dies durch ein 17 Tonnen schweres, in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,7 Metern. SOFIA verfügt über sechs verschiedene wissenschaftliche Instrumente, von denen drei aus Deutschland stammen – zwei Instrumente für das Fern-Infrarot und ein optisches Instrument.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie ist ein Gemeinschaftsprojekt der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

GREAT

GREAT, der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“, ist ein Empfänger für spektroskopische Ferninfrarot-Beobachtungen in einem Frequenzbereich von 1,25 bis 5 Terahertz (60 bis 240 Mikrometer Wellenlänge), der von bodengebundenen Observatorien aufgrund der mangelnden atmosphärischen Transparenz nicht zugänglich ist. Dieser Empfänger kommt als Instrument der ersten Generation am Flugzeug-Observatorium SOFIA zum Einsatz. GREAT wurde vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und dem I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensoren in Berlin entwickelt und gebaut. Die Entwicklung des Instruments wurde finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart.

14. Juli 2021 – Das Team um Maitraiyee Tiwari von der University of Maryland (UMD) hat den Sternhaufen Westerlund 2, eine der hellsten und massivsten Sternentstehungsregionen in der Milchstraße analysiert. Ihre Untersuchungen zeigen, dass Westerlund 2 nur von einer einzigen sich ausdehnende Blase aus warmem Gas umgeben ist – statt von zweien, wie frühere Studien bislang vermuten ließen. Außerdem identifizierten sie den Ursprung dieser Blase sowie die Energie, die ihre Expansion antreibt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.

„Wenn sich massereiche Sterne bilden, stoßen sie im Vergleich zu unserer Sonne viel größere Mengen von Protonen, Elektronen und Atomen schwerer Elemente aus“, sagt Maitraiyee Tiwari, die Erstautorin der Veröffentlichung. „Diese Ausstöße werden stellare Winde genannt und sind in Extremfällen in der Lage, Blasen in den umgebenden Wolken aus kaltem, dichtem Gas zu formen. Wir haben genau eine solche Blase beobachtet, die um den hellsten Sternhaufen in dieser Region der Galaxie zentriert ist, und konnten ihren Radius, ihre Masse und die Geschwindigkeit, mit der sie expandiert, messen.“

Das detaillierte Bild um Westerlund 2 erstellten Tiwari und ihr Team, indem sie die vom Haufen ausgesandte Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum – von hochenergetischer Röntgenstrahlung bis hin zu niederenergetischen Radiowellen – gemessen haben. Frühere Daten im Radio- und Submillimeter-Wellenlängenbereich zeigten weder die Blase noch wie sie sich in das umgebende Gas ausdehnt. Zu den wichtigsten Messungen dieser aktuellen Studie gehören die Ferninfrarot-Daten des ionisierten Kohlenstoffs bei einer Wellenlänge von 157 µm, die derzeit nur mit SOFIA beobachtet werden können.

Durch die Ausdehnungsbewegung der Blase wird die Wellenlänge dieser Linie leicht gedehnt oder gestaucht und führt zur sogenannten Rot- oder Blauverschiebung – je nachdem, ob sich die Quelle von der Erde weg oder auf sie zu bewegt. Aus der Verschiebung der Wellenlänge konnte Tiwari mit ihren Kollegen und Kolleginnen die Ausdehnungsbewegung der Blase ableiten. Kombiniert mit den Messungen aus dem restlichen elektromagnetischen Spektrum ergibt sie eine 3D-Ansicht des sich ausdehnenden Sternwinds um Westerlund 2.

Die Forschenden fanden zusätzlich Hinweise auf die Bildung neuer Sterne in der Hüllenregion dieser Blase. Die aktuelle Studie deutet auch darauf hin, dass die Blase bei ihrer Ausdehnung an einer Seite aufbrach, wodurch heißes Plasma freigesetzt wurde und die Ausdehnung der Hülle vor etwa einer Million Jahren verlangsamt wurde. Nach weiteren 200.000 bis 300.000 Jahren, entwickelte sich jedoch ein weiterer besonders heller Stern in Westerlund 2, ein sogenannter Wolf-Rayet Stern, dessen starke Winde die Ausdehnung der Westerlund-2-Schale wieder in Gang bringen.

„Wir haben gesehen, dass die Ausdehnung der Blase, die Westerlund 2 umgibt, durch die Winde eines anderen sehr massereichen Sterns wieder angekurbelt wurde, so dass der Prozess der Ausdehnung und der Sternentstehung wieder von vorne begonnen hat“, so Tiwari. „Wir gehen also davon aus, dass in dieser Hülle noch lange Zeit – wenn auch weniger massereiche – Sterne geboren werden.“

Diese Beobachtungen in Westerlund 2 wurden im Rahmen von SOFIAs FEEDBACK Programm durchgeführt, ein internationales Projekt unter der Leitung von Nicola Schneider von der Universität zu Köln und Alexander ‚Xander‘ Tielens von der University of Maryland, mit dem die Forschenden verstehen möchten, welche Prozesse die Sternentstehung hauptsächlich antreiben und regulieren und wie sie sich zwischen den verschiedenen Sternentstehungsgebieten unterscheiden. Dabei kommt upGREAT, eine der fortgeschrittenen Konfigurationen des German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und der Universität zu Köln, zum Einsatz. „Die anderen Regionen, die wir mit FEEDBACK untersuchen, befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien, aber bisher haben wir überall die sich ausdehnenden Blasen gefunden“ so Schneider. „Und jetzt sind wir gespannt, ob sich dieses Phänomen in weiteren Quellen, die wir im Sommer von Französisch-Polynesien aus beobachten wollen, fortsetzt.“

Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director vom Deutschen SOFIA Institut, das an der Universität Stuttgart SOFIAs Betrieb auf deutscher Seite koordiniert, ergänzt: „Dieses Programm ist eine Langzeitstudie, die sich über mehrere Jahre erstreckt. Das SOFIA Team möchte damit den kommenden Generationen von Astronominnen und Astronomen möglichst umfangreiche und vollständig archivierbare Datensätze zur Verfügung stellen. Das ermöglicht weitere spektakuläre Erkenntnisse im Bereich der Sternentstehung durch zukünftige Datenanalysen, sowohl unter neuen Blickwinkeln, als auch zusammen mit Daten von neuen Observatorien, die heute noch nicht existieren.“

Originalveröffentlichung: SOFIA FEEDBACK Survey: Exploring the Dynamics of the Stellar Wind–Driven Shell of RCW 49, M. Tiwari et al., ApJ 914 117

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart.

Normalerweise untersucht SOFIA, die von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt betriebene fliegende Sternwarte, Galaxien, Sternentstehungsgebiete, Planeten und Kometen. Ein Team um Heiko Richter und Heinz-Wilhelm Hübers vom DLR Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin hat nun gezeigt, dass SOFIA auch die Möglichkeit bietet, die Atmosphäre unseres Heimatplaneten besser zu verstehen. Dazu haben die Wissenschaftler die Konzentration von atomarem Sauerstoff in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre der Erde im Höhenbereich von 80 bis 400 km durch hochaufgelöste spektrale Messungen bestimmt. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Nature Journal Communications Earth and Environment veröffentlicht.

Warum (nur) in die Ferne schweifen?
Bereits vor einem Jahrzehnt trieb Heinz-Wilhelm Hübers, Co-Autor der Studie, Direktor des Instituts für Optische Sensorsysteme und Professor an der Humboldt-Universität zu Berlin, maßgeblich die Entwicklung einer neuen Technologie für SOFIA voran. Mit Hilfe des ersten kompakten 4.7-THz-Lasersystems wurde GREAT, der German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies um ein neues Frequenzband erweitert. Da kam Hübers ein Gedanke: „SOFIA blickt durch die obere Erdatmosphäre hindurch während es das ferne Universum beobachtet, und ich dachte es wäre faszinierend, eines Tages mit dem GREAT-Instrument Daten zu sammeln, die der Erforschung unserer eigenen Atmosphäre zugutekommen könnten“, erinnert er sich.

Jahre später, GREAT hatte bereits einige großartige Entdeckungen gemacht – darunter die Entdeckung der ersten Molekülart, die sich im frühen Universum bildete – setzte Hübers seinen Plan zusammen mit Heiko Richter und weiteren Kolleginnen und Kollegen in die Tat um: Zum ersten Mal konnten sie direkt den Sauerstoff in der wenig untersuchten Schicht der oberen Erdatmosphäre, der Mesosphäre und unteren Thermosphäre, messen. Atomarer Sauerstoff unterscheidet sich von dem lebensnotwendigen molekularen O₂, das in tieferen Atmosphärenschichten vorherrscht. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Kühlung der oberen Atmosphäre und wird daher zur Abschätzung der Temperaturen in diesen Regionen verwendet. Direkte Messungen verbessern diese Temperaturschätzungen und somit festigen die SOFIA Daten das Verständnis darüber, wie z. B. die Sonnenenergie zwischen Erdoberfläche und dem Weltraum ausgetauscht wird. Klimamodelle sagen voraus, dass zunehmende Treibhausgase die Temperaturen in der unteren Atmosphäre erhöhen, aber die Temperaturen in der Mesosphäre senken werden. Eine genauere Überwachung der Konzentration des atomaren Sauerstoffs in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre kann den Forschern helfen, die Beziehung zwischen der unteren und oberen Atmosphäre besser zu verstehen.

Atmosphärendaten Nebenprodukt astronomischer Beobachtungen
Die Mesosphäre, beginnt in einer Höhe von etwa 50 km und war bisher nur schwer zu untersuchen. Bodengestützte Beobachtungen werden durch Wasserdampf in der unteren Atmosphäre verzerrt, wenn nicht gar verhindert; Satelliten konnten bisher keine direkten Detektionen machen, sondern müssen über die Messung anderer Moleküle oder Frequenzen mittels komplexer photochemischer Modelle auf den Sauerstoffgehalt schließen. Instrumente, die in den 1990er Jahren auf Raketen und dem Space Shuttle geflogen sind, konnten nur eine kurze Momentaufnahme des Sauerstoffs in diesen Regionen festhalten. SOFIA fliegt in einer Höhe von 12 – 14 Kilometern oberhalb von 99,9 % des Wasserdampfs in der Atmosphäre und ist groß genug, um die Infrarotinstrumente zu tragen, die zur direkten Messung von Sauerstoff benötigt werden. SOFIA-Beobachtungen untersuchen regelmäßig atomaren Sauerstoff im Weltraum, wo er bei der Geburt neuer Sterne eine wichtige Rolle spielt, und haben ihn sogar in der Marsatmosphäre nachgewiesen. „Nebenbei“ enthält das Datenarchiv von SOFIA eine Fülle von Atmosphärendaten aus vielen Jahreszeiten, Orten und Jahren. Um aus diesen Daten die Informationen über die Erdatmosphäre zu extrahieren und um sie richtig kalibrieren, analysieren und interpretieren zu können, entwickelten Hübers und Richter über Jahre die benötigten Werkzeuge, Prozesse und Modelle. „Obwohl die Atmosphärendaten eigentlich ein Nebenprodukt unserer astronomischen Beobachtungen sind, freuen wir uns sehr darüber, dass SOFIA dazu beitragen kann, unseren Heimatplaneten besser zu verstehen“, so Hübers.

Die jetzt veröffentlichen Ergebnisse basieren auf Beobachtungen die, 2015 während eines SOFIA-Wissenschaftsfluges gesammelt wurden, der an der Westküste der USA in Richtung Kanada stattfand, und auf dem der 5.000 Lichtjahre entfernte kugelförmige Quallen-Nebel beobachtet wurde. Die Untersuchung weiterer Daten, die z.B. während Beobachtungen von Neuseeland aus und während der jüngsten Flüge von Köln aus gemacht worden sind, soll folgen. Sie sollen Aufschluss darüber geben, wie sich dieser Bereich der Atmosphäre über die Jahreszeiten und Standorte hinweg verändern kann.

Originalveröffentlichung:
Direct measurements of atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere using terahertz heterodyne spectroscopy, Heiko Richter et al. Nature Journal Communications Earth and Environment, 2, article number: 19 (26. Januar 2021)

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Die fliegende Sternwarte SOFIA (das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie) hat eine Reihe von Beobachtungsflügen vom Flughafen Köln/Bonn aus erfolgreich abgeschlossen. Mit an Bord waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Köln und des MPI für Radioastronomie in Bonn, die weitere Erkenntnisse zur Entstehung von neuen Sternen gewinnen konnten.

SOFIA ist eine Boeing 747SP mit einem Teleskop von 2,70 m Durchmesser an Bord, gebaut für astronomische Beobachtungen vom Infrarot- bis zum Submillimeter-Wellenlängenbereich. Vom 4. Februar bis zum 16. März 2021 war das Flugzeug am Flughafen Köln/Bonn stationiert. Üblicherweise fliegt es von seinem Standort in Palmdale/Kalifornien aus zu den Beobachtungsflügen. SOFIA wurde für einen Zeitraum von drei Monaten bei der Lufthansa-Technik in Hamburg gewartet. Da die Corona-Pandemie derzeit Besuche von deutschen Wissenschaftlern in den USA unmöglich macht, wurde vor der Rückkehr nach Kalifornien eine Wissenschaftskampagne am Nachthimmel über Europa vom Flughafen Köln/Bonn aus durchgeführt, die jetzt erfolgreich abgeschlossen wurde.

Die fliegende Sternwarte ist ein gemeinsames Projekt der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die Flughöhe von SOFIA liegt oberhalb von 13 Kilometern. Damit fliegt die Boeing über dem Großteil des Wasserdampfes der Erdatmosphäre, der ansonsten das Infrarotlicht auf geringeren Höhen abblockt. So können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Wellenlängenbereich beobachten, der von der Erde aus nicht zugänglich ist. Bei diesen SOFIA-Flügen wurde der hochauflösende Empfänger für Ferninfrarot-Spektroskopie GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) eingesetzt, der vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und dem I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln unter Beteiligung des DLR-Instituts für optische Sensorsysteme (Berlin) entwickelt wurde.

Wissenschaftler nutzen das GREAT-Instrument, ein spektral-höchstauflösendes, abbildendes Spektrometer, um von ausgedehnten Himmelsregionen mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung eine Art von chemischem Fingerabdruck zu erstellen. Das GREAT-Team führt dabei Messungen nicht nur für eigene Forschungsprojekte durch, sondern misst auch Daten im Auftrag anderer Wissenschaftler.

Zentraler Teil der Kölner Kampagne waren Beobachtungen im Rahmen des „SOFIA Legacy“-Programms FEEDBACK unter der Leitung von Dr. Nicola Schneider vom I. Physikalischen Institut der Universität Köln sowie Professor Alexander Tielens von der University of Maryland. An dem FEEDBACK-Programm sind auch eine Reihe von Wissenschaftler des Bonner MPIfR beteiligt. Ziel des Programms ist es, systematisch massereiche Sternentstehungsgebiete in unserer Milchstraße zu beobachten. „Erste Ergebnisse von FEEDBACK und anderen kürzlichen SOFIA-Projekten haben neue Entdeckungen ergeben. Dazu gehört, dass man Blasen von sich ausdehnendem Gas, die durch Sternwinde hervorgerufen werden, sehr gut in der CII-Spektrallinie sehen kann. Diese Expansion bewirkt weitere Sternentstehung“, erläutert Dr. Schneider. Zudem kann die Rate, mit der neue Sterne in der Milchstraße entstehen, ebenfalls durch die Beobachtung von ionisiertem Kohlenstoff (CII) bestimmt werden und liefert damit Erkenntnisse über die Entwicklung unserer Galaxie.

Hintergrundinformation:
SOFIA, das „Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie“ ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

GREAT: Der “German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies” ist ein hochauflösendes Spektrometer für astronomische Beobachtungen bei fern-infraroten Wellenlängen zwischen 0,06 und 0,6 mm. Damit operiert GREAT in einem Spektralbereich, der wegen der Absorption der Erdatmosphäre von bodengebundenen Observatorien aus nicht zugänglich ist. Der modulare Aufbau des Instruments ermöglicht den kurzfristigen Einbau neuartiger Technologie. GREAT ist eine gemeinsame Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Kooperation mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. Die Entwicklung von GREAT wurde von den beteiligten Instituten finanziert, unter Beteiligung des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) und dem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich 956.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA
• Sternentstehung

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Quelle: Köln Bonn Airport.

Während der Wissenschaftskampagne, die zugleich die erste Flugkampagne dieser Art in Deutschland war, hatte die mobile Sternwarte der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) insgesamt 15 Forschungsflüge von Köln/Bonn aus absolviert.

Die Wissenschaftsflüge erfolgten jeweils am frühen Abend; die Flugdauer betrug zwischen acht und neun Stunden. Vom Rheinland aus flog SOFIA bis über den Atlantik, über Skandinavien und bis zum Mittelmeer. Im Fokus standen Untersuchungen der Materie im interstellaren Raum, deren Chemie unter anderem auch von kosmischer Strahlung beeinflusst wird, sowie Erkenntnisse über die Prozesse bei der Entstehung massereicher Sterne.

„SOFIA sorgte nicht nur bei uns, sondern auch bei ihren zahlreichen deutschen Fans für viel Begeisterung – die Resonanz in den sozialen Netzwerken war groß. Die Zusammenarbeit mit der NASA und dem DLR verlief perfekt, und wir sind sehr stolz auf die Leistung unseres gesamten Teams. Gerne stehen wir auch für zukünftige Projekte zur Verfügung“, erklärt Johan Vanneste, Vorsitzender der Geschäftsführung der Flughafen Köln/Bonn GmbH.

Für die circa 150 Mitarbeiter der NASA und des DLR waren im Terminal 2 diverse Flächen zur Verfügung gestellt und eingerichtet worden – von einer „Office Area“ mit Arbeitsplätzen für insgesamt 95 Mitarbeiter, über eine „Lab Area“ für Werkstatttätigkeiten bis hin zu Lagerflächen für Equipment rund um die Abstellposition von SOFIA.

„Wir haben am Köln Bonn Airport beste Bedingungen für unsere Wissenschaftskampagne vorgefunden und bedanken uns herzlich für die tolle Zusammenarbeit. Unsere Wissenschaftler konnten fast 100 Prozent der zur Verfügung stehenden Zeit beobachten, und wir sind nun sehr gespannt auf die Auswertungen“, so Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur.

Nach einem gut elfstündigen Flug wird SOFIA am 16. März 2021 gegen 14 Uhr (Ortszeit) in Palmdale erwartet.

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie ist eine umgebaute Boeing 747SP und weltweit einzigartig. Die fliegende Sternwarte erforscht, wie sich Milchstraßensysteme entwickeln oder wie Sterne und Planetensysteme aus interstellaren Molekül- und Staubwolken entstanden sind. Möglich wird dies durch ein 17 Tonnen schweres, in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,7 Metern.

Für ihren Einsatz von Köln/Bonn aus hatte SOFIA das deutsche Instrument GREAT, ein hochauflösendes Spektrometer mit an Bord.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie ist ein Gemeinschaftsprojekt der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der National Aeronautics and Space Administration (NASA).

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• DLR-NASA-Kooperation – Von Köln aus zu den Sternen (4. Februar 2021)

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: DLR.

Touchdown für SOFIA: Am 4. Februar 2021 wird um 15:40 Uhr die Landung der fliegenden Sternwarte der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA am Köln Bonn Airport erwartet. Von dort aus wird sie bis zum 16. März den Nachthimmel über Europa erkunden.

„Das Infrarot-Observatorium SOFIA ist eines der größten deutsch-amerikanischen Projekte zur Erforschung des Weltraums und unterstreicht, wie wichtig die Zusammenarbeit mit der NASA für uns ist“, erläutert Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur. „Wir freuen uns riesig, dass nun erstmals seit der Aufnahme des wissenschaftlichen Betriebs eine vollständige wissenschaftliche Flugkampagne von Deutschland aus stattfindet. SOFIA soll bis Mitte März 20 Flüge mit dem deutschen Instrument GREAT, einem hochauflösenden Spektrometer, absolvieren und dabei vor allem über Westeuropa im Einsatz sein.“ Dr. Paul Hertz, Leiter der Abteilung Astrophysik im Wissenschafts-Direktorat der NASA, ergänzt: „Wir nutzen SOFIA‘s Fähigkeit, von nahezu jedem Ort der Welt aus zu beobachten, um überzeugende astronomische Untersuchungen durchzuführen. Die Beobachtungskampagne aus Deutschland ist ein hervorragendes Beispiel für die Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem DLR, die seit mehr als 25 Jahren die Stärke des SOFIA Projektes ausmacht.“

„Wir sind sehr stolz, dass die NASA und das DLR den Flughafen Köln/Bonn als Basis für die erste deutsche Wissenschaftskampagne von SOFIA ausgewählt haben. Dadurch wird die internationale Bedeutung von Köln/Bonn unterstrichen“, so Johan Vanneste, Vorsitzender der Geschäftsführung der Flughafen Köln/Bonn GmbH. „Ein 40-köpfiges Projektteam hat gemeinsam mit vielen externen Beteiligten die Mission in den letzten Wochen und Monaten minutiös vorbereitet. Mein herzlicher Dank gilt allen Beteiligten – ich freue mich auf sehr spannende sechs Wochen mit einem internationalen Team.“

SOFIA ist seit 2014 im vollen wissenschaftlichen Betrieb und wird bislang von etwa 50 internationalen Forschergruppen genutzt. Einzigartig ist das in den Rumpf des Flugzeugs integrierte 2,7-Meter-Teleskop für astronomische Beobachtungen im Infrarot- und Submillimeter-Wellenlängenbereich. Diese Wellenlängen sind aufgrund des Wasserdampfes in der Troposphäre vom Boden aus nicht sichtbar. Daher fliegt SOFIA oberhalb von zwölf Kilometern Höhe. Das Teleskop wurde von deutschen Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelt und gebaut. Die NASA bringt das Flugzeug in das Kooperationsprojekt ein.

SOFIA erforscht die Entwicklung von Milchstraßensystemen sowie die Entstehung und Entwicklung von Sternen und Sonnensystemen aus interstellaren Molekül- und Staubwolken. Die fliegende Sternwarte beherbergt regelmäßig auch zwei deutsche Fern-Infrarot-Instrumente, das hochauflösende Spektrometer GREAT (German Receiver at Terahertz Frequencies), und das abbildende Linienspektrometer FIFI-LS (Far Infrared Field Imaging Line Spectrometer).

Während des Aufenthaltes in Köln/Bonn wird ein internationales Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren mit „GREAT“ astronomische Beobachtungen durchführen. Im Fokus liegen dabei Hinweise auf den Ursprung der so genannten kosmischen Strahlung und Erkenntnisse über die Prozesse bei der Entstehung massereicher junger Sterne. Vor Beginn der Kampagne hat SOFIA einen mehrmonatigen Routinecheck bei Lufthansa Technik in Hamburg erfolgreich absolviert. Auch das Teleskop wurde dabei auf Herz und Nieren überprüft.

20 Wissenschaftsflüge mit dem deutschen Instrument GREAT
SOFIA, das einzige fliegende Infrarot-Observatorium der Welt, wird rund sechs Wochen lang am Konrad-Adenauer-Flughafen in Köln-Bonn stationiert sein. Während dieser Zeit soll die mobile Sternwarte insgesamt 20 Forschungsflüge mit dem Instrument GREAT des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und des I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln absolvieren. Die Flugrouten gehen von Deutschland bis über den Atlantik, über Skandinavien bis zum Mittelmeer.

GREAT erforscht das Universum
„Wir planen, viermal wöchentlich zu fliegen und können somit deutlich mehr Untersuchungen und damit auch wissenschaftliche Ergebnisse liefern“, erklärt Dr. Alessandra Roy, SOFIA-Projektwissenschaftlerin in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Darunter befinden sich auch zwei große so genannte Legacy-Projekte. Diese Projekte sollen große Datensätze zu Themen von aktueller Relevanz bereitstellen und ein Vermächtnis für die nächsten Jahre hinterlassen.“

Das erste dieser Projekte beinhaltet die Suche nach Gasen, in denen sich ein Wasserstoffatom mit einem anderen Element wie Argon oder Sauerstoff zu einfachen Molekülen, sogenannten Hydriden, verbunden hat. Das Projekt soll Hinweise auf Dichteschwankungen der kosmischen Strahlung liefern. Diese hochenergetisch geladenen Teilchen strömen durch unsere Milchstraße. Das zweite Legacy-Projekt widmet sich der Untersuchung der Wechselwirkung massereicher Sterne mit ihrer Umgebung. Hierdurch wollen die Wissenschaftler lernen zu verstehen, wie massereiche junge Sterne die Wolken zerstören, in denen sie geboren wurden.

Basis für SOFIA-Kampagne ist am Köln Bonn Airport
„Für mich als gebürtigen Kölner ist es besonders schön, SOFIA einmal sozusagen `vor der eigenen Haustüre‘ zu haben“, sagt Heinz Hammes, SOFIA-Projektleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Der Köln/Bonn Airport wurde ausgewählt, weil dort die notwendige Infrastruktur zur Verfügung steht und das üblicherweise milde Winterwetter in der Kölner Bucht mit hoher Wahrscheinlichkeit einen ungestörten Flugbetrieb zulässt.“ Köln/Bonn habe zudem alle Anforderungen des deutsch-amerikanischen SOFIA-Teams erfüllt – von den Arbeits- und Labor-Plätzen bis hin zur erforderlichen behördlichen Nachtflugerlaubnis.

Am Nachmittag des 4. Februar 2021 war SOFIA von Hamburg aus gestartet, wo das Flugzeug bei Lufthansa Technik seit Ende September einen so genannten C-Check durchlaufen hatte. Diese große Wartung findet ungefähr alle drei Jahre statt. Dabei werden Struktur, technische Systeme, Kabine und die Außenhaut eingehend inspiziert und falls nötig repariert. Neben den routinemäßigen Test- und Wartungsarbeiten wurde dieses Mal auch die Leistungsfähigkeit der Klimaanlage erhöht, um die Umgebungstemperaturen für die empfindlichen Forschungsinstrumente zu optimieren. „Wir sind mit dem Verlauf der Arbeiten sehr zufrieden und erwarten nun gespannt die neuen Wissenschaftsflüge“, sagt SOFIA-Projektleiter Heinz Hammes. Nach Abschluss der Kampagne wird SOFIA wieder nach Kalifornien zurückkehren, wo bereits die nächste Flugkampagne vorbereitet wird.

SOFIA
SOFIA ist ein weltweit einzigartiges, fliegendes Observatorium, das den Weltraum im Infrarotbereich untersucht. So erforscht die Sternwarte etwa, wie sich Milchstraßensysteme entwickeln oder wie Sterne und Planetensysteme aus interstellaren Molekül- und Staubwolken entstanden sind. Möglich wird dies durch ein 17 Tonnen schweres, in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,7 Metern. SOFIA verfügt über sechs verschiedene wissenschaftliche Instrumente, von denen drei aus Deutschland stammen – zwei Instrumente für das Fern-Infrarot und ein optisches Instrument.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie ist ein Gemeinschaftsprojekt der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

GREAT
GREAT, der „German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“, ist ein Empfänger für spektroskopische Ferninfrarot-Beobachtungen in einem Frequenzbereich von 1,25 bis 5 Terahertz (60 bis 240 Mikrometer Wellenlänge), der von bodengebundenen Observatorien aufgrund der mangelnden atmosphärischen Transparenz nicht zugänglich ist. Dieser Empfänger kommt als Instrument der ersten Generation am Flugzeug-Observatorium SOFIA zum Einsatz. GREAT wurde vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und dem I. Physikalischen Institut der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensoren in Berlin entwickelt und gebaut. Die Entwicklung des Instruments wurde finanziert mit Mitteln der beteiligten Institute, der Max-Planck-Gesellschaft und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: DLR.

Infrarot-Observatorium von DLR und NASA durchläuft C-Check
1. Oktober 2020 – Für SOFIA (Stratosphären Observatorium für Infrarot-Astronomie) steht ein erneuter „Boxenstopp“ an: Für einen Routinecheck bei Lufthansa Technik ist die fliegende Sternwarte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA am 30. September 2020 um 19:17 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit am Hamburg Airport gelandet. Bei diesem so genannten C-Check, der etwa alle drei Jahre stattfindet, wird die Boeing 747SP auf Herz und Nieren geprüft. „Wir freuen uns auf die erneute Zusammenarbeit mit Lufthansa Technik“, erklärt Heinz Hammes, SOFIA-Projektleiter im DLR Raumfahrtmanagement. „Die besonderen Umstände in diesem Jahr erfordern Kooperation und Flexibilität von allen Beteiligten. Wir sind davon überzeugt, für die anstehenden Aufgaben am richtigen Ort zu sein.“

Neue Klimatisierung für die Forschungsinstrumente
Beim diesjährigen C-Check werden Motoren und Kabine inklusive Verkleidung und Fußböden demontiert. Dies ist notwendig, um anschließend die Test- und Wartungsarbeiten durchführen und sämtliche Verkabelungen sowie die Treibstoffleitungen überprüfen zu können. Zusätzlich erhält die Klimaanlage ein Upgrade. „Hierdurch wird es uns in Zukunft möglich sein, die Temperatur in der Kabine sehr fein zu justieren“, erläutert Hammes. „Dies ist insbesondere in der Instrumentenzone wichtig, denn jedes Forschungsinstrument benötigt eine genau passende Umgebungstemperatur.“ Ab Mitte Dezember sind dann die finalen Checks bei Lufthansa Technik – etwa für die Triebwerke und den Innendruck der Kabine – vorgesehen. Anfang Februar sollen die Wartungsarbeiten abgeschlossen sein und SOFIA für neue Wissenschaftsflüge zur Verfügung stehen.

Wartungsarbeiten an Teleskop und Forschungsinstrument
Aber auch das Teleskop, der deutsche Beitrag und das Herzstück des Observatoriums, wird während des Aufenthalts in Hamburg gründlich gewartet. Durchgeführt werden diese Arbeiten vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart. Dabei werden vor allem komplexere Arbeiten vorgenommen, die nur alle drei bis sechs Jahre anstehen. Aber auch eine Vielzahl kleinerer Routinemaßnahmen stehen auf der ToDo-Liste, wie etwa die Inspektion des 2,7-Meter-Primärspiegels oder Software-Updates der elektronischen Steuerungssysteme.

Eine Besonderheit in diesem Jahr ist, dass eines der sechs wissenschaftlichen Instrumente von SOFIA mit nach Hamburg kommen wird. Das deutsche Instrument GREAT (German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) wird nach der Landung vom Teleskop abmontiert und zur separaten Wartung und Optimierung an das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gebracht.

Besondere Sicherheitsvorkehrungen in Corona-Zeiten
Alle Arbeiten am Flugzeug finden aufgrund der Corona-Epidemie unter strengen Sicherheitsauflagen statt. Sowohl Lufthansa Technik als auch die NASA haben dazu jeweils umfangreiche Prozeduren entwickelt und koordiniert, die für das Arbeiten im und am Flugzeug gelten. Dazu gehört etwa die Auflage, dass sich nicht mehr als 15 Personen gleichzeitig an Bord befinden dürfen, also nur das absolut notwendige Personal Zutritt haben wird. Aufgrund der langjährigen Zusammenarbeit aller Beteiligten sind die Arbeiten am Flugzeug selbst größtenteils Routine. „Wir haben 2014 und 2017 bereits eine außergewöhnlich gute Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen des DSI, des DLR und der NASA erlebt und freuen uns, diese nun fortsetzen zu können“, so Sven Hatje, verantwortlicher Projektleiter bei Lufthansa Technik für die C-Checks von SOFIA. „Schön, dass wir SOFIA nun wieder bei uns begrüßen dürfen.“

Über SOFIA
SOFIA ist ein weltweit einzigartiges, fliegendes Observatorium, das den Weltraum im Infrarotbereich untersucht. So erforscht die Sternwarte etwa, wie sich Milchstraßensysteme entwickeln oder wie Sterne und Planetensysteme aus interstellaren Molekül- und Staubwolken entstanden sind. Möglich wird dies durch ein 17 Tonnen schweres, in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von 2,7 Metern. SOFIA verfügt über sechs verschiedene wissenschaftliche Instrumente, von denen zwei aus Deutschland stammen.

Das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird vom DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA-Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA).

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