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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• Population III Sterne

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Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: ISTA 14. Dezember 2023.

14. Dezember 2023 – Die Ergebnisse, die im Fachjournal Science veröffentlicht wurden, gehen auf ein Gespräch zurück, das die beteiligten Professorinnen vor vielen Jahren als Nachwuchswissenschafterinnen führten.

Manche Sterne sterben nicht einfach ab. Sie explodieren in einem stellaren Knall, der ganze Galaxien überstrahlen kann. Diese kosmischen Phänomene, Supernovae genannt, verbreiten Licht, Elemente, Energie und Strahlung im Weltall. Mit den galaktischen Stoßwellen, die sie ausbreiten, komprimieren Supernovae Gaswolken und können neue Sterne erzeugen. Anders gesagt: Supernovae formen unser Universum. Jedoch haben wasserstoffarme Supernovae von explodierenden massereichen Sternen Astrophysiker:innen lange Zeit vor ein Rätsel gestellt. Der Grund: Die Wissenschafter:innen waren nicht in der Lage, ihre Vorläufersterne zu identifizieren. Es ist fast so, als wären diese Supernovae aus dem Nichts aufgetaucht.

„Es gibt viel mehr wasserstoffarme Supernovae, als unsere derzeitigen Modelle erklären können. Entweder können wir die Sterne, die sich auf diesem Weg entwickeln, nicht entdecken, oder wir müssen alle unsere Modelle überarbeiten“, sagt ISTA-Assistenzprofessorin Ylva Götberg. Sie leistete zusammen mit Maria Drout, einer assoziierten Assistenzprofessorin des Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics an der Universität Toronto, Kanada, Pionierarbeit bei dieser Untersuchung. „Einzelne Sterne explodieren normalerweise als wasserstoffreiche Supernovae. Dass sie wasserstoffarm sind, bedeutet, dass der Vorläuferstern seine dicke, wasserstoffreiche Hülle verloren haben muss. Dies geschieht bei einem Drittel aller massereichen Sterne auf natürliche Weise durch Abstreifen der Hülle durch einen Doppelstern“, sagt Götberg. Nun haben Götberg und Drout ihre Kompetenzen in der theoretischen Modellierung und Beobachtung kombiniert, um die fehlenden Sterne aufzuspüren. Ihre Suche ist erfolgreich: Sie dokumentieren eine neuartige Sternpopulation, die endlich eine große Wissenslücke schließt und Licht auf den Ursprung wasserstoffarmer Supernovae wirft.

Doppelsterne und Massentransfer
Die Sterne, nach denen Götberg und Drout suchen, kommen paarweise vor: jeder Stern ist mit einem Begleitstern in einem Doppelsternsystem verzahnt. Einige Doppelsternsysteme sind uns Erdbewohner:innen gut bekannt: Dazu gehören der hellste Stern an unserem Nachthimmel, Sirius A, und sein schwacher Begleitstern Sirius B. Das Sirius-Binärsystem ist nur 8,6 Lichtjahre von der Erde entfernt – ein Katzensprung in kosmischer Hinsicht. Dies erklärt die beobachtete Helligkeit von Sirius A an unserem Nachthimmel.

Astrophysiker:innen gehen davon aus, dass die fehlenden Sterne ursprünglich aus massereichen Doppelsternsystemen entstanden sind. In einem Doppelsternsystem kreisen die Sterne umeinander, bis sich die dicke, wasserstoffreiche Hülle des massereicheren Sterns ausdehnt. Schließlich wird die expandierende Hülle stärker an den Begleitstern angezogen als auf den eigenen Kern. Dadurch setzt ein Massentransfer ein, der schließlich dazu führt, dass die gesamte wasserstoffreiche Hülle abgestreift wird und der heiße und kompakte Heliumkern freiliegt – mehr als zehnmal so heiß wie die Sonnenoberfläche. Dies ist genau die Art von Sternen, nach denen Götberg und Drout suchen. „Wissenschafter:innen ahnten bereits, dass Heliumsterne mittlerer Masse, die durch binäre Wechselwirkung entstanden sind, eine wichtige Rolle in der Astrophysik spielen. Dennoch wurden solche Sterne bisher nicht beobachtet“, sagt Götberg. Tatsächlich gibt es eine große Masselücke zwischen den bekannten Klassen von Heliumsternen: die massereicheren Wolf-Rayet-Sterne (WR) haben mehr als das Zehnfache der Sonnenmasse, und die massearmen Unterzwergsterne könnten etwa die Hälfte der Sonnenmasse haben. Laut Modellen liegen jedoch die Vorläufer wasserstoffarmer Supernovae nach dem Massentransfer zwischen 2 und 8 Sonnenmassen.

Nicht nur eine Nadel im Heuhaufen
Vor der Studie von Götberg und Drout wurde nur ein Stern gefunden, der die erwarteten Kriterien für Masse und Zusammensetzung erfüllte. Dadurch, dass er an Wolf-Rayet-Sterne erinnerte, wurde er „Quasi-WR“ benannt. „Doch die Sterne, die sich auf diesem Weg entwickeln, haben eine so lange Lebensdauer, dass viele von ihnen über das gesamte beobachtbare Universum verstreut sein müssen“, sagt Götberg. Haben die Wissenschafter:innen sie einfach nicht „gesehen“? So nutzten Götberg und Drout ihr komplementäres Fachwissen. Mit Hilfe von UV-Photometrie und optischer Spektroskopie identifizierten sie eine Population von 25 Sternen, die mit den Erwartungen für Heliumsterne mittlerer Masse übereinstimmen. Die Sterne befinden sich in zwei gut untersuchten benachbarten Galaxien, der Großen und der Kleinen Magellanschen Wolke. „Wir haben gezeigt, dass diese Sterne blauer sind als die Sternen-Geburtslinie, die blaueste Phase im Leben eines einzelnen Sterns. Einzelne Sterne entwickeln sich zum rötlichen Bereich des Spektrums hin. Ein Stern verschiebt sich nur dann in die entgegengesetzte Richtung, wenn seine äußeren Schichten entfernt werden – etwas, das bei wechselwirkenden Doppelsternen häufig und bei massereichen Einzelsternen selten vorkommt“, erklärt Götberg.

Anschließend überprüften die Forscherinnen ihre Sternkandidaten mit Hilfe der optischen Spektroskopie: Sie zeigten, dass die Sterne starke spektrale Signaturen von ionisiertem Helium aufweisen. „Starke ionisierte Heliumlinien geben uns zwei wichtige Hinweise: Erstens bestätigen sie, dass die äußersten Schichten der Sterne von Helium dominiert werden und zweitens, dass ihre Oberfläche sehr heiß ist. Das ist das, was bei Sternen passiert, die nach dem Massentransfer einen freiliegenden, kompakten, heliumreichen Kern haben“, sagt Götberg. In einem Doppelsternsystem tragen jedoch beide Sterne zu den beobachteten Spektren bei. So konnten die Forscherinnen mit dieser Technik ihre Kandidatenpopulation danach klassifizieren, welcher Stern den größten Beitrag zum Spektrum leistet. „Diese Arbeit ermöglichte es uns, die fehlende Population von Heliumsternen mittlerer Masse zu finden, die als Vorläufer von wasserstoffarmen Supernovae vorhergesagt werden. Diese Sterne hat es schon immer gegeben, und es gibt wahrscheinlich noch viel mehr von ihnen da draußen. Wir müssen nur Wege finden, um sie zu finden“, sagt Götberg. „Unsere Arbeit ist vielleicht einer der ersten Versuche, aber es sollte noch weitere Möglichkeiten geben.“

Von Doktorandinnen auf einer Konferenz zu Gruppenleiterinnen
Die Idee zu diesem Projekt entstand in einer Diskussion nach einem Vortrag von Götberg auf einer Konferenz, die sie und Drout während ihres Studiums besuchten. Beide Forscherinnen, die damals als Nachwuchswissenschafterinnen nach den Sternen griffen, sind heute Gruppenleiterinnen. Götberg kam im September zum ISTA, nachdem sie als NASA-Hubble-Postdoktorandin an den Carnegie Observatories in Pasadena, Kalifornien, geforscht hatte. Am ISTA reiht sich Götberg in die wachsende Zahl junger Professor:innen in der Astrophysik ein und leitet ihre eigene Gruppe, die sich mit der Untersuchung der Wechselwirkungen von Doppelsternen beschäftigt.

Diese Arbeit, die von Maria R. Drout (Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, University of Toronto, Kanada) und Ylva Götberg (Institute of Science and Technology Austria, ISTA) geleitet wird, wurde unter anderem in Zusammenarbeit mit den Observatorien der Carnegie Institution for Science (Pasadena, USA) und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik (Garching, Deutschland) durchgeführt.

Projektförderung:
Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem National Aeronautics and Space Administration (NASA) durch das NASA Hubble Fellowship Program Grant #HST-HF2-51457.001-A und dem HST-Stipendium GO-15824, dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) durch das Stipendium RGPIN-2019-06186, dem Canada Research Chairs Program, dem Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR), dem Dunlap Institute an der University of Toronto und der Netherlands Organization for Scientific Research (NWO) als Teil des Vidi-Forschungsprogramms BinWaves mit der Projektnummer 639.042.728 finanziert.

Publikation:
Drout M. R., Götberg Y., et al. 2023. An observed population of intermediate mass helium stars that have been stripped in binaries. Science.
DOI: doi.org/10.1126/science.ade4970
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4970

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• Institute of Science and Technology Austria (ISTA)
• Supernovae

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Quelle: ESON 17. August 2023.

17. August 2023 – Die Entdeckung markiert die Entdeckung eines neuen Typs von astronomischen Objekten – massereiche magnetische Heliumsterne – und gibt Aufschluss über den Ursprung von Magnetaren.

Obwohl der Stern HD 45166 seit über 100 Jahren beobachtet wird, konnte sein rätselhaftes Wesen nicht ohne Weiteres durch herkömmliche Modelle erklärt werden. Man wusste nur wenig über ihn, abgesehen von der Tatsache, dass er zu einem Sternpaar gehört [1], reich an Helium ist und einige Male massereicher als unsere Sonne ist.

„Dieser Stern wurde zu einer Art Leidenschaft von mir“, sagt Tomer Shenar, der Hauptautor einer heute in Science veröffentlichten Studie über dieses Objekt und Astronom an der Universität Amsterdam in den Niederlanden. „Tomer und ich bezeichnen HD 45166 als den »Zombie-Stern«“, sagt die Mitautorin und ESO-Astronomin Julia Bodensteiner aus Deutschland. „Das liegt nicht nur daran, dass dieser Stern so einzigartig ist, sondern auch, weil ich scherzhaft gesagt habe, dass er Tomer in einen Zombie verwandelt.“

Nachdem Shenar bereits ähnliche heliumreiche Sterne untersucht hatte, vermutete er, dass Magnetfelder den entscheidenden Hinweis geben könnten. Tatsächlich sind Magnetfelder dafür bekannt, das Verhalten von Sternen zu beeinflussen. Sie könnten erklären, warum herkömmliche Modelle HD 45166 nicht beschreiben konnten, der sich etwa 3000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Einhorn (Monoceros) befindet. „Ich erinnere mich, dass ich beim Lesen der Fachliteratur einen Heureka-Moment hatte: »Was, wenn der Stern magnetisch ist?«“, sagt Shenar, der derzeit am Zentrum für Astrobiologie in Madrid, Spanien, arbeitet.

Shenar und sein Team machten sich daran, den Stern mit mehreren Teleskopen rund um den Erdball zu untersuchen. Die entscheidenden Beobachtungen wurden im Februar 2022 mit einem Instrument am Canada-France-Hawaii Telescope durchgeführt, das Magnetfelder erkennen und messen kann. Das Team stützte sich auch auf wichtige Archivdaten, die mit dem Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph (FEROS) am La Silla-Observatorium der ESO in Chile aufgenommen wurden.

Als die Daten vorlagen, bat Shenar seinen Mitautor Gregg Wade, einen Experten für Magnetfelder in Sternen am Royal Military College of Canada, die Daten zu prüfen. Die Antwort von Wade bestätigte Shenars Vermutung: „Was auch immer dieses Objekt ist – es ist definitiv magnetisch.“

Wie Shenars Team herausfand, hat der Stern ein unglaublich starkes Magnetfeld von 43.000 Gauß, was HD 45166 zum magnetischsten massereichen Stern macht, der bisher gefunden wurde [2]. „Die gesamte Oberfläche des Heliumsterns ist so magnetisch wie die stärksten vom Menschen hergestellten Magneten“, erklärt Co-Autor Pablo Marchant, Astronom am Institut für Astronomie der KU Leuven in Belgien.

Diese Beobachtung markiert die Entdeckung des allerersten massereichen magnetischen Heliumsterns. „Es ist aufregend, eine neue Gattung von astronomischen Objekten zu entdecken“, sagt Shenar, „insbesondere dann, wenn sie sich die ganze Zeit über versteckt hielt.“

Darüber hinaus liefert die Entdeckung Hinweise auf den Ursprung von Magnetaren, kompakten toten Sternen, die von Magnetfeldern durchzogen sind, die mindestens eine Milliarde Mal stärker sind als das in HD 45166. Die Berechnungen des Teams legen nahe, dass dieser Stern sein Leben als Magnetar beenden wird. Während er unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, wird sich sein Magnetfeld verstärken. Der Stern wird schließlich zu einem sehr kompakten Kern mit einem Magnetfeld von etwa 100 Billionen Gauß [3] werden – die stärkste Sorte von Magneten im Universum.

Shenar und sein Team stellten außerdem fest, dass HD 45166 eine geringere Masse hat als bisher angenommen, etwa das Doppelte der Masse der Sonne, und dass sein Begleiter in einem weitaus größeren Abstand kreist als bisher angenommen. Darüber hinaus deuten ihre Untersuchungen darauf hin, dass HD 45166 durch die Verschmelzung zweier kleinerer heliumreicher Sterne entstanden ist. „Unsere Ergebnisse verändern unser Verständnis von HD 45166 völlig“, fasst Bodensteiner zusammen.

Endnoten
[1] Obwohl es sich bei HD 45166 um ein Doppelsternsystem handelt, bezieht sich HD 45166 in diesem Text auf den heliumreichen Stern, nicht auf beide Sterne.

[2] Das Magnetfeld von 43 000 Gauß ist das stärkste Magnetfeld, das jemals in einem Stern entdeckt wurde, der die Chandrasekhar-Massengrenze überschreitet, die kritische Grenze, oberhalb derer Sterne zu Neutronensternen kollabieren können (Magnetare sind eine Art von Neutronensternen).

[3] In diesem Text bezieht sich eine Milliarde auf eine Eins gefolgt von neun Nullen und eine Billion auf eine Eins gefolgt von 12 Nullen.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel vorgestellt, der in der Zeitschrift Science erscheint (doi: 10.1126/science.ade3293).

Das Team besteht aus Tomer Shenar (Anton Pannekoek Institut für Astronomie, Universität Amsterdam, Niederlande [API], jetzt am Zentrum für Astrobiologie, Madrid, Spanien), Gregg Wade (Department of Physics and Space Science, Royal Military College of Canada, Kanada), Pablo Marchant (Institut für Astronomie, KU Leuven, Belgien [KU Leuven]), Stefano Bagnulo (Armagh Observatory & Planetarium, Großbritannien), Julia Bodensteiner (Europäische Südsternwarte, Garching, Deutschland; KU Leuven), Dominic M. Bowman (KU Leuven), Avishai Gilkis (The School of Physics and Astronomy, Tel Aviv University, Israel), Norbert Langer (Argelander-Institut für Astronomie, Universitӓt Bonn, Deutschland; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland), André Nicolas-Chené (National Science Foundation’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory, Hawai’i), Lidia Oskinova (Institut für Physik und Astronomie, Universitӓt Potsdam, Deutschland [Potsdam]), Timothy Van Reeth (KU Leuven), Hugues Sana (KU Leuven), Nicole St-Louis (Département de physique, Université de Montréal, Complexe des sciences, Kanada), Alexandre Soares de Oliveira (Institut für Forschung und Entwicklung, Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos, Brasilien), Helge Todt (Potsdam) und Silvia Toonen (API).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Fachartikel
pdf: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2313/eso2313a.pdf

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare
• ESO

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 22. März 2023.

22. März 2023 – Gefunden wurde das System aufgrund der Kernfusion, die das übergeströmte Gas nahe der Oberfläche des Weißen Zwerges erleidet, wodurch helle, sog. superweiche Röntgenstrahlung ausgesandt wird. Das ungewöhnliche an dieser Quelle ist, dass nicht Wasserstoff überströmt und verbrennt, sondern Helium. Die gemessene Leuchtkraft deutet darauf hin, dass die Masse des Weißen Zwerges langsamer anwächst als bisher für möglich gehalten, wodurch sich die Anzahl der von explodierenden Weißen Zwergen verursachten Supernovae besser verstehen lässt.

Explodierende Weiße Zwerge gelten nicht nur als die Hauptquelle von Eisen im Universum, sie sind auch ein wichtiges Instrument für die Kosmologie: als sog. Typ Ia Supernovae (SN Ia) werden alle in etwa gleich hell, so dass man die Entfernung ihrer Wirts-Galaxien sehr genau bestimmen kann. Allerdings bleibt auch nach vielen Jahren intensiver Forschung unklar, unter welchen Umständen die Masse eines Weißen Zwergs bis zur sogenannten Chandrasekhar-Grenze anwachsen kann.

Als mit ROSAT Anfang der 1990er Jahre superweiche Röntgenquellen mit stabilem Wasserstoff-Brennen auf ihrer Oberfläche als neue Objekt-Klasse etabliert wurden, galten diese eine Zeitlang als potentielle Kandidaten für die Vorläufer von SN Ia. Der Schönheitsfehler dieser Quellen ist aber ihr Wasserstoff-Reichtum: Supernovae vom Typ Ia zeigen keine Spur von Wasserstoff.

Doppelsternsysteme, in denen ein Weißer Zwerg Helium akkretiert und stabil an seiner Oberfläche verbrennt, werden seit über 30 Jahren vorhergesagt, wurden aber bisher nie beobachtet. Ein internationales Team unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) hat nun eine Röntgenquelle gefunden, deren optisches Spektrum komplett von Helium dominiert ist. „Die superweiche Röntgenquelle [HP99] 159 ist bereits seit den 1990er Jahren bekannt, als sie zuerst mit ROSAT, später mit XMM-Newton und jetzt mit eROSITA beobachtet wurde,“ führt Jochen Greiner aus, der die Analysen zu dieser Quelle am MPE leitet. „Wir konnten sie nun als optische Quelle in der Großen Magellanschen Wolke identifizieren und fanden in ihrem Spektrum hauptsächlich Emissionslinien von Helium, die aus der Akkretionsscheibe stammen.“

Damit ist das Problem der SN Ia-Vorläufer aber noch nicht gelöst: theoretische Modelle sagen vorher, dass etwa 2-5% der Materie des Helium-Begleitsternes von der SN Ia-Explosion mitgerissen und in die Umgebung geschleudert werden. Diese Menge Helium wurde bei den meisten bisher beobachteten Supernovae Ia aber nicht gefunden. Es gibt allerdings eine Unterklasse mit kleinerer Leuchtkraft, die SN Iax, bei denen die Explosion schwächer ausfällt, und deshalb weniger Helium weggeblasen wird.

Das jetzt entdeckte System [HP99] 159 könnte nach derzeitigem Wissen in solch einer SN Iax enden, da die Messungen hier darauf hinweisen, dass kontinuierliches Helium-Brennen in Weißen Zwergen auch bei geringeren Überstrom-Raten möglich ist als theoretisch vorhergesagt. Die gemessene Leuchtkraft ist bei [HP99] 159 ungefähr zehnmal kleiner als bei der gängigen Akkretionsrate erwartet, wobei gleichzeitig die gemessene Röntgentemperatur exakt im erwarteten Bereich für stabiles Heliumbrennen liegt. Da frühere Messungen darauf hindeuten, dass die Leuchtkraft seit etwa 50 Jahren gleich geblieben ist, dürfte eine große Spannbreite an Akkretionsraten für derartige Explosionen in Frage kommen.

„Sterne ohne Wasserstoffhülle wie der in [HP99] 159 gefundene Begleitstern stellen eine wichtige Zwischenphase dar, die im Lebenszyklus von ca. 30 % aller Doppelsterne vorkommen sollte“, sagt Julia Bodensteiner von der ESO, die sich seit ihrer Masterarbeit am MPE mit massereichen Sternen beschäftigt. „Es sollte viele derartige Sterne geben, allerdings konnten bisher nur wenige beobachtet werden.“ Das Team hofft nun, mit eROSITA noch weitere, ähnliche Quellen in den beiden Magellanschen Wolken zu finden. Dies sollte es erlauben, die Bedingungen für die Vorläufer von SN Ia noch besser einzugrenzen.

Veröffentlichung:
J. Greiner et al.
A helium-burning white dwarf binary as a supersoft X-ray
Nature 22 March 2023
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05714-4

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• Weisse Zwerge

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Quelle: Universität Innsbruck 19. September 2022.

19. September 2022 – Vom Baby bis zum Teenager: Sterne in ihren „jungen Jahren“ stellen die Wissenschaft vor große Herausforderungen. Der Prozess der Sternentstehung ist besonders komplex und schwer in theoretischen Modellen abzubilden. Eine der wenigen Möglichkeiten, um mehr über die Entstehung, die Struktur oder das Alter von Sternen zu erfahren, ist das Beobachten ihrer Schwingungen. „Vergleichbar mit der Erforschung des Erdinneren mithilfe der Seismologie können wir aus den Schwingungen von Sternen ebenso Aussagen über ihren inneren Aufbau und damit auch über ihr Alter treffen“, sagt Konstanze Zwintz. Die Astronomin gilt als Pionierin auf dem jungen Forschungsgebiet der Asteroseismologie und leitet die Forschungsgruppe „Sternentwicklung und Asteroseismologie“ am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck. Die Lehre von Sternschwingungen hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, nicht zuletzt da sich die Möglichkeiten der präzisen Beobachtung durch Teleskope im Weltraum wie TESS, Kepler und James Webb auf vielen Ebenen verbessert haben. Diese Fortschritte werfen nun auch neues Licht auf jahrzehntelang gängige Theorien zur Entwicklung von Sternen.

Mit neuem Modell zur Stunde Null des erwachsenen Sterns
Sterne werden als „Kinder“ bezeichnet, solange sie in ihrem Kern noch nicht Wasserstoff zu Helium verbrennen. In diesem Stadium befinden sie sich auf der so genannten Vorhauptreihe, nach dem Zünden werden sie erwachsen und wechseln auf die Hauptreihe. „Die Forschung zu Sternen hat sich bislang vor allem auf die Phase des erwachsenen Sterns – wie es beispielsweise unsere Sonne ist – fokussiert“, sagt Thomas Steindl, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Konstanze Zwintz und Hauptautor der Studie. „Auch wenn es auf den ersten Blick nicht sehr intuitiv klingt, aber bislang wurde die Entwicklung der Vorhauptreihe kaum beachtet, da die Phase sehr turbulent und schwer zu modellieren ist. Erst die technologischen Fortschritte der letzten Jahre erlauben uns einen genaueren Blick in die Kindheit der Sterne – und damit auch auf jenen Moment, an dem der Stern beginnt Wasserstoff zu Helium zu fusionieren.“ In ihrer aktuellen Studie legen die beiden Innsbrucker Forscher*innen nun ein Modell vor, mit dem die Phase vor dem Erwachsenwerden der Sterne realistisch abgebildet werden kann. Zugrunde liegt dabei das Open-Source-Sternentwicklungsprogramm MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics). Inspiriert durch einen Vortrag des Astronomen Eduard Vorobyov von der Universität Wien bei einer Tagung im Jahr 2019, verfeinerte Thomas Steindl in monatelanger Arbeit die Methode, wie mithilfe dieses Sternentwicklungscodes die chaotische Phase der frühen Sternentstehung nachgebildet werden kann, um anschließend deren spezifische Schwingungen vorherzusagen.

„Unsere Daten zeigen, dass Sterne auf der Vorhauptreihe in ihrer Entwicklung einen sehr chaotischen Verlauf nehmen, den wir nun aber trotz seiner Komplexität auch in unserem neuen theoretischen Modell heranziehen können“, so Steindl. Dadurch zeigt der Astronom, dass die Art und Weise der Entstehung des Sterns Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten auch nach dem Zünden auf der Hauptreihe hat: „Die Kindheit hat einen Einfluss auf das spätere Pulsieren des Sterns: Das klingt sehr simpel, es wurde aber tatsächlich bezweifelt. In den klassischen Theorien ging man davon aus, dass die Zeit vor dem Zünden schlicht irrelevant ist. Das stimmt so nicht: Vergleichbar mit einem Musikinstrument führen schon feinste Unterschiede im Zusammenbau zu signifikanten Änderungen im Ton. So beschreiben unsere modernen Modelle die Schwingungen in realen Sternen besser.“

Konstanze Zwintz freut sich über diese Entdeckung und blickt sehr optimistisch in die Zukunft: „Ich war bereits vor etwa 20 Jahren, als ich erstmals die Schwingung eines Sternes vor mir auf dem Bildschirm gesehen habe, überzeugt davon, die Bedeutsamkeit der frühen Sternentwicklung auf den ‚erwachsenen‘ Stern eines Tages belegen zu können. Dank der großartigen Arbeit von Thomas Steindl ist uns das nun gelungen: Definitiv ein Heureka-Moment für unsere Arbeitsgruppe und ein weiterer Grundstein für ein besseres Verständnis der Wachstumsschritte von Sternen.“

Publikation
The imprint of star formation on stellar pulsations. Thomas Steindl, Konstanze Zwintz, Eduard Vorobyov. Nature Communications 2022
DOI: 10.1038/s41467-022-32882-0
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32882-0

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• Sternentstehung

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Quelle: ETH Zürich; 10. August 2022.

10.08.2022 von Marianne Lucien. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellten Forschende verschiedene Theorien über die Entstehung des Mondes auf.

Nun fügen Geochemiker*innen und Petrolog*innen der ETH Zürich der Entstehungsgeschichte des Mondes ein weiteres Puzzleteil hinzu. In einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift «Science Advances» veröffentlicht wurde, zeigt das Forscherteam, dass der Mond die Edelgase Helium und Neon aus dem Erdmantel geerbt hat.

Die neuen Erkenntnisse beeinflussen die derzeit favorisierte «Giant Impact»-​Theorie, mit der Wissenschaftler die Mondentstehung erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass der Mond durch eine massive Kollision zwischen der frühen Erde und einem anderen Himmelskörper entstanden ist. «Unsere Entdeckung bedeutet, dass in der Giant-​Impact-Theorie auch die Edelgase als Faktor einzubeziehen sind», sagt Henner Busemann, Professor am Institut für Geochemie und Petrologie der ETH Zürich.

«Aufregende Entdeckung»
Für diese Studie hat Busemanns Doktorandin Patrizia Will sechs Proben von Mondmeteoriten analysiert. Die Meteoriten wurden von der Nasa in der Antarktis gesammelt und der Forscherin für ihre Untersuchungen zur Verfügung gestellt. Will bestimmte in diesen Meteoritenproben unter anderem den Gehalt der Edelgase Neon und Helium. Diese waren in einer viel größeren Menge vorhanden als erwartet und nur im separierten Glas, was den Sonnenwind als Quelle für die Edelgase ausschloss. Sie mussten also aus dem Innern des Mondes kommen und damit letzten Endes von der Erde vererbt sein. «Dass wir zum ersten Mal Edelgase in basaltischen Materialien vom Mond gefunden haben, die nicht aus dem Sonnenwind stammen können, ist eine aufregende Entdeckung», freut sich Will.

Aufgrund ihrer neuen Erkenntnisse stellen sich die Forschenden den Vorgang so vor: Der junge Mond war vulkanisch aktiv. Magma quoll empor, und erstarrte rasch an der Oberfläche. Durch die rasche Abkühlung bildeten sich Glaspartikel, in welchen die mitgeführten Edelgase Neon und Helium konserviert wurden. Rasch deckten weitere Lavaströme diese Magmaschicht zu und schirmten sie vor kosmischer Strahlung ab, insbesondere vor Sonnenwinden. Dies verhinderte, dass sich chemische Elemente, die im Sonnenwind enthalten sind, in den Glaspartikeln einlagern und deren chemischen Fingerabdruck, die sogenannte Isotopensignatur, verändern konnten.

Per Meteorit zur Erde
Aber wie gelangte das magmatische Mondmaterial mit den Edelgasen auf die Erde? Da der Mond nicht durch eine Atmosphäre geschützt ist, schlagen ständig Asteroiden auf seiner Oberfläche ein. Ein solcher Einschlag war wahrscheinlich stark genug, um Bruchstücke aus den abgeschirmten Lavaschichten des Mondes herauszuschleudern. Diese Gesteinsfragmente gelangten als Meteoriten zur Erde. Viele werden in den Wüsten Nordwestafrikas oder, wie in diesem Fall, in der Antarktis gefunden.

Ihre Untersuchungen haben die Forschenden im Edelgaslabor der ETH Zürich durchgeführt. Dort steht ein hochmodernes Edelgas-​Massenspektrometer namens «Tom Dooley». Seinen Namen erhielt das hochempfindliche Gerät in Anlehnung an einen amerikanischen Folksong, weil es an der Decke des Labors aufgehängt werden musste, um Störungen durch Vibrationen zu vermeiden. Mit dem Tom-​Dooley-Instrument konnte das Forscherteam Glaspartikel von weniger als einem Millimeter Größe aus den Meteoriten messen. «Tom Dooley» ist so empfindlich, dass es als weltweit einziges Instrument in der Lage ist, so geringe Konzentrationen von Helium und Neon nachzuweisen. Es wurde auch dafür eingesetzt, um diese Edelgase in Körnern des Murchison-​Meteoriten nachzuweisen. Die Körner sind rund sieben Milliarden Jahre alt.

Auf der Suche nach den Ursprüngen des Lebens
Zu wissen, wo man in der Nasa-​Sammlung von rund 70’000 Meteoriten suchen muss, ist bei einem solchen Projekt entscheidend. «Ich bin fest davon überzeugt, dass es einen Wettlauf um die Untersuchung schwerer Edelgase und Isotope in diesem Meteoritenmaterial geben wird», sagt ETH-​Professor Henner Busemann, einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der extraterrestrischen Edelgasgeochemie. Er rechnet damit, dass Forscher*innen bald auch in den Mondmeteoriten nach Edelgasen wie Xenon und Krypton sowie nach weiteren flüchtigen Elementen wie Wasserstoff oder Halogenen suchen werden.

«Obwohl Edelgase für das Leben nicht notwendig sind, wäre es interessant zu wissen, wie sie die brutale und gewaltsame Entstehung des Mondes überlebt haben. Dieses Wissen könnte Wissenschaftler*innen in der Geochemie und Geophysik helfen, neue Modelle zu entwickeln, die allgemeiner zeigen, wie solche höchst flüchtigen Elemente die Entstehung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus überleben können», sagt Busemann.

Literaturhinweis
Will P, Busemann H, Riebe M, Maden C. Indigenous noble gases in the Moon’s interior, Science Advances, 10 August 2022. DOI: externe Seite10.1126/sciadv.abl4920call_made

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• Mond

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Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), ETH-News Arian Bastani 8. Juli 2022.

Obwohl die Erde seit langem detailliert untersucht wird, sind einige grundlegende Fragen immer noch nicht beantwortet. Eine davon betrifft die Entstehung unseres Planeten, über dessen Anfänge sich die Forschenden immer noch im Unklaren sind. Nun schlägt ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der ETH Zürich und des Nationalen Forschungsschwerpunkts PlanetS basierend auf Laborexperimenten und Computersimulationen eine neue Antwort auf diese Frage vor. Die Studie haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Eine unerklärliche Diskrepanz
«Die vorherrschende Theorie in der Astrophysik und Kosmochemie besagt, dass die Erde aus sogenannten chondritischen Asteroiden entstanden ist. Das sind relativ kleine, einfache Blöcke aus Gestein und Metall, die sich früh im Sonnensystem gebildet haben», erklärt der Hauptautor der Studie, Paolo Sossi, Professor für experimentelle Planetologie an der ETH Zürich. «Das Problem an dieser Theorie ist, dass keine Mischung dieser Chondriten die exakte Zusammensetzung der Erde erklären kann. Diese ist wesentlich ärmer an leichten, flüchtigen Elementen wie Wasserstoff und Helium als man erwarten würde.»

Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden im Laufe der Jahre verschiedene Hypothesen formuliert. So wurde beispielsweise postuliert, dass die Kollisionen der Objekte, aus denen sich später die Erde bildete, zu einer starken Erhitzung geführt haben. Dadurch seien die leichten Elemente verdampft, so dass am Ende eben ein Planet mit der heutigen Zusammensetzung der Erde zurückblieb.

Misst man jedoch die Isotopenzusammensetzung von verschiedenen Elementen auf der Erde, werden diese Theorien unplausibel, ist Sossi überzeugt: «Die Isotope eines chemischen Elements haben alle gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen. Isotope mit weniger Neutronen sind leichter und sollten daher einfacher entweichen können. Wäre die Theorie der Verdampfung durch Erhitzung richtig, würde man heute auf der Erde weniger von diesen leichten Isotopen finden als in den ursprünglichen Chondriten. Doch genau das zeigen die Isotopenmessungen eben nicht.»

Ein kosmischer Schmelztiegel
Das Team um Sossi hat daher nach einer anderen Lösung gesucht. «Dynamische Modelle, mit denen wir die Entstehung von Planeten simulieren, zeigen, dass sich die Planeten in unserem Sonnensystem nach und nach gebildet haben. Anfänglich kleine Körner sind mit der Zeit zu kilometergroßen Planetesimalen herangewachsen, indem sie durch ihre Anziehungskraft immer mehr Material angesammelt haben», erklärt Sossi. Ähnlich wie Chondrite sind auch Planetesimale kleine Körper aus Gestein und Metall. Aber im Gegensatz zu Chondriten wurden sie ausreichend erhitzt, um sich in einen metallischen Kern und einen felsigen Mantel zu differenzieren. «Außerdem können Planetesimale, die sich in verschiedenen Gebieten um die junge Sonne oder zu verschiedenen Zeiten gebildet haben, eine sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen», ergänzt Sossi. Die Frage ist nun: Könnte die zufällige Kombination verschiedener Planetesimale tatsächlich zu einer Zusammensetzung führen, die derjenigen der Erde entspricht?

Um dies herauszufinden, führte das Team Simulationen durch, bei denen Tausende von Planetesimalen im frühen Sonnensystem miteinander kollidierten. Dabei wurden die Modelle so ausgelegt, dass mit der Zeit Himmelkörper entstanden, welche den vier Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars entsprechen. Die Simulationen zeigen nun, dass eine Mischung vieler verschiedener Planetesimale tatsächlich zur effektiven Zusammensetzung der Erde führen könnte. Mehr noch: Die Zusammensetzung der Erde ist sogar das statistisch wahrscheinlichste Ergebnis dieser Simulationen.

Eine Blaupause für andere Planeten
«Auch wenn wir es vermutet hatten, war dieses Ergebnis für uns doch sehr bemerkenswert», erinnert sich Sossi. «Wir haben jetzt nicht nur einen Mechanismus, der die Entstehung der Erde besser erklärt, sondern auch eine Referenz, um die Entstehung der anderen Gesteinsplaneten zu erklären», meint der Forscher. Man könnte mit dem Mechanismus zum Beispiel vorhersagen, wie sich die Zusammensetzung des Merkurs von jener anderer Gesteinsplaneten unterscheidet. Oder wie felsige Exoplaneten anderer Sterne zusammengesetzt sein könnten.

«Unser Studie zeigt, wie wichtig es ist, sowohl die Dynamik als auch die Chemie zu berücksichtigen, wenn man die Entstehung von Planeten verstehen will», hält Sossi fest. «Ich hoffe, dass unsere Erkenntnisse zu einer engeren Zusammenarbeit zwischen Forschenden aus diesen beiden Bereichen führen.»

Publikation
Sossi P et.al. Stochastic accretion of the Earth. Nature Astronomy, 8. Juli 2022. DOI: 10.1038/s41550-​022-01702-2
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01702-2

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• Planetenentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 4. Juli 2022.

4. Juli 2022 – Die abenteuerliche Forschungsreise des ballongetragenen Sonnenobservatoriums Sunrise III könnte in den nächsten Tagen beginnen. Heute am frühen Morgen fand auf der Raketen- und Ballonbasis Esrange Space Center im nordschwedischen Kiruna der so genannte compatability test, eine Art Generalprobe, statt. Dafür hat das Sonnenobservatorium die große Halle, in der die Vorbereitungen der letzten Monate stattgefunden haben, verlassen, seine endgültige Flugkonfiguration erhalten und am Boden bewiesen, dass alle Systeme unter Flugbedingungen reibungslos funktionieren. Wenn das Wetter es zulässt, könnte Sunrise III nun in den nächsten Tagen abheben. Das Startfenster dafür ist allerdings denkbar klein. Bereits in wenigen Tagen könnten sich die Windbedingungen in der Stratosphäre derart verschlechtern, dass danach ein Start nicht mehr möglich ist.

In den vergangenen Wochen hatten zunächst die weltweiten Logistikprobleme der Mission zu schaffen gemacht; auf die Ankunft des Ballons und des Heliums in Kiruna musste das Team lange warten. Derzeit sind die Wetterbedingungen vor Ort wechselhaft, erlauben aber nach aktuellem Stand einzelne Startfenster in der zweiten Wochenhälfte. Das nächste davon ist für XL-Calibur, eine amerikanische Ballonmission, reserviert. Während der vergangenen Monate hatten sich beide Teams in derselben Halle des Esrange Space Centers auf ihren jeweiligen Flug vorbereitet. Die zweite Startmöglichkeit ist für Sunrise III vorgesehen. Sorgen bereiten dem Team allerdings die aktuellen Vorhersagen der Meteorologen vor Ort. Demnach könnten die stratosphärischen Winde, die Sunrise III sicher nach Kanada tragen sollen, bereits in wenigen Tagen abreißen.

Bei erfolgreichem Start wird Sunrise III während des anschließenden mehrtägigen Fluges am Heliumballon in 35 Kilometern Höhe einen einzigartigen Blick auf die Sonne haben und beispielsweise Prozesse in der Chromosphäre, der hochdynamischen Schicht zwischen der sichtbaren Oberfläche und der äußeren Atmosphäre der Sonne, genauer als je zuvor sichtbar machen.

Das ballongetragene Sonnenobservatorium Sunrise III ist eine Mission des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS, Deutschland) und des Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins Universität (APL, USA). Sunrise III blickt mit Hilfe eines 1-Meter-Teleskops, dreier wissenschaftlicher Instrumente und eines Systems zur Bildstabilisierung aus der Stratosphäre auf die Sonne. Maßgeblich Mitwirkende an der Mission sind ein spanisches Konsortium, das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ, Japan), und das Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS, Deutschland). Das spanische Konsortium wird geleitet vom Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, Spanien) und besteht zudem aus dem Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), der Universitat de València (UV), der Universidad Politécnica de Madrid (UPM) und dem Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Weitere Partner sind das Wallop’s Flight Facility Balloon Program Office (WFF-BPO) der NASA und die Swedish Space Corporation (SSC). Sunrise III wird unterstützt von der Max-Planck-Förderstiftung, der NASA im Rahmen des Grants #80NSSC18K0934, dem spanischen Grant FEDER/AEI/MCIU (RTI2018-096886-C5) und des „Center of Excellence Severo Ochoa“ Preises für IAA-CISC (SEV-2017-0709) sowie dem ISAS/JAXA Small Mission-of-Opportunity program und JSPS KAKENHI JP18H05234.

Sunrise III Factsheet in Deutsch
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• SUNRISE – Sonnenobservatorium am Ballon

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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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik.

16. März 2022 – Wenn sie einen Blick in die Schattenwelt der Antimaterie werfen wollen, müssen die Forscher auf ausgeklügelte technische Tricks zurückgreifen. Sie sollen verhindern, dass die Antimaterieproben mit der uns umgebenden normalen Materie in Kontakt kommen. Diese Isolierung ist von entscheidender Bedeutung, da sich Antimaterie und Materie bei einem Kontakt miteinander sofort gegenseitig zerstören. Trotzdem schafften es Wissenschaftler*innen in einem internationalen Team unter Federführung des Garchinger Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), Materie und Antimaterie zu exotischen, hybriden Atomen aus Helium zu kombinieren, die für kurze Zeit stabil bleiben. Nun haben die Forscher*innen aus Italien, Ungarn und Deutschland überdies eine Möglichkeit entdeckt, die so gebundenen Antiteilchen sehr genau spektroskopisch zu untersuchen.

Bei ihren Experimenten am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf tauchten sie die bizarren atomaren Gebilde in flüssiges Helium und kühlten dieses bis auf Temperaturen nahe beim absoluten Nullpunkt ab – wo das Helium in einen sogenannten superfluiden Zustand übergeht. Die Ergebnisse des Experiments waren für die Wissenschaftler*innen besonders überraschend, weil die hybriden Antimaterie-Materie-Atome trotz ihrer dichten, flüssigen Umgebung sehr empfindlich und genau auf das Laserlicht reagiert haben.

„Spannend sind Experimente an Antimaterie vor allem im Hinblick auf fundamentale Gesetzmäßigkeiten der Physik“, sagt Prof. Masaki Hori, der Leiter des Teams. So verlangt das Standardmodell der Teilchenphysik – die Grundlage des heutigen Verständnisses der Wissenschaftler vom Aufbau des Universums und den darin wirkenden Kräften, dass sich Teilchen und ihre Antiteilchen lediglich im Vorzeichen ihrer elektrischen Ladung unterscheiden. So trägt ein Antiproton – das Gegenstück zum positiv geladenen Proton, einem Baustein von Atomkernen, – eine negative Ladung. Nach dem Standardmodell der Physik sind die anderen Eigenschaften identisch. „In unseren bisherigen Experimenten haben wir keinen Hinweis darauf gefunden, dass sich die Massen von Protonen und Antiprotonen auch nur im Geringsten unterscheiden“, berichtet Hori. „Wenn ein solcher Unterschied, wie gering er auch sein mag, nachgewiesen werden könnte, würde das die Grundlagen unseres derzeitigen Weltbildes erschüttern.“

Doch vielleicht sind die verfügbaren experimentellen Verfahren nur nicht empfindlich genug, um möglicherweise vorhandene feine Unterschiede aufzuspüren? „Wir können das nicht ausschließen, bevor wir es nicht tatsächlich gemessen haben“, meint Hori. Daher feilen Wissenschaftler*innen weltweit an Techniken, um die Merkmale von Antiteilchen immer noch ein bisschen genauer zu untersuchen. „Dazu lässt man Atome oder Moleküle für spektroskopische Messungen beispielsweise in Vakuumkammern magnetisch schweben oder sperrt sie in Ionenfallen ein“, erklärt Hori. „Das hybride Heliumatom haben wir im Team bisher dazu verwendet, die Massen von Antiprotonen und Elektronen präzise miteinander zu vergleichen.“

Mit den neuesten Erkenntnissen seines Teams hat der Garchinger Physiker nun den Weg zu einer weiteren, sehr sensiblen Messmethode geebnet: die hochaufgelöste optische Spektroskopie an Antiprotonen-Helium-Atomen in einer supraflüssigen Umgebung.

Elektron raus, Antiproton rein
Um die exotischen Heliumatome mit darin enthaltenen Antiprotonen zu erzeugen, nutzten die Forscher den Antiprotonen-Entschleuniger am CERN – eine weltweit einzigartige Anlage, die es ermöglicht, die Antimaterieteilchen, die bei Zusammenstößen von energiereichen Protonen entstehen, abzubremsen. Die langsame Geschwindigkeit der Antiprotonen macht sie ideal nutzbar für Experimente wie die des Teams um Masaki Hori. Die Forscher*innen mischten die langsamen Antiprotonen mit flüssigem Helium, das sie auf Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius abkühlten. Dabei fingen Atome des Heliums einen kleinen Teil der Antiprotonen ein. Jedes eingefangene Antiproton ersetzte eines der beiden Elektronen, die normalerweise einen Helium-Atomkern umgeben – und formten so ein Gebilde, das lange genug stabil blieb, um es spektroskopisch zu untersuchen.

„Bisher dachte man, dass sich Antimaterie-Atome, die in Flüssigkeiten eingebettet sind, nicht durch hochauflösende Spektroskopie mit Laserstrahlen untersuchen lassen“, berichtet Hori. Denn die im Vergleich etwa zu einem Gas intensiven Wechselwirkungen zwischen den dicht gepackten Atomen oder Molekülen der Flüssigkeit führen zu einer starken Verbreiterung der Spektrallinien. Diese Linien sind Abbilder von Resonanzen, bei denen Energie aus dem Laserstrahl zur Anregung bestimmter atomarer Zustände aufgenommen wird. Sie sind damit eine Art Fingerabdruck jedes atomaren Teilchens. Ihre genaue Lage auf der Frequenzskala sowie ihre Form verraten den Forscher*innen aufschlussreiche Details über die Eigenschaften der untersuchten Atome – und die Kräfte, die auf die Antiteilchen wirken. Doch durch die Verbreiterung der Linien werden diese Informationen überdeckt, weil quasi verschmiert. Hori und seinem Team gelang es nun erstmals, das „Verschmieren“ der Spektrallinien in einer Flüssigkeit zu unterbinden.

Überraschend schlanke Linien bei 2,2 Kelvin
In einer Reihe von zahlreichen Experimenten nahmen die Wissenschaftler*innen die antiprotonischen Helium-Atome bei unterschiedlichen Temperaturen unter die spektroskopische Lupe. Dazu bestrahlten sie die Helium-Flüssigkeit mit dem Licht eines Titan-Saphir-Lasers, das zwei markante Resonanzen der Antiprotonen-Atome bei zwei verschiedenen Frequenzen anregte. Die überraschende Entdeckung: „Sank die Temperatur unter die kritische Temperatur von 2,2 Kelvin – also 2 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt –, bei der das Helium in einen superfluiden Zustand übergeht, verwandelte sich schlagartig die Gestalt der Spektrallinien“, berichtet Anna Sótér, die erste Doktorandin im Team des MPQ und inzwischen Assistenzprofessorin an der ETH Zürich. „Aus den bei höherer Temperatur sehr breiten und unregelmäßig geformten wurden schmale und gleichförmige Linien.“ Die superfluide Phase ist ein besonderer flüssiger Zustand, der unter anderem durch das Fehlen einer inneren Reibung gekennzeichnet ist. Das quantenphysikalische Phänomen ist typisch für Helium bei extrem tiefen Temperaturen. „Wie die markante Veränderung der Spektrallinien des Antiprotons in einer solchen Umgebung zustande kommt und was dabei physikalisch geschieht, wissen wir bislang nicht“, sagt der MPQ-Physiker. „Wir waren davon selbst überrascht.“

Doch die Möglichkeiten, die der Effekt bietet, sind weitreichend. Denn die Verschmälerung der Resonanzlinien ist so drastisch, dass sich bei einer Anregung mit Licht die sogenannte Hyperfeinstruktur auflösen lässt, berichten die Wissenschaftler in einer Veröffentlichung im Fachjournal „Nature“. Die Hyperfeinstruktur ist eine Folge der gegenseitigen Beeinflussung des Elektrons und des Antiprotons in dem Atom. Das deutet darauf hin, dass sich in supraflüssigem Helium andere hybride Heliumatome mit verschiedenen Arten von Antimaterie oder mit exotischen Teilchen erzeugen lassen könnten, um ihre Reaktion auf Laserlicht im Detail zu untersuchen und ihre Masse zu bestimmen. Ein Beispiel dafür sind pionische Heliumatome, die vor Kurzem im 590-Megaelektronenvolt-Zyklotron des Paul-Scherrer-Instituts in Villingen (Schweiz) mittels Laserspektroskopie untersucht wurden.

Hinweise auf die Dunkle Materie?
Zudem könnten die scharfen Spektrallinien hilfreich sein beim Nachweis von Antiprotonen und Antideuteronen in der kosmischen Strahlung. Ihnen sind Forscher*innen bereits seit Jahren auf der Spur, etwa mit Experimenten an Bord der Internationalen Raumstation ISS. Demnächst werden Wissenschaftler auch einen Testballon über der Antarktis starten – mit einem Instrument an Bord, das Antiprotonen und Antideuteronen aufspüren kann, die möglicherweise in sehr großen Höhen in der Atmosphäre existieren. Masaki Hori spekuliert: „Detektoren mit superfluidem Helium könnten solche Versuche unterstützen und wären geeignet, Antiteilchen aus dem All einzufangen und zu analysieren.“ Das würde womöglich zur Lösung eines anderen großen Rätsels beitragen: der Frage nach dem Wesen der Dunklen Materie – einer ominösen und bislang unbekannten Materieform, die nicht sichtbar ist, aber offenbar einen Großteil der Masse im Universum ausmacht. In einigen Theorien wird angenommen, dass bei der Wechselwirkung Dunkler Materie im Halo unserer Galaxie Antiteilchen entstehen, die dann zur Erde gelangen können. Ausgerechnet Antimaterie könnte so Licht in dieses Dunkel bringen.

Originalveröffentlichung
Sótér, A., Aghai-Khozani, H., Barna, D. et al.
High-resolution laser resonances of antiprotonic helium in superfluid 4He
Nature (2022)

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• Antimaterie

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Quelle: Universität Göttingen.

13. Oktober 2021 – Protuberanzen schweben als riesige Wolken über der Sonne, gehalten von einem Stützgerüst aus magnetischen Kraftlinien, deren Fußpunkte in tiefen Sonnenschichten verankert sind. Die dort stets herrschenden Strömungen bewegen das Stützgerüst und damit die Protuberanz. Ein Forschungsteam der Universität Göttingen und der Institute für Astrophysik aus Paris, Potsdam und Locarno hat beobachtet, dass in den Sonnenprotuberanzen die ionisierte Eisen-Atome um bis zu 70 Prozent schneller sind als neutrale Helium-Atome. Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal erschienen.

Die Forscher beobachteten, wie magnetische Kräfte innerhalb von zehn Minuten eine Protuberanz um 25.000 Kilometer – etwa zwei Erddurchmesser – anhoben. Das entspricht mit 42 Kilometern pro Sekunde etwa der vierfachen Schallgeschwindigkeit in der Protuberanz. Dabei traten Schwingungen mit einer Periode von 22 Sekunden auf, bei denen ionisierte Eisen-Atome bis zu 70 Prozent schneller waren als neutrale Helium-Atome. Nach den Gesetzen der Physik müssen die elektrisch geladenen Eisen-Ionen den Bewegungen des Magnetfeldes folgen, nicht aber die ungeladenen Helium-Atome. Diese werden zwar von den Ionen mitgerissen, jedoch nur zum Teil, da es nicht genügend Kollisionen gibt, weil der Gasdruck zu niedrig ist.

Solche Bedingungen, bei denen teil-ionisiertes Gas mit wenigen Kollisionen vorkommt, spielen in der Astrophysik eine wichtige Rolle – nicht nur in Sonnen-Protuberanzen, sondern unter anderem auch in Gas-Wolken, aus denen sich Sterne und Planeten bilden, im weit-verteilten Gas zwischen den Sternen und im Gas zwischen Galaxien. Die theoretische Astrophysik simuliert solch einen Zustand mit zwei Flüssigkeiten, die nur schwach miteinander wechselwirken. „Diese Rechnungen enthalten Modell-Annahmen, von denen einige mit den neuen Messergebnissen überprüft werden können“, sagt Dr. Eberhard Wiehr vom Institut für Astrophysik der Universität Göttingen.

Das Team führte die Beobachtungen am Sonnenteleskop in Locarno durch, mit dem nur zwei Emissionslinien gleichzeitig gemessen werden konnten. Nun planen die Wissenschaftler erweiterte Beobachtungen am französischen Teleskop auf Teneriffa, mit dem mehrere Linien gleichzeitig vermessen werden können. Zudem ermöglicht die vierfache Lichtstärke dieses Teleskops eine so kurze Belichtung der lichtempfindlichen Kameras, dass noch kürzere Schwingungsperioden messbar werden. „Möglicherweise finden wir dann noch höhere Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den geladenen Ionen und den neutralen Atomen.“

Originalveröffentlichung:
Eberhard Wiehr et al. Velocity Difference of Ions and Neutrals in Solar Prominences. Astrophysical Journal (2021).

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• Unsere Sonne

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Ein Beitrag von Tobias Willerding. Quelle: Elon Musk, SpaceX. Vertont von Peter Rittinger.

Nach dem Absturz der Falcon 9 am 28. Juni bei einer ISS-Versorgungsmission war es für mehrere Wochen still geworden um SpaceX und Elon Musk. Normalerweise ist Musk keiner, der die Öffentlichkeit scheut, sondern sie gezielt mit kleinen Informationsbrocken versorgt, um das öffentliche Interesse und die Spekulationen am Laufen zu halten. Diesmal war jedoch Funkstille. Diese wurde gestern gebrochen als Elon Musk die vorläufigen Untersuchungsergebnisse auf einer Telefonkonferenz präsentiert hat und sich den Fragen der Journalisten stellte.

Der Fehlstart
Der Falcon 9 Start am 28. Juni verlief zunächst tadellos. Jedoch bildete sich bei crica 136 Sekunden nach dem Start eine weiße Wolke um die Rakete, sodass sie aus dem Sichtfeld verschwand. Als sich die Wolke lichtete, war die Rakete plötzlich verschwunden. Sofort war klar, dass der Start gescheitert ist. Dragon separierte noch von der Rakete, stürzte jedoch dann ins Meer. Bereits kurz nach dem Start konnte man nach Analyse des Bildmaterials sehen, dass aus der Oberstufe eine weiße Wolke aus Sauerstoff entwichen ist. Elon Musk bestätigte auch via Twitter, dass es ein Überdruckereignis in der Oberstufe gegeben hatte.

Auf der Telefonkonferenz hat Musk nun das Heliumsystem als Auslöser des Überdruckes benannt. Es kam jedoch nicht zu einem Platzen einer der Heliumtanks im Inneren des Flüssigsauerstofftanks, sondern vielmehr hatte sich die Halterung des Heliumtanks gelöst. Das schließt man aus den Daten verschiedener Beschleunigungssensoren an der Rakete. Bei einem Platzen des Heliumtanks hätte es eine andere Systemantwort gegeben.

Die Heliumtanks sind mit Holmen am Boden des Flüssigsauerstofftanks befestigt. Da Helium leichter ist als flüssiger Sauerstoff, hat der Tank massiven Auftrieb und muss mit den Holmen am Boden gehalten werden. Je höher die Beschleunigung der Rakete ist, desto höher ist der Druck im flüssigen Sauerstoff und desto höher ist die Auftriebskraft, die den Heliumtank am Boden halten muss.

Durch den Riss des Holms schnellte der Heliumtank nach oben und die strukturelle Integrität vom Heliumsystem versagte. Durch den Austritt von Helium kam es dann zum Reißen des Oberstufentanks.

Der Holm
Die Holme bezieht SpaceX von einem externen Zulieferer und sie sind zertifiziert vom Zulieferer für eine nominelle Last von 10.000 lbf (44 kN). Während dem Flug treten maximale Lasten von 3.500 lbf (16 kN) auf dem Holm auf, es gibt also einen Sicherheitsfaktor von ca. 3. Zum Zeitpunkt der Anomalie herrschte eine Last von ca. 2000 lbf (9 kN). Das sorgte für einige Verwunderung bei SpaceX, ob denn manche Holme nicht einmal 20% der zertifizierten Last vom Hersteller halten.

Daraufhin hat SpaceX einige Holme vom Hersteller selbst getestet und einige sind bei weniger als der zertifizierten Laste gerissen – nicht jedoch bei den 9 kN, die im Flug geherrscht haben. Da es jedoch keine andere Erklärung für die Unglücksursache gab, hat Musk angeordnet, dass sämtliche Holme bei SpaceX auf Lager getestet werden und bei ca. 1000 Tests ist tatsächlich ein Holm bei ca. 9 kN gerissen.

Diese experimentelle Verifikation der These macht dies zur wahrscheinlichen Unglücksursache. Weitere Untersuchungen in alle Richtungen sollen jedoch folgen.

Elon Musk rechnet mit dem nächsten Falcon 9 Start für Ende September. Dies kann sich jedoch noch weiter verzögern, falls weitere Anomalien identifiziert werden. Die Falcon Heavy soll jetzt im April abheben. Nichtsdestoweniger beabsichtigt SpaceX im Jahre 2015 noch alle für 2015 geplanten Kunden zu fliegen laut einem Statement auf der Webseite. Laut Musk bedeutet der Fehlstart einen größeren finanziellen Verlust für SpaceX in der Größenordnung von mehreren 100 Millionen Dollar. Da SpaceX jedoch kürzlich eine Milliarde Dollar Investment von Google eingesammelt hat, dürften die finanziellen Verluste abfangbar sein.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JHU/APL.

Am 18. März 2011 trat die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Raumsonde Messenger (so die Kurzform für MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging) nach einem fast sieben Jahre dauernden Flug durch das innere Sonnensystem in eine Umlaufbahn um den Planeten Merkur ein und untersuchte diesen innersten und zugleich kleinsten Planeten unseres Sonnensystems in den folgenden Jahren intensiv mit den sieben an Bord der Raumsonde befindlichen wissenschaftlichen Instrumenten. Aufgrund des exzellenten technischen Zustandes und der hohen wissenschaftlichen Ausbeute wurde die ursprünglich auf 12 Monate ausgelegte Messenger-Mission zwischenzeitlich zwei mal verlängert.
Seit ihrer Ankunft beim Merkur hat die Raumsonde mittlerweile mehr als 250.000 Aufnahmen von dessen Oberfläche angefertigt und dabei die gesamte Planetenoberfläche fotografisch erfasst. Weitere Untersuchungen bezogen sich auf den inneren Aufbau dieses als terrestrischer Planet klassifizierten Himmelskörpers, auf dessen Magnetfeld, auf die früheren vulkanischen und tektonischen Aktivitäten des Merkur, auf die langfristige Entwicklung der dortigen Topographie sowie auf die Entstehung, Entwicklung und Zusammensetzung der Exosphäre des Merkur und auf die Interaktion der Planetenoberfläche und der Exosphäre mit der Sonne. Des weiteren konnten mit den Instrumenten von Messenger unter anderem auch Wassereisablagerungen in den Polarregionen des Merkur nachgewiesen werden.

Um ihre elliptische Umlaufbahn um den Merkur beibehalten zu können musste Messenger in den vergangenen Jahren allerdings in regelmäßigen Abständen Bahnkorrekturmanöver durchführen, in deren Verlauf die Höhe der Umlaufbahn der Raumsonde über der Planetenoberfläche wieder angehoben wurde. Ohne derartige Manöver wäre Messenger innerhalb weniger Monate auf der Oberfläche des Merkur zerschellt. Mittlerweile sind die hierfür zur Verfügung stehenden Treibstoffreserven jedoch nahezu vollständig erschöpft.

Derzeit führt die gegenwärtige Umlaufbahn die Raumsonde bis auf eine Entfernung von nur noch rund 100 Kilometern zu der Merkuroberfläche heran. Am 21. Januar 2015 wird die Raumsonde ein letztes Manöver zur Anhebung der Umlaufbahn durchführen, bei dem dieser Wert von den dann nur noch etwa 25 gegebenen Kilometern wieder auf gut 80 Kilometer erhöht werden soll. Im Rahmen dieses Manövers werden jedoch auch die letzten Reste des für derartige Korrekturmanöver zur Verfügung stehenden Hydrazins aufgebraucht werden. Ohne weitere Orbitkorrekturen – so die Berechnungen der an der Missions beteiligten Flugdynamik-Ingenieuren – würde Messenger somit voraussichtlich Ende März 2015 auf der Merkuroberfläche aufprallen.

Helium statt Hydrazin
Jetzt haben die beteiligten Ingenieure jedoch einen Weg gefunden, um dieses letztendlich unausweichliche Ende der Messenger-Mission noch einmal um mehrere Wochen aufzuschieben. Hierbei soll das Helium-Druckgas, welches eigentlich ausschließlich dazu gedacht ist, den Treibstofftank der Raumsonde ‚unter Druck‘ zu halten, zu einer weiteren Anhebung des Orbits genutzt werden. Dabei soll das Helium durch die Triebwerksdüsen geleitet werden und dabei einen ‚Schub‘ erzeugen, durch den die Höhe der Umlaufbahn des Merkur-Orbiters erneut angehoben werden kann.
„Normalerweise ist eine Raumsonde nach dem kompletten Verbrauch ihrer Treibstoffvorräte nicht mehr dazu in der Lage, die erforderlichen Anpassungen an der Flugbahn durchzuführen“, so der Messenger-System-Ingenieur Dan O’Shaughnessy vom Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University (JHU/APL) in Laurel im US-Bundesstaat Maryland. Für Messenger hätte dies bedeutet, dass die Raumsonde unwiderruflich Ende März 2015 auf der Merkuroberfläche aufprallt. „Allerdings können wir das Helium dazu nutzen, um auch weiterhin kleinere Anpassungen an der Flugbahn durchzuführen.“

„Meines Wissens nach ist dies das erste Mal, dass Helium bewusst als Kaltgastreibmittel in einem Hydrazin-Triebwerk verwendet werden soll“, so Stewart Bushman vom Applied Physics Laboratory, der leitende Triebwerksingenieur der Messenger-Sonde. „Die Triebwerke sind allerdings nicht dazu optimiert, um unter Druck stehendes Gas als Antriebsquelle zu verwenden.“
Die Triebwerke sind vielmehr dafür ausgelegt, um flüssiges Hydrazin zu zersetzen und sind hierfür mit entsprechenden Durchflussbegrenzern, Druckminderern und Zerstäubern bestückt, welche den Förderdruck regulieren, um einen kontrollierten Schub zu erzeugen. Aufgrund seines im Vergleich zu Hydrazin geringeren Molekulargewichts kann mit dem Helium-Gas auch nur ein eher geringer Schub erzeugt werden. Dieser soll letztendlich trotzdem ausreichen, um die Mission der Raumsonde Messenger um bis zu voraussichtlich etwa vier Wochen zu verlängern.

Weitere Forschungen
Die beteiligten Wissenschaftler werden diese unerwartete ‚Bonuszeit‘ dazu nutzen, um aus einer geringen Entfernung zur Merkuroberfläche heraus weitere Daten zu gewinnen. Während des vergangenen Sommers konzentrierte sich das wissenschaftliche Interesse unter anderem auf die Anfertigung von hochaufgelösten Aufnahmen, mit denen verschiedene Fließfronten von vulkanischen Lavaströmen, tektonische Oberflächenverwerfungen und Schichtungen in Kraterwällen in noch nie zuvor erreichter Auflösung abgebildet werden konnten.

Während der zusätzlichen vier Wochen soll zusätzlich zu der Anfertigung weiterer Aufnahmen auch das Magnetfeld des Merkur in einer noch nie zuvor erreichten Detailgenauigkeit analysiert werden. Messungen mit einem Neutronen-Spektrometer werden zudem während der dichtesten Annäherungen an die Merkuroberfläche aus Entfernungen von lediglich sieben bis 15 Kilometern weitere Erkenntnisse über die Wassereisablagerungen liefern, welche bereits in den vorherigen Jahren in der Nordpolregion des Merkur nachgewiesen wurden.

Auch Dank der so zu gewinnenden Daten wird sich das Wissen der Menschheit über diesen innersten Planeten unseres Sonnensystems auch in den kommenden Monaten ungemein erweitern. Bereits für den Juli 2016 ist dann der Start einer weiteren, diesmal aus gleich zwei Orbitern bestehenden Merkur-Mission vorgesehen. Die von der europäischen Weltraumagentur ESA und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA betriebene Mission BepiColombo soll nach dem bisherigen Planungsstand im Januar 2024 in einen Merkurorbit eintreten.

Bis dahin finden Sie weitere Fotos, Grafiken, Videos und Animationen der Messenger-Mission auf dieser Internetseite der Johns Hopkins University.

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