Quelle: Deutsches Museum Bonn 27. November 2023.

Wie künstliche Intelligenz Astronomen bei der Arbeit hilft.
Vortrag von Dr. Kai Dr. Kai Polsterer, Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS),
am Mittwoch, 6. Dezember 2023 um 19:00 Uhr,
im Deutschen Museum Bonn. Der Eintritt ist frei.

Vorangetrieben durch die Digitalisierung, ist in den letzten Jahren eine wahre Flut an Daten in fast allen Wissenschaften zu beobachten. Neben empirischen und theoretischen Studien sowie Simulationen etabliert sich die datengetriebene Wissenschaft als ein fundamentaler Bestandteil der Forschung. Die Astronomie ist seit jeher ein sehr datenintensiver Forschungsbereich, der insbesondere durch die steigende Anzahl an vollautomatischen Himmelsdurchmusterungen ständig an Datenumfang und Datenkomplexität gewinnt. Daher ist bereits heute eine manuelle Sichtung und Analyse sämtlicher Daten durch Wissenschaftler unmöglich.

Durch den Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens entstehen Assistenzsysteme, die die Wissenschaftler bei ihrer Arbeit unterstützen. Der Vortrag vermittelt einen grundlegenden Überblick, wie Algorithmen dies ermöglichen.

Dr. Kai Polsterer ist seit 2013 Gruppenleiter für den Bereich »Astroinformatik« am Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS) und seit 2023 stellvertretender Direktor des Instituts.

Der Vortrag findet in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn statt.

Wir bitten um Anmeldung unter info(at)deutsches-museum-bonn.de.

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Quelle: HITS 31. Juli 2023.

31. Juli 2023 – Ein Forscherteam des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) prognostiziert nun, dass in diesem “Stimmenmeer“ die Chirps bevorzugt in zwei bestimmten Frequenzbereichen auftreten. Die Studie wurde im Fachjournal „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Die Entdeckung der Gravitationswellen, wie sie bereits von Einstein vor hundert Jahren postuliert wurden, führte 2017 zum Nobelpreis für Physik und leitete den Beginn der Gravitationswellenastronomie ein. Wenn zwei Schwarze Löcher stellarer Masse verschmelzen, senden sie Gravitationswellen mit ansteigender Frequenz aus, das sogenannte „Chirp“-Signal, das auf der Erde hörbar gemacht werden kann. Aus der Beobachtung dieser Frequenzentwicklung (dem „Chirp“) können Forschende auf die so genannte „Chirp-Masse“ schließen, die mathematische Kombination der beiden einzelnen Massen der Schwarzen Löcher.

Bislang nahm man an, dass verschmelzende Schwarze Löcher eine beliebige Masse haben können. Die Computermodelle des HITS-Teams legen jedoch nahe, dass einige von ihnen Standardmassen haben, die dann zu universellen Chirps führen. „Die Existenz von universellen Chirp-Massen verrät uns nicht nur, wie Schwarze Löcher entstehen“, sagt Fabian Schneider, Leiter der Studie am HITS. „Sie lässt auch Rückschlüsse darauf zu, welche Sterne in Supernovae explodieren.“ Darüber hinaus bietet sie Einblicke in den Supernova-Mechanismus, in mit Unschärfe behaftete Kern- und Sternphysik und ermöglicht es Forschenden, die beschleunigte kosmologische Expansion des Universums zu messen.

„Gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne“
Stellare Schwarze Löcher mit etwa der drei- bis hundertfachen Masse unserer Sonne sind die Endpunkte von massereichen Sternen, die nicht in Supernovae explodieren, sondern zu Schwarzen Löchern kollabieren. Deren Vorläufer, die zu Verschmelzungen führen, entstehen ursprünglich in Doppelsternsystemen und erleben mehrere Episoden des Massenaustauschs zwischen den Komponenten. Beide stammen von Sternen, die ihre Hülle verloren haben. „Der Verlust der Hülle hat gravierende Folgen für das Schicksal der Sterne. Es erleichtert zum Beispiel die Explosion in einer Supernova und führt zu universellen Massen von Schwarzen Löchern, wie sie unsere Simulationen jetzt vorhersagen“, sagt Philipp Podsiadlowski von der Universität Oxford, Zweitautor der Studie und derzeit Klaus Tschira Gastprofessor am HITS.

Der „stellare Friedhof“ – eine Sammlung aller bekannten Massen der Überreste von massereichen Sternen, d.h. Neutronensternen und Schwarzen Löchern – wächst rasch an, weil die Gravitationswellendetektoren zunehmend empfindlicher werden und weil auch an anderen Observatorien weiter nach solchen Objekten gesucht wird. Dabei scheint es eine Lücke in der Verteilung der Chirp-Massen bei verschmelzenden binären Schwarzen Löchern zu geben, und es gibt Hinweise, dass besonders viele Verschmelzungen mit 8 und 14 Sonnenmassen auftreten. Diese Merkmale entsprechen den vom HITS-Team vorhergesagten universellen Chirps. „Jede Auffälligkeit in der Verteilung der Massen von Schwarzen Löchern und Chirps verrät uns viel darüber, wie sich diese Objekte gebildet haben“, sagt Eva Laplace, die dritte Autorin der Studie.

Nicht in unserer Galaxie: massereiche Schwarze Löcher aus Doppelsternsystemen
Seitdem die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zum ersten Mal beobachtet wurde, hat sich herausgestellt, dass es noch wesentlich massereichere gibt als die in unserer Milchstraße. Dies liegt daran, dass sie von Sternen stammen, deren chemische Zusammensetzung sich von der in unserer Galaxie unterscheidet. Sterne, die in engen Doppelsternsystemen ihre Hülle verlieren, bilden – unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung – Schwarze Löcher von <9 und >16 Sonnenmassen, aber fast keine dazwischen, wie das Team am HITS herausfand.

Beim Verschmelzen implizieren die universellen Massen der Schwarzen Löcher von etwa 9 und 16 Sonnenmassen logischerweise universelle Chirp-Massen, also universelle Töne. „Bei der Aktualisierung meiner Vorlesung über Gravitationswellenastronomie fiel mir auf, dass an den Observatorien für Gravitationswellen erste Hinweise auf ein Fehlen beziehungsweise eine Häufung von Chirp-Massen festgestellt wurden. Und zwar genau bei den in unseren Modellen vorhergesagten universellen Massen“, sagt Fabian Schneider. „Da die Zahl der beobachteten Verschmelzungen von Schwarzen Löchern bislang recht gering ist, muss sich erst noch herausstellen, ob dieses Signal in den Daten nur statistischer Zufall ist“.

Wie auch immer das Ergebnis künftiger Gravitationswellenbeobachtungen ausfallen wird: Die Ergebnisse werden Forschenden helfen, besser zu verstehen, woher die singenden schwarzen Löcher in diesem Stimmenmeer kommen.

Über das HITS
Das HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitbegründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als privates, gemeinnütziges Forschungsinstitut gegründet. Es betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik. Zu den Hauptforschungsrichtungen zählen komplexe Simulationen auf verschiedenen Skalen, Datenwissenschaft und -analyse sowie die Entwicklung rechnergestützter Tools für die Forschung. Die Anwendungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik. Ein wesentliches Merkmal des Instituts ist die Interdisziplinarität, die in zahlreichen gruppen- und disziplinübergreifenden Projekten umgesetzt wird. Die Grundfinanzierung des HITS wird von der Klaus Tschira Stiftung bereitgestellt.

Publikation
Fabian R. N. Schneider, Philipp Podsiadlowski, and Eva Laplace: Bimodal Black Hole Mass Distribution and Chirp Masses of Binary Black Hole Mergers. The Astrophysical Journal Letters, 950, 2, DOI 10.3847/2041-8213/acd77a, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd77a;

Für das Projekt wurden Fördermittel des Europäischen Forschungsrats (ERC) im Rahmen des Programms der Europäischen Union für Forschung und Innovation „Horizont 2020“ bereitgestellt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 945806).

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• Schwarze Löcher

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Quelle: HITS 9. März 2023.

9. März 2023 – Wie kann man Forschung für alle zugänglich und erlebbar machen? Dieser Aufgabe stellen sich jedes Jahr wieder Studierende und Forschende, die am Hochschulwettbewerb von Wissenschaft im Dialog (WiD) teilnehmen. Im aktuellen Wissenschaftsjahr 2023 geht es um das Thema „Unser Universum“. Aus über 70 Einreichungen zeichnete die Jury die besten 15 Kommunikationsideen zum Thema Weltall aus, darunter auch die eines Teams am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS). Die Idee: Ein Brettspiel namens „Habitable“, das die Astronomie mit der Klimakrise verbindet, indem es die Spielenden motiviert, einen bewohnbaren Planeten zu erschaffen, auf dem trotz veränderter Bedingungen Leben möglich ist. Für die Umsetzung ihrer Idee erhalten die Forschenden Mittel in Höhe von 10.000 Euro.

Bis heute wurden mehr als 5.000 Planeten entdeckt, die um andere Sterne im Universum kreisen, so genannte Exoplaneten. Auf den meisten von ihnen ist Leben unwahrscheinlich, aber ein Teil befindet sich in einer bestimmten Region, der so genannten bewohnbaren Zone. In unserem eigenen Sonnensystem gibt es drei Planeten innerhalb der bewohnbaren Zone, aber nur auf einem davon ist Leben möglich: auf der Erde. Allerdings verändern sich hier die Durchschnittstemperatur und andere wichtige Eigenschaften durch menschliches Einwirken rasch – eine echte Gefahr für die Bewohnbarkeit der Erde.

Wann ist Leben auf einem Planeten möglich und wann gerät es in Gefahr? Mit dieser Fragestellung bewarben sich die HITS-Astrophysiker*innen Eva Laplace, Dandan Wei, Jan Henneco, Duresa Temaj, Vincent Bronner, Rajika Kuruwita und Julian Saling beim Hochschulwettbewerb. Sie haben sich zwar der computerbasierten Forschung verschrieben, jedoch ihren Beitrag absichtlich als Brettspiel konzipiert. „Wir lieben Brettspiele“, sagt Eva Laplace, „Unser Ziel ist es, dass Familien und Freunde ein spannendes Spiel genießen können, das sie dazu anregt, über den Klimawandel und die Auswirkungen menschlichen Handelns auf die Bewohnbarkeit unseres Planeten nachzudenken.“

Die Wissenschaftler*innen entwickeln das Spiel gemeinsam mit der Öffentlichkeit, indem sie mehrere Spieletest-Veranstaltungen organisieren, die vom HITS und dem Haus der Astronomie in Heidelberg durchgeführt werden. Während dieser Testläufe sammeln die Spielentwickler*innen das Feedback und die Vorschläge der Besucher*innen und hoffen, einen Dialog über die Bewohnbarkeit und die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu starten.

„Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung für unsere jungen Forschenden“, sagt HITS-Geschäftsführerin Gesa Schönberger. „Die Sichtweise von Astronom*innen auf so spielerische Weise zu erkunden, ist sehr spannend. Es ist uns ein Anliegen, Brücken zwischen der Forschung und der breiten Öffentlichkeit zu schlagen. Und die zusätzliche Perspektive auf den Klimawandel, der uns alle angeht, leistet dazu einen wertvollen Beitrag.“

WiD bietet zusätzlich Fortbildungen und Veranstaltungen zur Wissenschaftskommunikation an, in denen sich die Gewinner*innen zu den Themen Projektmanagement, Evaluation, Öffentlichkeitsarbeit und sozialen Medien weiterbilden und vernetzen können. Am Ende des Jahres werden die Projekte daraufhin überprüft, welche Teams das Thema Universum besonders kreativ und verständlich vermittelt haben. Das „Habitable“-Team wird künftig regelmäßig über soziale Medien (#HSW23) berichten und Interessierte auf dem Laufenden halten.

Mehr zum Hochschulwettbewerb von „Wissenschaft im Dialog“ (WiD)
https://www.hochschulwettbewerb.net/2023/

Über das HITS
Das HITS (Heidelberger Institut für Theoretische Studien) wurde 2010 von dem Physiker und SAP-Mitbegründer Klaus Tschira (1940-2015) und der Klaus Tschira Stiftung als privates, gemeinnütziges Forschungsinstitut gegründet. Es betreibt Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften, der Mathematik und der Informatik.
Zu den Hauptforschungsrichtungen zählen komplexe Simulationen auf verschiedenen Skalen, Datenwissenschaft und -analyse sowie die Entwicklung rechnergestützter Tools für die Forschung. Die Anwendungsfelder reichen von der Molekularbiologie bis zur Astrophysik.
Ein wesentliches Merkmal des Instituts ist die Interdisziplinarität, die in zahlreichen gruppen- und disziplinübergreifenden Projekten umgesetzt wird. Die Grundfinanzierung des HITS wird von der Klaus Tschira Stiftung bereitgestellt.
https://www.h-its.org/de/

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