Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Oktober 2022.

25. Oktober 2022 – Untersuchungen des Zusammenspiels zwischen Sternentstehung und dem interstellaren Medium sind wichtig, um die Entwicklung von Galaxien zu verstehen. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Fatemeh Tabatabaei unter Mitarbeit von mehreren Wissenschaftlern des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico hochaufgelöste Radiobeobachtungen der Nachbargalaxie Messier 33 in der lokalen Gruppe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass in M33 ein direkter Zusammenhang zwischen molekularem Gas und Sternentstehung besteht. Die Entstehung von massereichen Sternen verstärkt das Magnetfeld und erhöht die Zahl der hochenergetischen Elektronen der kosmischen Strahlung, die wiederum die Entstehung von galaktischen Winden und Ausströmungen begünstigen können.

Die Studie wird in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

Galaxien sind Systeme aus Sternen und interstellarem Gas in Wechselwirkung. Beobachtungen zeigen, dass Galaxien heute weniger Sterne bilden als in der Vergangenheit. Da für die Entstehung von Sternen kaltes Gas benötigt wird, bringen Modellrechnungen die Verlangsamung dieses Prozesses und die beobachtete Entwicklung von Galaxien mit galaktischen Winden in Verbindung, durch die kaltes Gas abtransportiert wird.

Galaktische Winde entstehen in den Scheiben von Galaxien und erstrecken sich auf den Halo und das intergalaktische Medium; ihr Ursprung ist jedoch noch umstritten. Supernova-Explosionen und aktive galaktische Kerne (AGN) können starke Winde antreiben. Ihrer Rolle bei der Behinderung von Sternentstehung steht die Tatsache entgegen, dass das Gas ihrer Winde in die Galaxienscheibe zurückfallen und die Entstehung von neuen Sternen auslösen kann. Dank neuer hochaufgelöster Radiobeobachtungen mit dem „Karl G. Jansky Very Large Array“ fand ein internationales Forscherteam Hinweise für kosmische Strahlung als alternative Ursache für galaktische Winde, und zwar in unserer Nachbargalaxie M33 im Sternbild Dreieck (Triangulum) in einer Entfernung von 2,7 Millionen Lichtjahren von der Erde. Diese Galaxie enthält rund 23-mal weniger Masse als die Milchstraße.

Kosmische Strahlungen bestehen aus hochenergetischen Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie können den Druck im interstellaren Medium erhöhen, Ausströmungen (outflows) verursachen und die Strukturen über eine gesamte Galaxie hinweg verändern. Frühere Studien hatten bereits auf die Bedeutung der von kosmischer Strahlung angetriebenen Winde für die Entstehung von Blasen in der Milchstraße und in der Andromeda-Galaxie hingewiesen, die eine Größe von einigen Tausend Lichtjahren haben.

„Das ist das erste Mal, dass wir Beweise für solche Winde in einer massearmen, sternbildenden Spiralgalaxie wie M33 finden“, sagt Fatemeh Tabatabaei, die leitende Forscherin der vorliegenden Untersuchung. „Dieser Nachweis ergab sich aus einem Widerspruch, als wir feststellten, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung in Regionen energiereicher sind, in denen auch das Magnetfeld stärker ist. In einem starken Magnetfeld erwartet man, dass die Elektronen der kosmischen Strahlung Energie an eine stärkere Synchrotronstrahlung verlieren.“ Tabatabaei forschte schon im Rahmen ihrer im Jahr 2008 abgeschlossenen Promotion am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) unter der Leitung von Rainer Beck, einem Mitautor der Studie.

Dieses Paradoxon kann aufgelöst werden, wenn man die Struktur des Magnetfeldes in der Galaxie berücksichtigt. In Sternentstehungsgebieten wird das Magnetfeld aufgrund von turbulenten Gasbewegungen durch die Wirkung eines Dynamomechanismus verstärkt, der kinetische Energie in magnetische Energie umwandelt. Die resultierenden Feldlinien sind stark ineinander verknäuelt. „Der Dynamoeffekt ist ein wirkungsvoller Mechanismus, der überall im Universum arbeitet: in Sternen, Planeten, Galaxien und sogar in riesigen intergalaktischen Gaswolken“, sagt Rainer Beck.

„Diese verwirbelte Struktur des Magnetfeldes hilft der kosmischen Strahlung, sich über größere Bereiche zu verteilen, bevor sie ihre Energie durch die Synchrotronkühlung im Magnetfeld verliert. Die hochenergetische kosmische Strahlung kann sich dann leicht mit dem Hintergrundgas und -plasma verbinden und so Gebiete hohen Drucks in der Scheibe erzeugen. Das daraus resultierende Druckungleichgewicht zwischen der Scheibe und den äußeren Schichten im Halo verursacht die Entstehung von Winden“, fügt Fatemeh Tabatabaei hinzu.

Die aktuelle Untersuchung zeigt, dass von der kosmischen Strahlung angetriebene Winde in den meisten Galaxien eine Rolle spielen können, insbesondere in solchen mit relativ geringer Masse, aber aktiver Sternentstehung wie M33. Das sind Systeme, die viel häufiger im Kosmos auftreten als massereiche Galaxien. Daher können die von der kosmischen Strahlung angetriebenen Winde prinzipiell auch in früheren Epochen eine wichtige Rolle beim Abtransport von Gas gespielt haben, da sie aufgrund der höheren Sternentstehungsaktivität damals noch stärker waren.

„Um diese Ergebnisse zu bestätigen und die Untersuchung auf frühere Epochen im Universum auszudehnen, sind detaillierte Radiobeobachtungen von weiter entfernten Galaxien erforderlich, die mit zukünftigen empfindlichen Radioteleskopen wie dem “Next Generation Very Large Telescope” und dem SKA-Observatorium möglich werden“, schließt Karl Menten, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeter-Astronomie, ebenfalls Mitautor der Studie.

Hintergrundinformation:
Das „Karl G. Jansky Very Large Array“ (JVLA) setzt sich als Radioteleskop aus 27 einzelnen Parabolspiegeln zusammen, die in einer Y-förmigen Konfiguration auf der Ebene von San Agustin fünfzig Meilen westlich von Socorro, New Mexico, stehen. Jede Antenne hat einen Durchmesser von 25 Metern. Die Daten der einzelnen Antennen werden elektronisch miteinander kombiniert, um so die Auflösung einer Antenne mit einem Durchmesser von 36 km und die Empfindlichkeit eines Einzelteleskops von 130 Metern Durchmesser zu erreichen. Das VLA wird vom „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) betrieben, einer Einrichtung der „National Science Foundation“ (NSF), die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von „Associated Universities, Inc.“ (AUI) betrieben wird.

Das Forschungsteam umfasst F. S. Tabatabaei, W. Cotton, E. Schinnerer, R. Beck, A. Brunthaler, K. M. Menten, J. Braine, E. Corbelli, C. Kramer, J. E. Beckman, J. H. Knapen, R. Paladino, E. Koch, und A. Camps Fariña. Fatemeh Tabatabaei, die Erstautorin, und ebenso Rainer Beck, Andreas Brunthaler und Karl Menten haben alle eine MPIfR-Affiliation.

Originalveröffentlichung
Cloud-scale Radio Surveys of Star Formation and Feedback in Triangulum Galaxy M33: VLA Observations
F. Tabatabaei et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRASJ-517-2, p. 2997-3007, 25. Oktober 2022 (DOI: 10.1093/mnras/stac2514), https://academic.oup.com/mnras/article/517/2/2990/6764519.

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: SRON. Vertont von Peter Rittinger.

Die ersten Ideen zu einem Weltraumteleskop für fernes Infrarotlicht und Submillimeter/Millimeterwellen gehen in Russland bereits auf die 1970er zurück. Der Bau eines solchen Systems war zu jener Zeit aber noch völlig unmöglich. Erst seit einigen Jahren wird das Konzept wieder verfolgt. Millimetron soll einen Hauptspiegel von 10 m Durchmesser erhalten und wäre dann das größte Weltraumteleskop der Welt. Bislang hält Herschel mit 3,5 m den Rekord im optischen Bereich, ab 2018 soll das James Webb Space Teleskope (JWST) mit 6,5-m-Hauptspiegel im Einsatz sein.

Millimetron soll im wesentlichen zwei Betriebsmodi erhalten. Zum einen soll es als Ferninfrarot-Teleskop im Einzelbetrieb wie ein klassisches Weltraumteleskop eingesetzt werden. Die Instrumente für diesen Modus basieren im Wesentlichen auf denen von Herschel. Mit seinem etwa dreimal so großen Spiegel wird Millimetron jedoch rund zehnmal empfindlicher sein und die dreifache Auflösung von Herschel bieten.

Im zweiten Betriebsmodus soll Millimetron als Interferometer in Zusammenarbeit mit Bodenteleskopen betrieben werden. Die Technik dafür basiert auf dem derzeit im Einsatz befindlichen Projekt RadioAstron. Während dieses mit Wellenlängen von 1,35 cm bis 92 cm arbeitet, soll Millimetron bei 0,3 mm bis 17 mm Wellenlänge arbeiten. Die kürzeren Wellenlängen erfordern dabei die Zusammenarbeit mit speziellen Submillimeter/Millimeter-Teleskopen wie zum Beispiel ALMA oder dem geplanten Event Horizon Telescope. Für die kurzen Wellenlängen dienen die Empfänger der ALMA-Antennen auch als Vorbild für die Technik von Millimetron.

Nicht nur bei den Instrumenten, sondern auch bei der Umlaufbahn basiert Millimetron auf Herschel. Wie dieses auch, soll Millimetron um den Sonne-Erde-L2 kreisen. Dieser Punkt liegt von der Sonne aus gesehen rund 1,5 Mio Kilometer hinter der Erde. Hier gibt es praktisch keine Störeinflüsse mehr von der Erde, daher entwickelt sich dieser Punkt mehr und mehr zum Sammelpunkt für Weltraumteleskope. Während Herschel und Planck ihre Mission dort beendet haben, werden in den nächsten Jahren auch GAIA, Spektr-RG oder auch das JWST in einen solchen Orbit einschwenken.

Diese große Entfernung zur Erde erlaubt es im Interferometer-Betrieb zudem, bislang unerreichte Winkelauflösungen zu ermöglichen. Während RadioAstron bei bis zu 350.000 km Basislänge für die kürzeste Wellenlänge auf etwa 7 Mikrobogensekunden kommt, könnte Millimetron dank größerem Abstand und kürzerer Wellenlänge auf bis zu 40 Nanobogensekunden kommen. Submillimeter-Interferometer auf der Erde wie das Event Horizon Telescope hingegen kommen nur auf etwa 20 Mikrobogensekunden. Die um Größenordnungen höhere Auflösung bietet damit das Potential für vollkommen unerwartete Entdeckungen.

Infrarotteleskope haben ein großes Problem: Um vernünftig zu funktionieren, müssen sie auf tiefe Temperaturen herab gekühlt werden. Ansonsten wäre die thermische Strahlung des Systems selbst eine massive Störquelle und würde Beobachtungen mehr oder weniger unmöglich machen. Jedes Infrarotteleskop benötigt daher eine Kühlung. Für nahes Infrarot reicht eine passive Kühlung durch einen Hitzeschild sehr gut aus, aber für fernes Infrarot reicht das nicht mehr. Systeme wie Herschel wurden daher mithilfe eines Kryostaten gekühlt. Das heißt, sie hatten mehrere Tausend Liter flüssiges Helium an Bord, das nach und nach verdampft und dadurch das System kühlt.

Dies ist aber sowohl eine schwere Lösung als auch eine, die die Lebensdauer stark begrenzt. So war Herschel nur knapp 4 Jahre im Einsatz. Daher soll Millimetron eine neuartige Kühlung erhalten. Zunächst wird der ganze Spiegel von 4 Lagen Hitzeschutzfolie umgeben, die als passive Kühlung wirken. Dazu kommt noch eine aktiv gekühlte Lage, außerdem werden alle Instrumente ebenfalls aktiv gekühlt. Dadurch kann das Teleskop selbst auf eine Temperatur von 4,5 K (-268,5 °C) gebracht werden, einige Instrumente werden sogar auf 1,7 K herunter gekühlt. Die abgeführte Wärme wird dann über Radiatoren abgestrahlt. Dieses System wird nur eine Menge von 10-20 Liter Helium als Kühlmittel brauchen, aber kann damit 3-5 Jahre aktiv gekühlt werden.

Insgesamt soll Millimetron eine Lebensdauer von 10 Jahren besitzen. Wenn die aktive Kühlung versagt, wird auch die passive Kühlung noch weiter wissenschaftliche Beobachtungen erlauben. Allerdings werden diese dann nicht mehr die Qualität der ersten Jahre erreichen können. Die Entwicklung der aktiven Kühlung stellt eine große Herausforderung dar, da sie erstmals verwendet werden soll für ein so großes System.

Eine weitere Herausforderung stellt die Konstruktion des Spiegels dar. Der Grundentwurf sieht vor, dass ein zentraler Spiegel von 3 Metern Durchmesser und einer Oberflächengenauigkeit von unter 5 Mikrometern von 24 „Blütenblättern“ umgeben werden soll, durch die sich ein 10 m durchmessender Spiegel mit einer Genauigkeit von unter 10 Mikrometern ergeben soll. Dieser Grundentwurf ist nahezu identisch mit dem der Antenne von RadioAstron (da waren es 27 „Blütenblätter“) und hat sich dort bereits bewährt. Der Spiegel wird sich im Weltraum dann wie eine Blüte entfalten.

Das große Problem bei der Entwicklung dieses Spiegels ist aber die Masse des Systems. Mit einer CFK-Struktur wie bei RadioAstron lässt sich die für Millimetron benötigte Genauigkeit bei tiefen Operationstemperaturen nicht erreichen. Daher musste zunächst einiges an grundlegender Materialforschung betrieben werden. Derzeit scheint sich jedoch eine Kombination auf Kohlefaser, Cyanatester und einer Quartzmatrix als geeignetes Material herauszukristallisieren. Erste Testpanele wurden bereits erstellt und vermessen.

Wenn die Entwicklung optimal verlaufen sollte, wäre ein Start bereits 2019 möglich. Es wird jedoch von offizieller Seite der ganze Zeitraum von 2019-2022 als mögliches Startfenster genannt. Noch ist es angesichts offener Entwicklungsrisiken, vor allem bei Spiegel und Kühlung, aber nicht möglich, ein wirklich zuverlässiges Datum zu nennen. Dies wird sich erst in den nächsten Jahren ergeben. Als Rakete für den bis zu 6.600 kg schweren Satelliten ist eine Proton oder Angara vorgesehen.

Wissenschaftliche Ziele
Millimetron soll für eine ganze Reihe von Forschungszielen neue Erkenntnisse liefern. So soll Millimetron zum Beispiel die Untersuchung des interstellaren Mediums mit bislang unerreichter Sensitivität, räumlicher und spektraler Auflösung durchführen. Das gleiche gilt auch für Sternentstehungsgebiete und andere Gaswolken im Universum. Auch bei der Erforschung von Exoplaneten wird Millimetron nützlich sein, da es die Möglichkeit bietet, viele Exoplaneten-Atmosphären direkt spektrografisch zu untersuchen. Damit lässt sich herausfinden, welche Gase in diesen Atmosphären vorkommen. Bei günstigen Zielen könnte es damit sogar möglich sein, Leben nachzuweisen.

Millimetron wird als Interferometer auch zuvor unmögliche Untersuchungen erlauben. So könnte es zum Beispiel verwendet werden, um die Größe supermassiver schwarzer Löcher zu bestimmen. Sowohl RadioAstron als auch das Event Horizon Telescope können bestenfalls den Ereignishorizont nachweisen, aber nicht strukturiert auflösen. Die Erforschung des Kernbereichs aktiver Galaxienkerne wird damit nochmals einen deutlichen Schub erhalten.

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• Russische Weltraumteleskope: Die Spektr-Serie

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Ein Beitrag von Stefan Heykes. Quelle: WPK/Juri Kowaljow. Vertont von Peter Rittinger.

Die bisherigen Theorien zur ISM basieren auf Beobachtungen, die nur von der Erde aus durchgeführt wurden. Im Bereich der Radiointerferometrie bedeutet dies, dass Interferometer-Basislängen von maximal etwa 10.000 km zur Verfügung standen. Im Rahmen des Projekts RadioAstron wird jedoch der Satellit Spektr-R mit einbezogen. Dieser trägt ein 10 m durchmessendes Radioteleskop und dient damit als Ergänzung der irdischen Teleskope in großem Abstand. Die Beobachtungen von RadioAstron wurden damit bei Basislängen von bis zu 300.000 km durchgeführt und ermöglichen damit einen neuen Blick auf die Vorgänge in unserer Umgebung. Die erstaunlichen Beobachtungsergebnisse wurden für Wellenlängen von 18 cm und 92 cm gewonnen.

Das Verhalten der Interstellaren Materie lässt sich sehr gut durch die Beobachtung von Pulsaren untersuchen. Pulsare, also Neutronensterne, sind extrem kompakte Objekte. Ihr Durchmesser beträgt nur wenige Kilometer, aber sie können schwerer sein als die Sonne. Pulsare besitzen extrem starke Magnetfelder, in denen Phänomene ähnlich der irdischen Nordlichter auftreten. Diese sind die Quelle der Radiostrahlung, die RadioAstron beobachtet hat. Das tatsächliche Emissionsgebiet ist dabei winzig und bewegt sich von der Größenordnung her im Bereich unterhalb eines Kilometers. Damit sind solche Pulsare die absolut kompaktesten natürlichen Quellen von Radiostrahlung die überhaupt bekannt sind.

Grundsätzlich sollte ein solcher Pulsar also bei ungestörter Sicht einfach nur als Punkt für den Beobachter erkennbar sein. Bei den Entfernungen ist es selbst RadioAstron, dem größten Interferometer der Geschichte, nur möglich, Details in der Größenordnung von einigen Millionen Kilometern auflösen. Tatsächlich befindet sich jedoch eine mehr oder weniger große Menge interstellarer Materie zwischen dem Beobachter und den Pulsaren. Laut der klassischen Theorien sollte diese ISM die Radiowellen im beobachteten Bereich derart streuen, dass sich die ultrakompakte Quelle zu einem „Pfannkuchen“ (so Dr. Michail Popow gegenüber WPK) aufbläht.

Folgerichtig war ursprünglich geplant, aus dieser erwarteten großen sichtbaren Struktur auf die „radiooptischen“ Eigenschaften der ISM und auf die Eigenschaften des Pulsars zurück zu schließen. Entgegen aller Erwartungen gab es jedoch ein völlig anderes Bild: „Anstelle der erwarteten eintönigen Streuungskreise, die an der Grenze unserer Systemempfindlichkeit liegen, sahen wir helle Sterne, die für kurze Zeit existierten, dann verschwanden, und an anderer Stelle wieder auftauchten“, so Michail Popow weiter.

Optionen für die Zukunft?
Derzeit wird noch nicht verstanden, was genau in der ISM passiert. Allerdings zeigen diese Ergebnisse, dass auch Objekte mit höchster Präzision auflösbar sind, bei denen das nicht erwartet wurde. Mit einem besseren Verständnis dieses Phänomens könnten auch andere Ziele ins Visier von RadioAstron geraten, die bislang ausgeschlossen wurden. Gegenüber WPK äußerte sich der Leiter des laufenden Early-Science-Programs (kurz ESP, „frühes Wissenschaftsprogramm“, also die erste Projektphase in der wissenschaftliche Beobachtungen durchgeführt werden), Dr Juri J. Kowaljow: „Vielleicht können wir mit einem besseren Verständnis des Interstellaren Mediums einige clevere Beobachtungstechniken anwenden und das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße beobachten“.

Wenn eine Beobachtung unseres Milchstraßenzentrums mit voller Auflösung von RadioAstron durchgeführt werden kann, wird der Ereignishorizont direkt auflösbar. Bei bisherigen Beobachtungen gelang es nur, die Umgebung des schwarzen Lochs zu erfassen, aber es selbst ist derart klein, dass es völlig unsichtbar bleibt. Eine direkte Beobachtung wäre daher ein Meilenstein der Astronomie überhaupt.

In Kürze wird das federführende Institut ASC FIAN bekannt geben, welche Projekte im Rahmen des „RadioAstron Key Science Program“ (KSP, „Schlüsselwissenschaftsprogram“ – in diesem Programm werden die wichtigsten Projektziele angegangen) zwischen Juli 2013 und Juni 2014 durchgeführt werden sollen. Möglicherweise haben bereits in dieser Auswahlrunde einige Vorschläge Beobachtungszeit bekommen, die auf diesen neuen Erkenntnissen beruhen.

Des Weiteren wird die neue Empfangsstation in Green Bank/USA in Betrieb genommen werden, um neben der Station in Puschtschino das KSP zu unterstützen. Außerdem wird bis Ende des Jahres in Südafrika eine dritte Empfangsstation realisiert werden. Die zusätzlichen Empfangsstationen bedeuten eine deutliche Steigerung der Beobachtungszeit, da sämtliche Beobachtungsdaten aufgrund der sehr großen Datenmengen unmittelbar zur Bodenstation gesendet werden müssen.

Für die nächsten Jahre wird das fliegende Radioteleskop Spektr-R definitiv in seiner aktuellen Umlaufbahn verbleiben. Jedoch besteht die Option, den Orbit in einigen Jahren deutlich zu erhöhen. Während der maximale Abstand zur Erde derzeit rund 350.000 km beträgt, könnte sich Spektr-R dann bis auf 3,2 Millionen Kilometer entfernen. Juri Kowaljow gegenüber Raumfahrer.net: „Wir haben genug Treibstoff an Bord, um das zu tun. Aber noch ist es zu früh, darüber ernsthaft zu diskutieren. RadioAstron hat in seiner aktuellen Umlaufbahn genug zu tun“. Angesichts der aktuellen Erkenntnisse vielleicht sogar mehr, als ursprünglich erwartet wurde.

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• Spektr-R RadioAstron
• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

Der Beitrag Theorien zur interstellaren Materie widerlegt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: DLF, SwRI, Raumcon.

Dies hat ein internationales Astronomenteam aufgrund von Messungen mit dem NASA-Weltraumteleskop IBEX (Interstellar Boundary EXplorer) berechnet. Demnach tritt interstellares Helium anders in unser Sonnensystem ein als vorhergesagt. Dies lässt darauf schließen, dass die Sonne und mit ihr unser gesamtes Planetensystem mit deutlich geringerer Geschwindigkeit durch das interstellare Medium pflügt. Dies geht sogar so weit, dass man die jahrzehntelang postulierte Schockwelle vor dem Einflussbereich unserer Sonne zur Diskussion stellt.

Dies geht aus Worten von David McComas vom Southwest Research Institute der Universität Texas in San Antonio (USA) hervor. Demnach kann man den Daten entnehmen, dass unsere Sonne relativ zum Interstellaren Medium eine Geschwindigkeit von maximal 22 Kilometern pro Sekunde besitzt und diese Geschwindigkeit für eine richtige Bugwelle, die mit der Schockwelle eines Überschallflugzeuges in Luft vergleichbar ist, nicht ausreicht.

Konsequenz daraus wäre, dass man die Dichte des Interstellaren Mediums und die in ihr herrschende Strahlung bisher falsch eingeschätzt hätte.

Fast zeitgleich veröffentlicht wurde das Ergebnis einer Studie an der Universität Bonn zu Doppelsternen. Dazu wurden Sternhaufen unter die Lupe genommen, in denen Sterne praktisch zum selben Zeitpunkt entstanden sind. Angeregt wird die Geburt von Sternen in kosmisch vergleichsweise dichten Gaswolken durch Stoßwellen, die beispielsweise bei Sternexplosionen entstehen können. Dabei ist die Entstehung von Doppelsternen praktisch der Normalfall. Die neue Erkenntnis: Je mehr Sterne in einem solchen Sternhaufen entstehen, umso größer werden Gravitationskräfte, die bei mehr oder weniger dichten Vorbeiflügen von Sternen aneinander dazu führen können, dass Doppelsterne getrennt werden und einer der beiden Sterne sogar aus dem Sternhaufen katapultiert werden kann. Bei den sogenannten Flyby-Ereignissen wird einem Partner Bewegungsenergie entzogen und auf den anderen übertragen.

Da unsere Sonne gegenwärtig als Einzelstern gilt und auch fernab offener Sternhaufen ihre Bahn zieht, könnte sie dereinst Opfer eines solchen Rauswurfs gewesen sein. Allerdings wäre dann eine hohe Geschwindigkeit gegenüber dem Interstellaren Medium wahrscheinlich. Es bleibt also spannend.

Raumcon:

• IBEX in unbemannte Raumfahrt (ab 13. Mai 2012)
• Sonnen-Eruptionen (ab Februar 2012)
• Unsere Sonne (ab 10. Mai 2012)

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Autor: Sven Flock

Ausgangspunkt der Überlegungen ist die so genannte Hintergrundstrahlung. Sie ist ein Überbleibsel, ein Echo des Urknalls und macht ein Bild davon, wie es etwa 300000 Jahre nach dem Urknall im Universum „aussah“. Diese Grenze nennt man auch Rekombination. Zu diesem Zeitpunkt ist es erstmals Strah-lung gelungen, nicht von Atomkernen und Elektronen gestreut zu werden. Darunter soll man folgendes verstehen: Das Universum kühlt sich im Laufe seiner Zeit ständig ab, die Temperatur fällt. Es war also früher viel heißer als heute. Höhere Energien bedeuten, dass sowohl die kinetische Energie der E-lementarteilchen als auch die Energie der Photonen größer war. Damit sich Atome bilden, müssen sich Elektronen mit Atomkernen, die aus der Nukleo-synthese (Artikel von letzter Woche) entstanden sind, verbinden. Da aber die Photonen sehr energiereich sind, „stoßen“ diese die Elektronen aus ihrer Scha-le und das Photon wird gestreut. Dies passiert solange, bis die Energie im U-niversum so weit abgefallen ist, bis sie niedriger als die so genannte Ionisie-rungsenergie der Atome ist, und genau dies war etwa 300000 Jahre nach dem Urknall der Fall. Mit anderen Worten. Vor dieser Rekombination war die Strahlung nicht in der Lage, ungestört größere Distanzen zurückzulegen. Nach der Unterschreitung der kritischen Temperatur, konnte die Strahlung unge-stört Materie durchdringen. Diese Strahlung nennt man Mikrowellenstrahlung oder auch Hintergrundstrahlung. Diese ist vollkommen isotrop und homogen im Raum verteilt, d.h. egal wo man hinschaut oder sich befindet, das Spekt-rum der Strahlung ist ununterscheidbar. Dies bedeutet also, dass 300000 Jahre nach dem Urknall sämtliche Materie im Universum ebenfalls homogen verteilt sein musste. Wäre dies nicht der Fall, würde man heutzutage große Schwan-kungen in der Hintergrundstrahlung registrieren.

Aber wie konnten sich dann Galaxien, Galaxienhaufen und sogar Superhaufen bilden, wenn die Materie vollkommen homogen und isotrop verteilt ist? Denn zwischen diesen großen Strukturen ist fast „nichts“, ein paar Zwerggalaxien und Nebel bzw. Gas. Man nennt diese Regionen der Leere auch „Voids“ (engl.: Leere, Nichts). Die Möglichkeit, dass sich die Materie nach der Rekom-bination zufällig inhomogen verteilt hat, ist auszuschließen, denn man muss sich immer vor Augen halten, dass das Universum währenddessen expan-diert. Damit sich aber Materieklumpen bilden können, muss die Materiedichte relativ groß sein, aber zum damaligen Zeitpunkt der Expansion wäre dies unmöglich gewesen.

Die dunkle Materie sorgt hier für eine elegante Lösung des Problems. Wie be-reits bekannt ist, tritt diese sonderbare Form der Materie nicht mit Strahlung jeglicher Art in Verbindung, die bleibt vollkommen unberührt. Man spiele also noch mal das Urknallszenario durch: Zu Beginn existierte also Strahlung und Materie, sowohl normale Materie, mit der man vertraut ist, als auch dunkle Materie. Bereits kurze Zeit nach dem Urknall könnten sich Haufen von dunkler Materie zusammengefunden haben, um später die Keime für die Galaxien zu bilden. Das Bemerkenswerte an dieser Sache ist, dass dies nicht den Beo-bachtungen widerspricht. Dunkle Materie interagiert nicht mit der Strahlung, es geht daher keinerlei Information über deren Inhomogenität mit ein.

Nach der Rekombination entkoppelte sich die Strahlung vollkommen von der Materie und erlaubt dieser, sich zu den Klumpen dunkler Materie zu bewe-gen. Diese sehr massive dunkle Materie ist in der Lage, trotz der Expansion des Universums, Strukturen zu bilden.

Da wir nur die leuchtende Materie wahrnehmen, haben wir sozusagen eine verzerrte Sichtweise vom Universum. Man vermutet heutzutage, dass dunkle Materie viel gleichmäßiger verteilt ist als leuchtende.
Eine Analogie soll dies begreiflich machen: Beobachtet man Inselgruppen im Meer, die über größere Distanzen verteilt sind, so bekommt an leicht den Eindruck, dass diese Aufteilungen zur Haufenbildung tendieren. Würde man aber das Wasser entfernen, so offenbart sich dem Beobachter eine hügelige Landschaft, die keinerlei Ähnlichkeit mit Gruppierungen aufweist – die groß-räumigen Strukturen sind verschwunden.

Und genau so stellt man sich auch die Verteilung im Universum vor: Man weiß, dass es Haufen von leuchtender Materie gibt, und diese sind von dunkler Materie umgeben.

Der hügelige Meeresboden, der einen homogenen Eindruck vermittelt, steht für die gleichmäßige Verteilung der dunklen Materie. Schneidet man ab einer gewissen Höhe dieses Bild der Vorstellung ab, so sind nur noch Gruppierungen und Leerräume zu erkennen – Galaxien- und Superhaufen…

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Autor: Mark Weimar

Diese Ansammlungen sind die grundlegenden Bausteine des Universums. Das es eine enorme Anzahl solcher Galaxien gibt, wurde erst vor kurzem, um 1930 genauer gesagt, entdeckt.

Galaxien können in Recht unterschiedlicher Form auftreten. Es gibt Zwerggalaxien mit ca. 100.000 Sternen und es gibt Riesengalaxien die eine Masse von 2000 bis 3000 Sonnenmassen haben. Die Unterteilung der Galaxien erfolgt nach ihrem Erscheinungsbild im Teleskop. Diese Unterteilung wurde von Edwin Hubble 1925 eingeführt und hat noch heute Gültigkeit.
Nach seiner Einteilung unterscheiden wir drei verschiedene Formen der Galaxien. Die Spiralgalaxien, die elliptischen Galaxien und die irregulären Galaxien. Doch 1936 führte Hubble eine neue Art der Galaxien ein. Die sogenannten linsenförmigen Galaxien die sich zwischen den elliptischen Galaxien und den Spiralgalaxien einordnen.

Spiralgalaxien zeichnen sich durch eine flache Scheibe aus, in der sich der Großteil der Sterne befindet und in der die Spiralarme, die vom Kern ausgehen, liegen. Insgesamt bilden die Spiralgalaxien 61% aller beobachteten Galaxien. Bei Spiralgalaxien findet man in der Scheibe, vor allem in den Spiralarmen selbst, vorwiegend junge Sterne. In diesem Bereich kommt es regelmäßig zur Bildung von neuen Sternen. Die alten Sterne befinden sich im Bereich des Kerns.
Die linsenförmigen Galaxien verdanken ihren Namen der Tatsache, dass sie von der Seite wie zwei aufeinandergelegte Konvexlinsen aussehen. Im Vergleich zu den Spiralgalaxien ist ihre Scheibe weniger stark ausgeprägt. Doch sie zeigen genau wie die Spiralgalaxien einen diffusen Halo, so dass sie insgesamt wie Spiralgalaxien ohne Spiralarme wirken. Die linsenförmigen Galaxien machen ca. 22% der beobachteten Galaxien aus.
Bei den elliptischen Galaxien zeigen die Sterne im Wesentlichen eine symmetrische Verteilung, die oft kugelähnlich ist, sodass diese Systeme wie große Kugelsternhaufen wirken. Elliptische Galaxien bestehen überwiegend aus älteren Sternen, wobei die hellsten die Roten Riesen sind. In diesen Systemen gibt es nur wenig interstellare Materie, sodass es kaum zur Bildung von neuen Sternen kommt. Elliptische Galaxien können von recht unterschiedlicher Masse sein, sie bewegen sich zwischen weniger als 1 Mio. und mehreren tausend Mrd. Sonnenmassen. Die elliptischen Galaxien machen rund 13% des Universums aus.
Vier Prozent aller bisher beobachteten Galaxien im Universum werden von den irregulären gebildet. Diese Bezeichnung verdanken sie der Tatsache, dass sie keine Rotationssymmetrie erkennen lassen. Im allgemeinen sind sie von sehr geringer Masse, sodass sie oft als Begleiter von größeren Systemen auftreten. Ein typisches Beispiel für diese Galaxien sind die Magellanschen Wolken, die die Milchstraße begleiten. Die irregulären Galaxien sind reich an interstellarer Materie und junger Sternen.

Eine zeit lang nahm man an, dass der Bau der Galaxien eng mir ihrer Entwicklung verbunden sei. Man ging davon aus, dass Galaxien sich als elliptische Systeme bildeten und allmählich eine unregelmäßige Gestalt annahmen. In den heute vorherrschenden Theorien zur Entwicklung von Galaxien ist man von dieser Sichtweise abgekommen. Die Gestalt einer Galaxie scheint vielmehr von anderen Faktoren abzuhängen, insbesondere davon, in welchen Zeiträumen sich die Sterne in ihrem Inneren bilden. Wenn die Sterne eines Systems aus irgendeinem Grund in sehr kurzen Zeiträumen entstehen und dabei einen großen Teil der interstellaren Materie aufbrauchen, so dürfte es zur Bildung einer elliptischen Galaxie kommen. Entstehen die Sterne jedoch nach und nach, so dass sich auch heute noch Sterne bilden, so haben wir es mit einer Spiralgalaxie zu tun. Ebenfalls von Bedeutung für die Gestalt einer Galaxie könnte der Umstand sein, ob es zu Zusammenstößen oder Verschmelzungen von Systemen kommt.
Bisweilen kann man im Teleskop Galaxien erkennen, zwischen denen es gewisse gravitationsbedingte Wechselwirkungen zu geben scheint. Der Unterschied zwischen elliptischen und Spiralgalaxien wird heute auch anhand der Theorie der Verschmelzung von Galaxien interpretiert. Demnach könnten sich manche Galaxien, vor allem sehr große, durch Verschmelzung von zwei oder mehr Galaxien gebildet haben, unter Umständen auch von Spiralgalaxien. Computersimulationen haben bestätigt, dass sich durch Verschmelzung von Galaxien früher oder später eine Riesenellipsengalaxie bildet. Viel seltener scheint sich das Gegenteil zu ereignen, dass nämlich einer elliptischen Galaxie durch Gravitationseinwirkung Materie entrissen wird und diese spiralähnliche Strukturen bildet.
Wenn es zu einer Kollision bzw. einer Durchdringung zweier Galaxien kommt, so entstehen extrem starke Gezeitenkräfte, die in Galaxien mit großen Mengen an interstellarem Gas dieses verdichten, wodurch die Entstehung neuer Sterne angeregt wird. Es kommt zu einem beschleunigten Alterungsprozess der Galaxie, indem durch ein derartiges gewaltsames Ereignis die gesamten Gasvorräte aufgebraucht werden.

Die Urknall-Theorie liefert ein Modell für die zeitliche Entwicklung des Universums. Die kosmische Hintergrundstrahlung wiederum lässt den Schluss zu, dass das Weltall zu Beginn, als es noch keine Sterne und Galaxien gab, homogen war. Noch ist nicht genau geklärt, wie es zur Bildung von Galaxien kam, doch es gibt dazu einige vielbeachtete Theorien.
Die Dichte des Universums wies wohl schon früh minimale Schwankungen auf, gleichmäßige Störungen im gleichmäßigen Gefüge, verursacht durch die unablässige Bewegung der Teilchen, die aufgrund ihrer extrem hohen Temperaturen mit Lichtgeschwindigkeit zirkulieren. Dieser Umstand wurde durch die in der Hintergrundstrahlung beobachteten Schwankungen bestätigt. Als diese Dichteunterschiede, die hier und dort auftraten, ein gewisses Ausmaß erreichten, wurde in dichteren Regionen durch die Gravitation immer mehr Materie angezogen.

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