Nicht viele Sterne können von sich behaupten, beinahe unser Verständnis vom Universum kaputt gemacht zu haben – aber ein Stern mit der Bezeichnung HD 140283 hätte es fast geschafft: Im Jahr 2000 schätzten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sein Alter auf 16 Milliarden Jahre. Und damit wäre dieser so unscheinbare Stern älter als das Universum selbst. Er liegt in rund 190 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Waage und ist von der Erde aus zwar nicht mit dem bloßen Auge, aber doch immerhin schon mit einem Fernglas sichtbar. Seinen Spitznamen als „Methusalem-Stern“ hat er sich damit mehr als verdient.

In den darauffolgenden Jahren korrigierten neue Messungen und Studien dieses Alter glücklicherweise nach unten. Inzwischen gilt HD 140283 zwar immer noch als alt, aber nicht mehr als älter als das Universum selbst. Trotz seines stolzen Alters ist eines wissenschaftlich sicher: Der Methusalem-Stern ist keiner von den allerersten Sternen, die es in unserem Universum je gegeben hat – doch auf die haben sie es abgesehen.

Forschende bezeichnen jene ersten Sterne im Universum auch als Sterne der Population III. Es sind die Sterne, die nach dem Urknall als erstes Licht ins Dunkel brachten. Damals, vor Milliarden von Jahren, gab es im Universum vor allem Wasserstoff und Helium. Erst die ersten Sterne haben jene massereicheren Elemente hergestellt, die wir heute kennen und schätzen – und ohne die es uns nicht geben würde: Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, und noch schwerere Elemente bis hin zum Eisen.

Somit ist zwar vollkommen klar, dass es diese ersten Sterne gegeben haben muss. Und doch haben Forschende noch nie einen solchen Stern beobachtet, trotz Jahrzehnten der intensiven Suche.

In dieser Folge erzählt Franzi von dieser Suche nach den Sternen der Population III, die Licht ins Universum gebracht haben – eine Suche, für die Forschende versuchen, mit dem James Webb-Weltraumteleskop so weit in die Vergangenheit zu blicken wie möglich. Aber auch unsere eigene Milchstraße bleibt ein möglicher Fundort für die wahren Methusalem-Sterne.

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

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• AstroGeo Podcast
• Population III Sterne

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Quelle: DLR 1. Februar 2024.

1. Februar 2024 – Ob Dürre und Hitze in Südeuropa oder extreme Starkregenereignisse in Deutschland – die Sonneneinstrahlung ist die maßgebliche Größe für das Klimageschehen und die Wetterdynamik auf unserer Erde, denn sie treibt die Zirkulation in der Atmosphäre an. Diese Strahlung ist in der Lufthülle allerdings sehr unterschiedlich verteilt und tritt dort zudem noch in Wechselwirkung mit Wolken, Spurengasen und Aerosolen – Schwebeteilchen aus kleinsten festen und flüssigen Partikeln. Um in naher Zukunft noch genauere Vorhersagen machen zu können, müssen wir die bisher noch nicht so gut bestimmbaren Parameter zu Aerosolen und Wolken global besser kennen und deren Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre entschlüsseln. Dadurch und mit der Messung der Strahlungsdichte kennen wir den Strahlungshaushalt unseres Heimatplaneten wesentlich genauer, als wir das heute tun. Die Europäische Weltraumorganisation ESA will daher gemeinsam mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA voraussichtlich im Mai 2024 ihre bislang größte und komplexeste Earth-Explorer-Erdbeobachtungsmission starten. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist wesentlich in die EarthCARE-Mission (Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer) eingebunden – einer Mission im Rahmen des ESA Erdbeobachtungsprogramms FutureEO, in dem Deutschland von Beginn an Programmführer ist und sich bis heute mit mehreren hundert Millionen Euro beteiligt. Zusätzlich werden mehrere Millionen Euro aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm bereitgestellt, um die Nutzung der EarthCARE-Daten während des Betriebs durch deutsche Forscherinnen und Forscher und ein Projektbüro vorzubereiten und den Betrieb durch deutsche Forschungseinrichtungen und Universitäten zu unterstützen. Letztere leisten einen der wesentlichsten Beiträge in Europa zur Validierung und werden durch eine Flugkampagne, mit dem deutschen Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) substantiell unterstützt. Diese Kampagne wird vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und dem Max-Planck-Institut für Meteorologie koordiniert.

„Die europäisch-japanische Erdbeobachtungsmission EarthCARE wird unser Verständnis zu Klima- und Wetterphänomenen maßgeblich vorantreiben. Dass dieser größte und komplexeste Earth-Explorer-Satellit im Erdbeobachtungsprogramm der ESA in Deutschland gebaut wurde und deutsche Firmen und Wissenschaftseinrichtungen zudem weitere wichtige Bestandteile dieser Mission beisteuern können, zeigt die Spitzenposition, die Deutschland in der internationalen Erdbeobachtung inne hat“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, am 1. Februar 2024 anlässlich des Verabschiedungsevents beim deutschen Hauptauftragnehmer Airbus in Friedrichshafen. Der 17,2 Meter lange (inklusive 11 Meter Solarpanele), 2,5 Meter breite, 3,5 Meter hohe und rund 2.200 Kilogramm schwere EarthCARE-Satellit geht nun via Flugzeug auf die Reise nach Vandenberg (Kalifornien, USA), wo er an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX in seinen Zielorbit in 393 Kilometer Höhe gebracht werden soll.

Vier Instrumente liefern ein einzigartiges Bild zu den Vorgängen in der Erdatmosphäre
Auf EarthCARE sind vier sich gegenseitig ergänzende Instrumente untergebracht. Durch die Aussendung von Lichtimpulsen eines Lasers und die Analyse der reflektierten Signale wird mit dem Atmosphären-Lidar ATLID, an dem auch das deutsche Unternehmen Tesat aus Backnang beteiligt ist, ein vertikales Profil in der Erdatmosphäre von Aerosolen und Wolken einschließlich ihrer Eigenschaften wie Höhe, Dichte und Aerosoltyp erstellt. Die bisher nie erreichte Genauigkeit dieser Information wird entscheidend die Verbesserung der Vorhersagen aus Klimamodellen voranbringen und das Verständnis der Rolle von Aerosolen und Wolken in der Energiebilanz unserer Erde vertiefen. Mit dem von der JAXA bereitgestellten Wolkenprofilradar CPR (Cloud Profiling Radar) kann EarthCARE das „Innenleben“ von Wolken beobachten und detaillierte Einblicke in deren vertikale Struktur und Geschwindigkeit, Partikelgrößenverteilung und Wassergehalt liefern, um zum Beispiel der Bildung und Auflösung von Wolken auf die Spur zu kommen. Während das Atmosphären-Lidar und das Wolkenradar Profile der Atmosphäre in einem eher dünnen „Vorhang“ direkt unter dem Satelliten erstellen, misst der Multi-Spektral-Imager MSI von EarthCARE in einem viel größeren Sichtfeld. Das Instrument nimmt hochauflösende Bilder in mehreren Spektralbändern des sichtbaren und infraroten Lichtspektrums auf. So können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwischen verschiedenen Arten von Wolken, Aerosolen und der Erdoberfläche unterscheiden und zudem zusätzliche Informationen über die optischen Eigenschaften von Wolken und Aerosolen erhalten, um mehr über ihre Zusammensetzung und Verteilung zu erfahren.

Durch die Zusammenführung der Lidar-, Radar- und Multispektraldaten werden dreidimensionale Informationen über Wolken und Aerosole verfügbar sein. Das vierte Instrument an Bord ist das Breitbandradiometer BBR (Broad-Band Radiometer), das die reflektierte Strahlung in der Atmosphäre aus drei Richtungen vermisst. „So kann die Menge der reflektierten Sonnenstrahlung und der von der Erde ausgehenden Wärmestrahlung bestimmt werden. Diese Messungen werden mit der aus den kombinierten Beobachtungen der anderen Instrumente berechneten Strahlung kombiniert und damit unser derzeitiges Verständnis der Wechselwirkung zwischen Aerosolen, Wolken und Energiebilanz unseres Planeten entscheidend verbessern“, erklärt Dr. Albrecht von Bargen, der die EarthCARE-Mission bei der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR betreut.

Deutsches Forschungsflugzeug HALO übernimmt Validierungskampagne
Zusammen bieten diese vier leistungsstarken Instrumente einen noch nie dagewesenen Einblick in das „Innenleben“ unserer Erdatmosphäre. „Doch EarthCARE ist nur dann leistungsstark, wenn die Instrumente richtig eingestellt sind. Dafür müssen die Messergebnisse im Weltraum immer wieder mit weiteren Messdaten aus der Luft und vom Boden verglichen werden. Das machen wir unter anderem in einer dreigeteilten Validierungskampagne, für die wir das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) mit vier Instrumenten bestückt haben, die mit denen von EarthCARE vergleichbar sind“, erklärt Dr. Silke Groß, die im DLR-Institut für Physik in der Atmosphäre diese Kampagnen leitet. Im August 2024 beginnen die Messflüge, koordiniert vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und dem Max-Plack-Institut für Meteorologie zusammen mit dem Leipziger Institut für Meteorologie sowie den Universitäten Hamburg, Köln und München von den Kapverden aus. Dort wird die Validierung durch Bodenmessungen des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) unterstützt. Im September geht es für HALO weiter nach Barbados, wo das Max-Planck-Institut für Meteorologie die Messflügen durch Bodenmessungen begleitet. Anschließend kehrt HALO zum DLR nach Oberpfaffenhofen zurück, wo im Herbst nochmal umfangreiche Flüge über Europa, dem extratropischem Nordatlantik und über die Alpen bis zum Mittelmeer unternommen werden sollen.

Mit den drei Flugzielen verfolgen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterschiedliche Ziele: „Über den Kapverden haben wir eine komplexe Situation unterschiedlicher Aerosole und Wolken, von flacher zu hochreichender Bewölkung, und können besonders gut die Wechselwirkung dieser Schwebeteilchen untersuchen. Bei den Flügen rund um Barbados erwarten wir eine geänderte Wolken- und Aerosolstruktur. Und mit den Flügen von Oberpfaffenhofen aus, untersuchen wir bei Flügen aus den Extratropen, über die Alpen bis in den Mittelmeerraum Aerosole und Wolken, die sich noch einmal deutlich von denen der anderen Flugziele unterscheiden. Dadurch haben wir ein möglichst großes Spektrum abgedeckt“, erklärt Dr. Silke Groß. Bei vielen dieser Flüge wird HALO genau unter dem EarthCARE-Satelliten fliegen, so dass die Messungen vom Satelliten, vom Forschungsflugzeug und von den Bodenstationen exakt vergleichbar sind. An der Flugkampagne sind die Ludwig-Maximilian-Universität München, die Universitäten Köln, Leipzig und Hamburg, das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und das Max-Planck-Institut für Meteorologie beteiligt sein. Koordiniert werden die Validierungsflüge mit Validierungsaktivitäten der Deutschen Forschungsgemeinschaft, unter anderem vom TROPOS, der Freien Universität Berlin, dem Forschungszentrum Jülich sowie dem Deutsche Wetterdienst. Betrieben wird HALO von der DLR-Einrichtung Flugexperimente.

Algorithmen aus Deutschland sollen „Datengold“ heben
Die vier Instrumente liefern gemeinsam Informationen für insgesamt 40 verschiedene Datenprodukte – zum Beispiel zur Wolkenbildung und -klassifizierung, zur Zusammensetzung der Aerosolschicht, zum Strahlungshaushalt der Atmosphäre aber auch zu Regen- und Schneeeigenschaften wie der genauen Tropfen- und Flockengröße. Rund die Hälfte der geophysikalischen Parameter aus den Datenprodukten werden direkt aus den Messungen eines einzelnen der vier Instrumente abgeleitet. Bei der anderen Hälfte werden diese Datenprodukte in weiterführenden Algorithmen genutzt, um synergetische geophysikalische Größen abzuleiten. Die Entwicklung dieser Rechenprozesse wurde von der ESA unter anderem mit maßgeblichen Anteilen an das TROPOS und die FU Berlin vergeben und findet damit auch in Deutschland statt. „Die Algorithmenentwicklung ist aus der Erdbeobachtung schon seit Jahren nicht wegzudenken. Sie erlaubt es aus Rohdaten kalibrierte Information bereitzustellen und daraus wiederum geophysikalische Größen mit Hilfe von Rechenvorschriften anhand von physikalischen Zusammenhängen abzuleiten. Ohne Algorithmen ist auch die EarthCARE-Mission nicht vorstellbar. Sie helfen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dabei, das Optimum an Information aus den eigentlichen Messungen herauszuholen wie zum Beispiel die von TROPOS zur Verfügung gestellten Algorithmen zur Berechnung der Wolkenobergrenze und Aerosolparametern aus ATLID-Messdaten. Künftig werden wir wie bei anderen Erdbeobachtungsmissionen auch erwarten können, dass KI-basierte Ansätze – natürlich streng anhand der Geophysik evaluiert – verfolgt werden, um vertiefte weiterführende Auswertungen durchzuführen“, erklärt Dr. Albrecht von Bargen. Um diesen Datenschatz und deren Nutzung allen interessierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und einem erweiterten Kreis in Deutschland weitergehend zu erläutern und zugängig zu machen, wurde bei der Ludwigs-Maximilians-Universität in München ein Projektbüro eingerichtet, dass die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm fördert.

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• EarthCARE (ESA Earth Explorer 6) auf Falcon 9

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

17. Februar 2022 – Die Forscher und Forscherinnen konnten sechs Verschmelzungen identifizieren, inklusive eines bislang unbekannten Ereignisses, das von den Forscher*innen auf den Namen „Pontus“ getauft wurde. Die neuen Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Rekonstruktion der Milliarden Jahre währenden Geschichte unserer Galaxie. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astrophysical Journal veröffentlicht.

Auf künstlerischen Darstellungen der Milchstraße sieht unsere Heimatgalaxie wie eine leuchtende Scheibe aus Sternen aus. Einige davon bilden ein Muster wirbelnder Spiralarme. Weniger auffällig, aber dennoch interessant, ist der stellare Halo unserer Galaxie: eine riesige kugelförmige Region aus Sternen, die die gesamte galaktische Scheibe samt umliegender Regionen umgibt. Nach unserem derzeitigen Wissen zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße finden sich in diesem Halo die ältesten Sterne in unserer Galaxie.

Der stellare Halo ist dabei so etwas wie ein Archiv der Wechselwirkungen unserer Heimatgalaxie mit ihrer Umgebung. Von Zeit zu Zeit kommt eine kleinere Galaxie der Milchstraße so nahe, dass die Schwerkraft unserer Heimatgalaxie sie einfängt. Die Schwerkraft unserer eigenen Galaxie wirkt dabei stärker auf diejenigen Teile der eingefangenen Galaxie, die uns näher sind, und schwächer auf diejenigen Teile, die weiter entfernt sind. Durch dieses ungleiche Ziehen wird dir eingefangene Galaxie zu einem länglichen Strom von Sternen und Gas auseinandergezogen, der als Sternstrom bezeichnet wird. Dieser Sternstrom umkreist dann weiterhin den Halo, auch wenn sich seine Sterne im Laufe der kommenden Milliarden Jahre immer mehr verlaufen.

Der Weg zur Verschmelzungs-Karte
Weitere Bestandteile der kleineren Galaxie dürften ebenfalls in unserem Halo erhalten geblieben sein. Galaxien enthalten so genannte Kugelsternhaufen: kompakte Haufen von (meist älteren) Sternen, die durch ihre gegenseitige Schwerkraft stark aneinander gebunden sind. Außerdem werden Galaxien normalerweise von noch kleineren Satellitengalaxien umkreist. Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien einer kleineren Galaxie, die mit der Milchstraße verschmolzen ist, landen ebenfalls im Halo der Milchstraße.

Die neue Studie unter der Leitung von Khyati Malhan, einem Postdoktoranden am Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA], ist ein ehrgeiziger Versuch, Daten über Sternströme, Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien zusammenzuführen, um auf diese Weise einen umfassenden „Verschmelzungsatlas“ für die Milchstraße zu erstellen: eine Karte, die zeigt, welche der sichtbaren Objekte Überbleibsel welcher Verschmelzungen sind, die unsere Heimatgalaxie durchgemacht hat.

Genaue Daten von der ESA-Mission Gaia
Die Analyse war nur möglich, weil vor kurzem ein einzigartiger Datensatz verfügbar wurde: die Vorab-Version des Data Release 3 (Early Data Release 3, EDR3) der Gaia-Mission der ESA. Die 2013 gestartete Gaia-Mission, deren erste Daten 2016 veröffentlicht wurden, liefert sogenannte astrometrische Daten für mehr als eine Milliarde Sterne, vor allem sehr genaue Positionen sowie Informationen über die Veränderungen der Sternposition am Himmel mit der Zeit („Eigenbewegung“).

Mit Hilfe der Gaia-Daten konnte die Zahl der bekannten Sternströme bereits von rund 25 auf rund 50 verdoppelt werden. Sternströme sind am Nachthimmel nicht ohne Weiteres zu erkennen. Schaut man sich Bilder von Himmelsregionen an, auf denen die Sterne eines Sternstroms mit zu sehen sind, ist ohne eine weitergehende Analyse oft gar nicht zu erkennen, dass dort ein Sternstrom vorhanden ist. Aber die Daten von Gaia für die Eigenbewegung von Milliarden von Sternen am Himmel, die in der zweiten Datenfreigabe (DR2) durch so genannte Radialgeschwindigkeitsmessungen für 7 Millionen Sterne ergänzt wurden (ein Maß für die Bewegung eines Sterns auf uns zu oder von uns weg), ermöglichen die Rekonstruktion der Bewegung von Sternen. Und nahe beieinander liegende Sterne, die sich außerdem in etwa in die gleiche Richtung bewegen, sind ein verräterisches Indiz dafür, dass jene Sterne Teil ein und desselben Sternstroms sind.

Wirkungsvariable und eine systematische Analyse
Die Arbeit von Malhan und seinen Kollegen und Kolleginnen nutzt Gaia-Daten nicht für einzelne Sterne, sondern um die Bewegung der Sternströme, Kugelsternhaufen und Satellitengalaxien im stellaren Halo zu rekonstruieren. Die Forscher und Forscherinnen fanden die notwendigen Daten mit der für ihre Rekonstruktion erforderlichen Genauigkeit im Early Data Release 3 (EDR3) der Gaia-Mission, der am 3. Dezember 2020 veröffentlicht wurde.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Bewegung in einem Gravitationspotenzial zu beschreiben, aber eine bestimmte Gruppe von Größen, sogenannte „Wirkungsvariablen“, erwies sich als besonders geeignet für die vorliegende Aufgabe. Die Wirkungsvariablen ähneln bekannten physikalischen Größen wie Energie oder Drehimpuls, die sich aus der Bewegung eines Objekts errechnen lassen, sind allerdings deutlich abstrakter. Sie haben einen entscheidenden Vorteil: Verschmilzt eine kleinere Galaxie mit der Milchstraße, dann sind sich die Werte der Wirkungsvariablen für alle beteiligten Komponenten – Sterne, Satelliten, Kugelsternhaufen – untereinander sehr ähnlich, und das über den gesamten Ablauf des Verschmelzungsprozesses hinweg. Eine Auswertung der Wirkungsvariablen kann deswegen umgekehrt Aufschluss darüber geben, welche Objekte ursprünglich Teil derselben Galaxie und damit desselben Verschmelzungsprozesses waren.

Eine Verschmelzung namens Pontus
Die Forscher und Forscherinnen berechneten aus den Gaia EDR3-Daten die Werte der Wirkungsvariablen für insgesamt 170 Kugelsternhaufen, 41 Sternströme und 46 Satellitengalaxien. Ganze 62 der Objekte konnte ihre statistische Analyse tatsächlich insgesamt sechs verschiedenen Verschmelzungen zuordnen, von denen fünf bereits bekannt waren: Sagittarius, Cetus, Gaia-Sausage/Enceladus, LMS-1/Wukong und Arjuna/Sequoia/I’itoi.

Aber auch eine vorher nicht bekannte Verschmelzung entdeckten die Forscher und Forscherinnen dabei. Sie gaben der Verschmelzung und der dabei beteiligten kleineren Galaxie den Namen Pontus. Die kleinere Galaxie Pontus, die mit unserer verschmolz, bewegte sich dabei entgegengesetzt zur Rotation der Milchstraßenscheibe, und das bei vergleichsweise geringer Energie. Das könnte darauf hindeuten, dass diese spezielle Verschmelzung schon sehr lange her ist.

Verschmelzung mit einer metallarmen Galaxie
Die Analyse lieferte außerdem neue Daten über eine bereits zuvor bekannte Verschmelzung: Sie zeigte, dass drei bereits zuvor bekannte Sternströme tatsächlich ein Teil der LMS-1/Wukong-Verschmelzung waren, die 2020 entdeckt wurde. Interessanterweise sind dies die „metallärmsten“ Sternströme, die wir kennen. Dabei muss man wissen: Metalle sind im Sprachgebrauch der Astronomie alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. Enthielt die Vorläufergalaxie nur sehr wenige dieser schwereren Elemente, dann ist wahrscheinlich, dass sie bereits sehr früh in der kosmischen Geschichte entstand. (Die Verschmelzung jener Galaxie mit unserer Milchstraße könnte allerdings auch erst sehr viel später stattgefunden haben.)

Für die übrigen 195 Objekte gibt es mehrere Möglichkeiten. Diese Objekte könnten Teil deutlich kleinerer Galaxien gewesen sein, die mit der Milchstraße verschmolzen sind und keine größeren Objektgruppen zurückgelassen haben. Sie könnten auch ein Hinweis auf die Grenzen der verwendeten Methode sein. Dafür spricht, dass die Forscher einen Kandidaten für eine siebte Verschmelzung durch direktes Nachschauen in ihrem Wirkungsvariablen-Diagramm fanden, während die automatische Auswertung diese und zwei andere, vorher bereits bekannte Verschmelzungen übersehen hatte. Letztlich braucht es offenbar mehrere sich ergänzende Ansätze, um die kosmische Geschichte unserer Heimatgalaxie zu rekonstruieren. Aber alles in allem machen die sechs automatisch nachgewiesenen Verschmelzungen (plus der zusätzliche Kandidat) den Großteil der geschätzten neun bis zehn Verschmelzungen mit massereicheren Galaxien aus, die unsere Heimatgalaxie in ihrem bisherigen Leben überhaupt durchgemacht hat.

Nächste Schritte
Die jetzt neu veröffentlichte Analyse liefert dabei noch keine Rekonstruktion der kosmischen Ereigniskette – sagt also nichts darüber aus, in welcher Reihenfolge die Verschmelzungen stattfanden. Diese Reihenfolge planen die Forscher und Forscherinnen in einem nächsten Schritt herauszufinden, indem sie die möglichen Abfolgen der Verschmelzungen simulieren. Klappt alles wie geplant, dann sollte der Vergleich zwischen den Ergebnissen dieser Simulationen einerseits und den verfügbaren Daten andererseits zeigen, wie sich der stellare Halo unserer Galaxie in den letzten Milliarden Jahren mehr und mehr gefüllt hat – ein Verschmelzungsereignis nach dem anderen.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als K. Malhan et al., „The Global Dynamical Atlas of the Milky Way mergers: constraints from Gaia EDR3 based orbits of globular clusters, stellar streams and satellite galaxies“ im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Khyati Malhan und Nicolas Martin (außerdem Université de Strasbourg) in Zusammenarbeit mit Rodrigo A. Ibata (Université de Strasbourg), Sanjib Sharma (Sydney Institute for Astronomy), Benoit Famaey (Université de Strasbourg) und anderen.

Publikation
The Global Dynamical Atlas of the Milky Way mergers:
constraints from Gaia EDR3 based orbits of globular clusters, stellar streams and satellite galaxies
https://arxiv.org/abs/2202.07660
pdf.: https://arxiv.org/pdf/2202.07660

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• Die Milchstraße

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Quelle: Universität Wien.

Sternhaufen prägen seit mehreren tausend Jahren die Vorstellung der Menschen. Die nächstgelegensten und hellsten Sternhaufen wie etwa die bekannten Pleiaden sind nachts deutlich als dicht konzentrierte Regionen von Sternen mit freiem Auge beobachtbar. Eine entscheidende Eigenschaft dieser Sternhaufen blieb jedoch bis vor Kurzem verborgen: Sie besitzen massereiche so genannte Halos, die auch als Corona bezeichnet werden. Die erstmalige Entdeckung der Existenz dieser stellaren Hüllen der dichten Haufenzentren gelang nun einem Team von Astronom*innen um Stefan Meingast an der Universität Wien. Messungen zeigen erstmals die gewaltige Zahl an Sterngeschwistern, die die Zentren der Sternhaufen umgeben. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

„Sternhaufen sind große Sternfamilien, welche oft über einen großen Teil ihrer Lebenszeit zusammenbleiben. Nach aktuellem Wissensstand kennen wir zwar bereits einige tausend Sternhaufen in der Milchstraße, jedoch können wir sie zurzeit nur als solche identifizieren, da sie als sternreiche und helle Objekte am Nachthimmel erkennbar sind. Über lange Zeitspannen neigen Sterne aber auch dazu, ihre Krippe zu verlassen und in Nachbarschaften voller fremder Sterne zu wandern, wodurch sie praktisch nicht von ihren Nachbarn unterschieden werden können und ihre Identifikation eine wahre Herausforderung wird“, erklärt Stefan Meingast, Erstautor der aktuellen Studie über die Neuentdeckung der Coronas. „Es wird vermutet, dass auch unsere Sonne innerhalb eines Sternhaufens entstand und im Laufe der Zeit ihre Geschwister weit hinter sich gelassen hat“, fügt er hinzu.

Ermöglicht hat diese Entdeckung das ESA-Weltraumteleskop Gaia. Sternhaufen bilden also nur die sprichwörtliche Spitze des Eisbergs einer viel größeren Sternpopulation.

„Unsere Messungen zeigen erstmals die gewaltige Zahl an Sterngeschwistern, welche die bekannten Zentren der Sternhaufen umgeben. Es sieht so aus, als ob Sternhaufen von reich besiedelten Halos oder Coronas umhüllt sind, welche vielfach größer sein können als der ursprünglich bekannte Haufen und somit unsere bisherigen Vorstellungen bei Weitem übertreffen. Die dichten, am Nachthimmel sichtbaren Sterngruppen bilden demnach einfach einen Teil einer viel größeren Einheit“, so Alena Rottensteiner, Koautorin und Masterstudentin an der Universität Wien. Sie fügt hinzu: „Eine große Aufgabe wird vor allem sein, unsere bisherigen Vorstellungen und Konzepte der elementaren Eigenschaften von Sternhaufen zu überarbeiten und zu versuchen, den Ursprung der neu entdeckten Coronas zu verstehen.“

Um die verschollenen Sterngeschwister zu finden, entwickelte das Team eine neue Methode, welche mit Hilfe von maschinellem Lernen Sterngruppen analysiert und nachverfolgt, wie Sterne gemeinsam über den Himmel ziehen. Das Team untersuchte zehn Sternhaufen und identifizierte dabei tausende bisher unerkannte Sterngeschwister, die sich oft hunderte Lichtjahre entfernt vom kompakten Haufenzentrum befinden, jedoch trotzdem eindeutig derselben Sternfamilie angehören. Eine Erklärung für den Ursprung der Coronas gibt es noch nicht, dennoch sind die Forscher*innen zuversichtlich, dass ihre Ergebnisse Sternhaufen neu definieren und nachhaltig zum Verständnis ihrer Entstehungsgeschichte und Entwicklung beitragen werden.

„Die von uns betrachteten Sternhaufen galten aufgrund ihrer jahrhundertelangen Erforschung bereits als weitgehend bekannte Prototypen. Nun sieht es jedoch so aus, als müssten Astronom*innen in größeren Maßstäben zu denken beginnen“, so João Alves, Professor für stellare Astrophysik an der Universität Wien und Koautor der Publikation. „Unsere Entdeckung kann uns auch viel über die Entstehung der Milchstraße sagen“, ergänzt Alves. „Wir sehen, dass Sternhaufen und ihre Coronas günstige Orte für die Entwicklung junger Planeten sind.“

Das Forscher*innenteam konzentriert seine Bemühungen nun darauf, weitere Mysterien um die neu entdeckten Coronas zu entschlüsseln. Interessierte Studierende sind dazu eingeladen, sich dem Rennen um neue Entdeckungen über das Projekt From Coronae to Streams: The true Birthplaces of Stars als Teil der Vienna International School of Earth and Space Sciences (https://visess.univie.ac.at) anzuschließen. Unter https://visess.univie.ac.at/how-to-apply/ kann man sich für die Doktoratsschule VISESS bewerben.

Eine interaktive Visualisierung der neu entdeckten Populationen ist unter https://homepage.univie.ac.at/stefan.meingast/coronae.html verfügbar.

Publikation in „Astronomy & Astrophysics“:
DOI: Extended stellar systems in the solar neighborhood – V. Discovery of coronae of nearby star clusters, Stefan Meingast, João Alves, Alena Rottensteiner, Vol., 2020.
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• Sternhaufen

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Quelle: MPA.

Ein Großteil der Materie im Universum ist dunkel und nicht direkt beobachtbar. Ein internationales Forscherteam hat nun in der Zeitschrift Nature Simulationen veröffentlicht, bei denen sie mit Hilfe von Supercomputern in China und Europa in eine typische Region eines virtuellen Universums hineinzoomen. Dieser Zoom umfasst eine noch nie dagewesene Detailschärfe, vergleichbar mit einer Vergrößerung, um einen Floh auf der Oberfläche des Vollmondes zu erkennen. Dadurch konnte das Team detaillierte Bilder von Hunderten virtueller Halos aus dunkler Materie erstellen, von den allergrößten bis zu den allerkleinsten, die man in unserem Universum finden dürfte.

Dunkle Materie spielt eine wichtige Rolle in der kosmischen Entwicklung. Galaxien sind gewachsen, als sich Gas abkühlte und im Zentrum riesiger Klumpen dunkler Materie, sogenannten Halos aus dunkler Materie, kondensierte. Im Laufe der kosmischen Entwicklung entkoppelten die Halos von der Hintergrundexpansion des Universums infolge der Anziehungskraft ihrer eigenen dunklen Materie. Astronomen können aus den Eigenschaften der Galaxien und ihrem Gas auf die Struktur großer Halos aus dunkler Materie schließen, aber sie haben keine Informationen über Halos, die zu klein sind, um eine Galaxie zu enthalten.

Die größten Halos aus dunkler Materie im heutigen Universum enthalten riesige Galaxienhaufen, Ansammlungen von Hunderten von hellen Galaxien. Ihre Eigenschaften sind gut untersucht, und sie wiegen über eine Billiarde (10¹⁵) Mal so viel wie unsere Sonne. Andererseits sind die Massen der kleinsten Halos aus dunkler Materie unbekannt. Die Theorie der dunklen Materie, die dem neuen Supercomputer-Zoom zugrunde liegt, lässt vermuten, dass sie eine Masse ähnlich der Erdmasse haben könnten. Solch kleine Halos wären extrem zahlreich und würden einen beträchtlichen Anteil der gesamten dunklen Materie im Universum enthalten, allerdings würden sie während der gesamten kosmischen Geschichte dunkel bleiben, weil Sterne und Galaxien nur in Halos wachsen, die mindestens eine Million Mal massereicher sind als die Sonne.

Das Forschungsteam mit Sitz in China, Deutschland, Großbritannien und den USA hat fünf Jahre lang seinen kosmischen Zoom entwickelt, getestet und durchgeführt. Damit konnten sie die Struktur der Halos aus dunkler Materie mit allen Massen zwischen der Erde und einem großen Galaxienhaufen untersuchen. In Zahlen: Der Zoom deckt einen Massenbereich von 10³⁰ ab (d.h. eine 1 gefolgt von 30 Nullen), was der Anzahl der Kilogramm in der Sonne entspricht.

Überraschenderweise stellten die Astrophysiker fest, dass alle Halos sehr ähnliche innere Strukturen aufweisen: Sie sind im Zentrum sehr dicht, werden nach außen hin zunehmend diffuser und in ihren äußeren Regionen gibt es kleinere Klumpen, die um die Halos kreisen. Ohne einen Maßstab ist es fast unmöglich, das Bild eines Dunkle-Materie-Halos einer massereichen Galaxie von einem Halo mit weniger als einer Sonnenmasse zu unterscheiden. „Unsere Ergebnisse haben uns wirklich überrascht“, sagt Simon White vom MPI für Astrophysik. „Jeder dachte, dass die kleinsten Klumpen dunkler Materie ganz anders aussehen würden als die großen, die wir schon viel besser kennen. Aber als wir nun endlich in der Lage waren, ihre Eigenschaften zu berechnen, sahen sie genau gleich aus.“

Das Ergebnis hat auch eine potenzielle praktische Anwendung. Teilchen aus dunkler Materie könnten nahe den Zentren von Halos kollidieren und sich – einigen Theorien zufolge – gegenseitig vernichten, wobei energiereiche (Gamma-)Strahlung ausgesendet wird. Die neue Zoom-Simulation erlaubt es den Wissenschaftlern zu berechnen, wie stark die zu erwartende Strahlung für Halos unterschiedlicher Masse sein würde. Ein Großteil dieser Strahlung könnte von Halos aus dunkler Materie stammen, die zu klein sind, um Sterne zu enthalten. Zukünftige Gammastrahlen-Observatorien könnten in der Lage sein, diese Emission nachzuweisen und die kleinen Objekte einzeln oder in der Summe „sichtbar“ zu machen. Dies würde die vermutete Natur der dunklen Materie bestätigen, die vielleicht doch nicht ganz dunkel ist!

Originalveröffentlichung
J. Wang, S. Bose, C. S. Frenk, L. Gao, A. Jenkins, V. Springel, S. D. M. White
Universal structure of dark matter haloes over a mass range of 20 orders of magnitude
Nature, 2 September 2020.

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• Dunkle Materie

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Ein Beitrag von Lars-C. Depka. Quelle: Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen. Vertont von Peter Rittinger.

Die Ältesten unter den Sternen der Milchstraße befinden sich in ihrem kugelförmigen galaktischen Halo. Diese Art „Atmosphäre“ der Milchstraße besitzt einen Durchmesser von etwa 165.000 Lichtjahren. Neben fast ausschließlich älteren, sogenannten Population-II-Sternen, kommen dort noch etwa 150 Kugelsternhaufen, sowie große Mengen Dunkler Materie vor. Anders als die galaktische Scheibe ist der Halo weitgehend staubfrei. Sowohl der Orbit der Population-II-Sterne, als auch der der Kugelsternhaufen, zeichnet sich durch seine starke Neigung gegen die galaktische Ebene aus.

Nach gängiger Vorstellung der Sternentstehung sollten die Halosterne über keine höheren Anteile an Metallen verfügen. Die Metallizität, d. h. die Metallhäufigkeit, ist eine in der Astrophysik gebräuchliche Bezeichnung für die Häufigkeit der schweren chemischen Elemente in Sternen. Als „Metalle“ werden dabei, abweichend von der chemischen Bedeutung dieses Begriffes, meist alle Elemente mit Ausnahme des Wasserstoffs und des Heliums bezeichnet. Die schweren Elemente wurden im Universum erst durch Kernreaktionen in Sternen gebildet (der Nukleosynthese), daher hängt die Metallizität eng mit der Entstehungszeit eines Sternes zusammen. Sterne mit niedriger Metallizität, also die Population-II-Sterne des Halos, sind in einem früheren Entwicklungsstadium des Universums entstanden als erst wenige „Metalle“ vorhanden waren. Demgegenüber sind Sterne mit hoher Metallizität zu einem späteren Zeitpunkt aus der mit schweren Elementen angereicherten „Asche“ früherer Sternengenerationen entstanden.

Aus diesem Grunde überrascht der spektroskopische Nachweis von abnorm hohen Gold-, Platin- und Urananteilen in einigen der Halosterne unserer Milchstraße, die zwar schon länger bekannt, deren Herkunft nichtsdestoweniger ungeklärt blieb. Zwei unterschiedliche Ansichten dominieren in dieser Frage. Ein neuer Erklärungsansatz könnte nun helfen, mehr Klarheit zu schaffen.

In der unmittelbaren Folge des Urknalls, während der sogenannten primordialen Nukleosynthese, die einen Zeitraum ab etwa drei Minuten nach der Anfangssingularität beschreibt, bestand das Universum nach den Vorstellungen des kosmologischen Standardmodells im Wesentlichen aus Dunkler Materie sowie den Elementen Wasserstoff und Helium.

Aus diesen Elementen setzten sich dann auch die Sterne der ersten Generation, die sogenannten Population-III-Sterne, zusammen. In ihrem Inneren erbrüteten sie die ersten schwereren Metalle wie Kohlen- und Sauerstoff. Einmal in Gang gesetzt, bildeten die nach und nach weiter entstehenden Sterne in kosmologisch relativ kurzen Zeitskalen von einigen hundert Millionen Jahren alle natürlichen Elemente des Periodensystems. Als Ergebnis dieser ungeheuren Produktivität, weist unsere Sonne heute eine tausendfach höhere Metallhäufigkeit als ihre Vorgängergenerationen auf.

Nicht so recht ins Bild wollen daher ca. 2% der Sternfossilien im galaktischen Halo passen, die einen für ihr Alter nicht nachvollziehbar hohen Metallanteil aufweisen. Die bis jetzt am intensivsten diskutierte Theorie geht davon aus, dass die Mehrheit dieser alten aber doch metallreichen Sterne die übriggebliebenen Mitglieder früherer enger Binärsysteme darstellen. Ihr jeweiliger Partner ist längst in einer Supernovaexplosion vergangen. Die im Rahmen seines Untergangs in die lokale Umgebung abgegebenen Elemente haben sich wie ein feiner Gold- oder Platinüberzug auf das masseärmere Mitglied des ehemaligen Doppelsternsystems gelegt.

Eine zweite Überlegung sieht eher eine Art „Gießkannenprinzip“ als Verteilungsgrundlage. Auch hierbei spielen Supernovaexplosionen die entscheidende Rolle, allerdings verteilen sie die zuvor erbrüteten Elemente durch Jets in verschiedene Richtungen. Die Metalle lagern sich schließlich in diffusen Gaswolken an, aus denen dann wiederum die heute im Milchstraßenhalo zu beobachtenden Population-II-Sterne kondensierten.

Das möglicherweise entscheidende Indiz zur Klärung der Frage lieferten jetzt drei Sterne dieser rätselhaften 2%. Sie weisen im Gegensatz zum Rest klar definierbare orbitale Bewegungen auf, aus denen sich mit Hilfe numerischer Simulationen nachweisen ließ, dass die große Mehrheit der bekannten 17 metallreichen Halosterne tatsächlich als Einzelsterne angesehen werden muss. Bei lediglich drei Sternen, knapp 20% von ihnen, konnte ein Binärzusammenhang aufgeschlüsselt werden. Ein Ergebnis, des in seiner Gesamtschau gut mit dem allgemein akzeptierten Wert der Milchstraße verträglich ist. Etwa 50% aller Sterne der Milchstraße sind nach dieser Annahme keine Einzelsterne. Allerdings beinhaltet diese Hälfte Sternpopulationen von gravitativen und scheinbaren Doppel- sowie Mehrfachsystemen. Der Wert von reinen Binärsystemen in der Milchstraße wird bei ebenfalls 20% angenommen.

Die generelle Annahme einer Historie als Zweifachsystem kann demzufolge als Erklärung der hohen Metallizität der Halosterne nicht so ohne Weiteres übernommen werden. Weitaus plausibler erscheint die Anreicherung der lokalen Umgebung bzw. Gaswolken aus verschiedenen Richtungen als Folge von Supernovaexplosionen.

Raumcon:

• Metallgehalt von Sternen

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: New Scientist.

Er wird am 24. Februar 61 Millionen Kilometer von der Erde entfernt sein und dabei so von der Sonne aufgeheizt sein, dass ausreichend Eis verdampft, um dem Kometen zu einer ansehnlichen Halo und einem großen Schweif zu verhelfen. Dieser könnte etwa 8 Monddurchmesser lang sein und eine Magnitude von +5 haben. Das liegt knapp über der Sichtbarkeitsgrenze. Mit einem Fernglas verbessern sich die Beobachtungsbedingungen natürlich.

Allerdings ist Lulin, wenn überhaupt, bereits vor 10 Millionen Jahren zum letzten Mal in Sonnennähe gewesen. Durch den langen Zeitraum könnte die Oberfläche soweit verkrustet sein, dass sich sein Verhalten in relativer Sonnennähe schwer vorhersagen lässt.

Der Astronom Gary Kronk hält es aber für wahrscheinlich, dass man den Kometen gut sehen kann. Möglicherweise wird man sogar einen Doppelschweif sehen. Da Lulin zum Zeitpunkt der besten Sichtbarkeit in der Bahnebene der Erde sein wird, sehen wir die Teilung des Schweifes direkt hinter dem Kometenkern, in dem sich schwerere Partikel längere Zeit im Sonnenwindschatten aufhalten.

Im Februar befindet sich Lulin im Sternbild Jungfrau und wechselt später in den Löwen, wodurch man ihn ab Ende Februar die gesamte Nacht beobachten könnte, klaren Himmerl natürlich immer vorausgesetzt.

Raumcon:

• Kometen-Thread ab Lulin

Website:

• Lulin bei SpaceWeather

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Ein Beitrag von Roger Spinner. Quelle: none.

Diese Entdeckung könnte neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Entstehung des Halos unserer Milchstrasse liefern.
Die meisten Sterne in unserer Milchstrasse liegen innerhalb einer flachen, spiralförmigen Scheibe, die unserer Galaxie ihre typische Form verleiht. Galaxien die unserer Milchstrasse ähneln wurden schon oft fotografiert. Auf solchen Aufnahmen erkennt man neben der eigentlichen galaktischen Scheibe oftmals einen sehr diffusen, kugelförmigen „Halo“ von Sternen der diese Scheibe umgibt.
In solchen Halos findet man in der Regel eine grosse Anzahl von Kugelsternhaufen sowie viele ältere Einzelsterne. Jüngste Entdeckungen weisen darauf hin, dass es sich bei diesen Sternen um Überreste kleinerer Begleitgalaxien handelt. Diese kleineren Begleiter wurden im Laufe der Jahrmillionen von den Gravitationskräften unserer Galaxis zerrissen.

Die nun kürzlich entdeckte Ansammlung von Sternen, genannt SDSSJ1049+5103 oder Willman 1, ist so schwach, dass sie nur dank einer leichten Erhöhung der Anzahl schwacher Sternen in einem kleinen Himmelsausschnitt gefunden werden konnte. Bei dem gefundenen Objekt könnte es sich um eine extrem lichtschwache Zwerggalaxie handeln.

„Wir entdeckten dieses Objekt als wir auf der Suche nach extrem lichtschwachen Begleitgalaxien der Milchstrasse waren“, erklärt Dr. Beth Willman vom Center of Cosmology und Particle Physics der New Yorker Universität. „Dennoch leuchtet es 200 mal schwächer als alle bisher gesehenen Galaxien.“

Eine andere Erklärung für diese ungewöhnliche Entdeckung könnte laut Michael Blanton, einem SDSS-Kollegen Willmans, ein ungewöhnlicher Typ eines Kugelsternhaufens sein.
„Seine Eigenschaften sind ziemlich ungewöhnlich für einen Kugelsternhaufen. Er ist, von drei Ausnahmen abgesehen, dunkler als alle bisher entdeckten Kugelsternhaufen. Darüber hinaus sind alle diese Kugelsternhaufen kompakter als Willman 1.“ Erklärt Blanton. „Falls es ein Kugelsternhaufen ist, wird er wahrscheinlich durch die Gravitationskraft der Milchstrasse verzerrt.“
Der Hauptunterschied zwischen einem Kugelsternhaufen und einer Zwerggalaxie ist der, dass Galaxien üblicherweise durch eine namhafte Masse von dunkler Materie begleitet werden, sagt Julianne Dalcanton, SDSS-Forscher an der University of Washington. „Klar, der nächste Schritt werden zusätzliche Messungen sein, um festzustellen, ob dunkle Materie vorhanden ist, die zu Willman 1 gehört.

Wenn sich Willman 1 als eine Zwerggalaxie entpuppt, könnte diese Entdeckung Licht auf ein lange gehütetes Geheimnis werfen.

Das allgemein geltende Modell über kalte dunkle Materie besagt, dass unsere Milchstrasse von hunderten von dunkler Materie Klumpen umgeben ist, jeder davon einige hundert Lichtjahre gross und möglicherweise bevölkert von Zwerggalaxien.

Bisher sind jedoch gerade mal 11 Zwerggalaxien, die die Milchstrasse umkreisen, entdeckt worden. Möglicherweise haben viele dieser Regionen sehr wenige eingebettete Sterne, was das Auffinden solcher Galaxien sehr erschwert.

„Wenn dieses neue Objekt tatsächlich eine Zwerggalaxie ist, könnte es die Spitze des Eisberges, einer noch völlig unentdeckten Population von ultra-schwachen Galaxien sein“, schlussfolgert Willman.

„Die Farbe der Sterne von Willman 1 ist mir der Farbe von Sternen im Strom des Schützen vergleichbar, einer früheren Begleitgalaxie der Milchstrasse, die sich jetzt gerade in unserer Hauptgalaxie verbindet, “ erklärt Brian Yanny, ein SDSS Astrophysiker am Department of Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory.
„Ob es nun ein Kugelsternhaufen oder eine Zwerggalaxie ist, dieses sehr lichtschwache Objekte scheint zumindest einen Baustein unserer Milchstrasse darzustellen, “ sagt Willman.

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Autor: Raumfahrer.net Redaktion

In einem Dokument, das diese Woche im Physical Review D erschienen ist, konnten Chung-Pei Ma, eine Astronomie-Professorin der kalifornischen Universität Berkeley und Edmund Bertschinger vom Massachusetts Institute für Technology (MIT) beweisen, dass die Bewegung dieser Gruppen ähnlich betrachtet werden kann wie die Brown’sche Bewegung von in der Luft schwebendem Pollen oder Staub. Ihre Entdeckung sollte Astrophysikern eine neue Möglichkeit geben, die Entwicklung dieses Geister-Universums der dunklen Materie zu erforschen.

Dunkle Materie ist seit nunmehr über 30 Jahren ein grundlegendes Problem der Astronomie. Sterne innerhalb von Galaxien und Galaxien innerhalb der Galaxiecluster bewegen sich auf eine Art, die darauf hindeutet, dass dort mehr Materie vorhanden ist, als wir sehen können. Diese nicht sichtbare Materie scheint sich in einem kugelförmigen Halo zu befinden, der sich zehn Mal weiter erstreckt als der sichtbare stellare Halo um Galaxien. Frühere Vorschläge, dass sich die unsichtbare Materie aus ausgebrannten Sternen oder schweren Neutrinos zusammensetzt, wurden noch nicht aufgegeben. Die derzeit heißesten Kandidaten für dunkle Materie sind verschiedene exotische Partikel wie Neutralinos, Axionen oder andere hypothetische supersymmetrische Teilchen. Weil diese exotischen Teilchen mit gewöhnlicher Materie nur über die Gravitation wechselwirken und eben keine elektromagnetischen Wellen austauschen, emittieren sie auch kein Licht.

„Nur die Hälfte aller Partikel können wir sehen“, erklärt Ma. „Sie sind zu schwer, um sie in aktuellen Teilchenbeschleunigern herzustellen. Deshalb wissen wir nichts über die andere Hälfte des Universums.“
Dieses Weltbild wurde vor vier Jahren getrübt, als die sogenannte „dunkle Energie“ entdeckt wurde, von der scheinbar mehr existierte als von der dunklen Materie. Heute geht man davon aus, dass die dunkle Energie 69 Prozent des Universums ausmacht, exotische dunkle Materie 27 Prozent, normale „dunkle Materie“ – eher dunkle und nicht sichtbare Sterne – drei Prozent und das, was wir sehen können, umfasst nur ein Prozent des Universums.

Basierend auf Computermodellen von dunkler Materie, die sich unter dem Einfluss der Gravitation durch den Raum bewegt, ist Ma der Ansicht, dass dunkle Materie kein einheitlicher Nebel ist, der Galaxiehaufen umhüllt. Vielmehr formt die dunkle Materie kleinere Gruppen, die oberflächlich betrachtet wie die Galaxien und globalen Galaxiehaufen in unserem sichtbaren Universum aussehen. Die dunkle Materie ist dynamisch und unabhängig von gewöhnlicher Materie, wie sie sagt.
„Der kosmische Mikrowellenhintergrund zeigt uns, wie im frühen Universum die Anhäufung der dunklen Materie stattfand, und wie diese Haufen wegen ihrer Schwerkraft langsam anwuchsen“, sagt Ma. „Man dachte jedoch, dass jeder der Haufen, ebenso der Halo rund um Galaxienhaufen, eben und glatt wäre. Doch wie hochauflösende Simulationen uns zeigen, sind diese nicht eben, sondern besitzen eine verwickelte, komplizierte innere Struktur.

Ma, Bertschinger und Michael Boylan-Kolchin, Student an der Universität von Berkeley in Kalifornien, führten selbst einige dieser Simulationen durch. In den letzten zwei Jahren konnten viele andere Forschergruppen ähnliche Gruppierungen aufzeigen. Das Geister-Universum der dunklen Materie ist eine Vorlage für das sichtbare Universum, erzählt Ma. Dunkle Materie ist 25 mal mehr vorhanden als normale sichtbare Materie, so dass die sichtbare Materie sich da ansammeln sollte, wo auch die dunkle Materie vorhanden ist. Darin liegt das Problem, erklärt Ma. Computersimulationen von der Entwicklung dunkler Materie sagen vorher, dass in einer Region viel mehr dunkle als leuchtende Materie zu sehen sein muss. Wenn gewöhnliche Materie der dunklen Materie folgt, sollte es eine etwa gleich große Anzahl beider Arten in einer Raumregion geben.

„Unsere Galaxie, die Milchstraße, hat über ein Dutzend Satelliten aus dunkler Materie, aber in Simulationen sehen wir tausende Satelliten“, sagt sie. „Dunkle Materie in der Milchstraße stellt eine dynamische, lebhafte Umgebung dar, in der tausende kleinere Dunkle Materie-Gruppen um einen großen, Dunkle-Materie-Halo herumschwirren und permanent miteinander wechselwirken und sich gegenseitig stören.“

Außerdem waren Astrophysiker, die die Bewegung dunkler Materie modellierten, verwirrt darüber, dass jede Gruppe eine Dichte hat, die zum Zentrum hin zu- und zu jeder Kante hin in der exakt selben Weise abnimmt, abhängig von ihrer Größe. Dieses universelle Dichteprofil scheint auch in Konflikt mit der Beobachtung einiger Zwerggalaxien zu stehen, die einige Kollegen Mas, Astronomie-Professor Leo Blitz und seine Forschungsgruppe, durchführten.

Ma hofft, dass ein neuer Ansatz, die Bewegung von dunkler Materie zu beobachten, diese Probleme lösen und Theorie und Beobachtung zur Übereinstimmung bringen wird. In ihrem Physical Review-Artikel, der Anfang des Jahres von der American Physical Society diskutiert wurde, bewiesen sie, dass die Bewegung von dunkler Materie fast analog zur Brown’schen Bewegung ist, die der Botanist Robert Brown 1828 beschrieb und von Albert Einstein erstmalig 1905 in einem Artikel erklärt wurde, für den er 1921 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Die Brown’sche Bewegung wurde zuerst als Zickzack-Pfad im Wasser schwimmender Samenkörner und Blütenstaub beschrieben, die mit den Wassermolekülen kollidieren. Das Phänomen ist gleich der Bewegung von Staub in der Luft und der dichter Gruppen dunkler Materie im Weltraum, sagt Ma.
Dieser Einblick „lässt uns eine andere Sprache benutzen und die Problematik von einem anderen Standpunkt aus betrachten“, um die Bewegung und die Entwicklung von dunkler Materie zu untersuchen, kommentiert sie diese Entdeckung.

Andere Astronomen, wie der Professor Ivan King, auch von der Universität Berkeley, nutzten die Theorie Browns dazu, um die Bewegung von Hunderten und Tausenden von Sternen innerhalb von Sterneclustern zu modellieren. Dies jedoch, wie Ma sagt, „ist das erste Mal, dass sie konsequent auf große, kosmische Maßstäbe übertragen wurde. Die Idee ist, dass wir zwar nicht genau wissen, wo sich die dunklen Materiehaufen befinden, aber dafür, wo sie sich statistisch gesehen aufgrund der Gravitation im System aufhalten müssen.“

Ma erkannte, dass die Brown’sche Bewegung der Haufen durch eine Gleichung bestimmt wird, nämlich die Fokker-Planck-Gleichung. Diese wird eigentlich benutzt, um stochastische oder zufällige Prozesse zu beschreiben, unter anderem auch den Aktienmarkt. Ma und ihre Mitarbeiter arbeiten zur Zeit daran, diese Gleichung für kosmologische dunkle Materie zu lösen.
„Es ist überraschend und wunderbar, dass die Entwicklung dunkler Materie, die Bildung von Gruppen, einer einfachen, 90 Jahre alten Gleichung gehorcht“, sagt sie. Die Arbeit wurde unterstützt von der National Aeronautics and Space Administration (NASA).

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