Quelle: ESON 27. August 2024.

27. August 2024 – Die Kollaboration schaffte dieses Meisterstück, indem sie Licht von entfernten Galaxien bei einer Frequenz von etwa 345 GHz, was einer Wellenlänge von 0,87 mm entspricht, detektierten. Die Forschungsgruppe schätzt, dass sie in Zukunft Bilder von Schwarzen Löchern erstellen können, die 50 % detaillierter sind als bisher. Dadurch wird die Region unmittelbar außerhalb der Grenze zu nahe gelegenen supermassereichen Schwarzen Löchern schärfer dargestellt. Außerdem können sie mehr Schwarze Löcher abbilden als bisher. Die neuen Messungen, die Teil eines Pilotversuchs sind, wurden heute im Astronomical Journal veröffentlicht.

Die EHT-Kollaboration veröffentlichte 2019 Bilder von M87*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie M87, und 2022 Bilder von Sgr A*, dem Schwarzen Loch im Herzen unserer Milchstraßengalaxie. Diese Bilder wurden durch die Verknüpfung mehrerer Radioobservatorien auf der ganzen Welt mithilfe einer Technik erstellt, die als Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bezeichnet wird, um ein einziges „erdgroßes“ virtuelles Teleskop zu bilden.

Um Bilder mit höherer Auflösung zu erhalten, verlassen sich Astronomen in der Regel auf größere Teleskope – oder auf einen größeren Abstand zwischen den Observatorien, die als Teil eines Interferometers arbeiten. Da das EHT jedoch bereits die Größe der Erde hatte, erforderte ein höheres Auflösungsvermögen bei den bodengestützten Beobachtungen einen anderen Ansatz. Eine weitere Möglichkeit, die Auflösung eines Teleskops zu erhöhen, besteht darin, Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu beobachten – und genau das hat die EHT-Kollaboration nun getan.

„Mit dem EHT haben wir die ersten Aufnahmen von Schwarzen Löchern mit einer Wellenlänge von 1,3 mm gemacht. Der helle Ring, der durch die Lichtbeugung in der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entstand, sah jedoch immer noch verschwommen aus. Wir stießen an die absoluten Grenzen der Schärfe, mit der wir die Bilder aufnehmen konnten“, so Alexander Raymond, einer der beiden Leiter der Studie. Er war zuvor Postdoktorand am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) und ist jetzt am Jet Propulsion Laboratory tätig, beide in den Vereinigten Staaten. „Bei 0,87 mm werden unsere Bilder schärfer und detaillierter sein. Dadurch werden wir wahrscheinlich neue Eigenschaften entdecken, sowohl solche, die bereits vorhergesagt wurden, als auch einige überraschende.“

Um zu zeigen, dass Messungen bei 0,87 mm möglich sind, unternahm die Kollaboration Testbeobachtungen entfernter, heller Galaxien bei dieser Wellenlänge [2]. Anstatt das gesamte Netzwerk des EHT zu verwenden, nutzten sie zwei kleinere Teilsysteme, die sowohl ALMA als auch das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile beinhalteten. Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist ein Partner von ALMA und einer der Betreiber von APEX. Zu den weiteren genutzten Stützpunkten gehören das 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich sowie das Grönland-Teleskop und das Submillimeter Array in Hawaii.

In diesem Pilotversuch gelang es den Forschern, Beobachtungen mit einer Detailgenauigkeit von 19 Mikrobogensekunden durchzuführen, was bedeutet, dass sie mit der bisher höchsten Auflösung von der Erdoberfläche aus beobachteten. Allerdings konnten sie noch keine Bilder produzieren: Zwar wiesen sie das Licht mehrerer entfernter Galaxien zuverlässig nach. Die Anzahl der verwendeten Empfänger reichte jedoch nicht aus, um aus den Daten ein genaues Bild rekonstruieren zu können.

Dieser Technologietest hat ein neues Fenster zur Erforschung von Schwarzen Löchern geöffnet. Mit dem vollständigen Array könnte das EHT Details von nur 13 Mikrobogensekunden Größe nachweisen, so als würde man von der Erde aus eine Münze auf dem Mond erkennen. Bei einer Wellenlänge von 0,87 mm sollten also Bilder zu erzielen sein, deren Auflösung etwa 50 % besser ist als die der zuvor veröffentlichten Bilder von M87* und SgrA* bei 1,3 mm. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, weiter entfernte, kleinere und schwächere Schwarze Löcher zu beobachten als die beiden, die die Kollaboration bisher abgebildet hat.

EHT-Gründungsdirektor Sheperd „Shep“ Doeleman, Astrophysiker am CfA und Co-Leiter der Studie, sagt: „Indem wir Veränderungen im umgebenden Gas bei verschiedenen Wellenlängen untersuchen, können wir das Rätsel lösen, wie Schwarze Löcher Materie anziehen und aufnehmen und wie sie leistungsstarke Jets erzeugen können, die über galaktische Entfernungen hinausreichen.“

Zum ersten Mal wurde die VLBI-Technik erfolgreich bei einer Wellenlänge von 0,87 mm eingesetzt. Zwar war es bereits vor den neuen Messungen möglich, den Nachthimmel bei 0,87 mm zu beobachten, doch war die Anwendung der VLBI-Technik bei dieser Wellenlänge immer mit Herausforderungen verbunden, deren Bewältigung Zeit und technologische Fortschritte erforderte. So absorbiert Wasserdampf in der Atmosphäre Strahlung bei 0,87 mm viel stärker als bei 1,3 mm, was es für Radioteleskope schwieriger macht, Signale von Schwarzen Löchern bei der kürzeren Wellenlänge zu empfangen. Die Entwicklung von VLBI hin zu kürzeren Wellenlängen, insbesondere in den Submillimeterbereich, verlief nur langsam. Das lag an den zunehmend stärkeren atmosphärischen Turbulenzen und der vermehrten Rauschbildung bei diesen Wellenlängen. Hinzu kam die Schwierigkeit, die globalen Wetterverhältnisse bei empfindlichen Beobachtungen zu kontrollieren. Doch mit diesen neuen Beobachtungen hat sich das nun geändert.

„Diese Signalmessungen mit dem VLBI bei 0,87 mm sind bahnbrechend, da sie ein neues Beobachtungsfenster für die Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher öffnen“, erklärt Thomas Krichbaum, Mitautor der Studie vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland. Diese Forschungseinrichtung betreibt zusammen mit der ESO das APEX-Teleskop. Er fügt hinzu: „In Zukunft wird die Kombination der IRAM-Teleskope in Spanien (IRAM-30m) und Frankreich (NOEMA) mit ALMA und APEX die gleichzeitige Abbildung von noch kleineren und schwächeren Emissionen als bisher bei zwei Wellenlängen, 1,3 mm und 0,87 mm, ermöglichen.“

Endnoten
[1] Es gab bereits astronomische Beobachtungen mit höherer Auflösung, aber diese wurden durch die Kombination von Signalen von Teleskopen am Boden mit einem Teleskop im Weltraum erzielt: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2022/2. Die heute veröffentlichten neuen Beobachtungen sind die bislang detailliertesten, die jemals nur mit bodengestützten Teleskopen erzielt wurden.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit der EHT-Kollaboration wurde in einem Artikel von A. W. Raymond et al. präsentiert, der heute in The Astronomical Journal (doi: 10.3847/1538-3881/ad5bdb) veröffentlicht wurde.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 400 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt, von denen etwa 270 an diesem Artikel mitgewirkt haben. Ziel der internationalen Zusammenarbeit ist es, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erstellen, die jemals aufgenommen wurden, indem ein virtuelles Teleskop in der Größe der Erde geschaffen wird. Mit Unterstützung beträchtlicher internationaler Anstrengungen verbindet das EHT bestehende Teleskope mithilfe neuartiger Techniken und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit der höchsten bisher erreichten Winkelauflösung.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics und Radboud University.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) ist ein Teleskop mit einem Durchmesser von 12 Metern, das im Millimeter- und Submillimeterbereich – zwischen Infrarotlicht und Radiowellen – arbeitet. Die ESO betreibt APEX an einem der höchstgelegenen Observatorien der Erde, auf einer Höhe von 5100 Metern, hoch oben auf dem Chajnantor-Plateau in der chilenischen Atacama-Region. APEX ist ein Projekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR), das von der ESO im Auftrag des MPIfR verwaltet und betrieben wird.

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.

Forschungsartikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2411/eso2411a.pdf

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag EHT-Wissenschaftler machen die bisher schärfsten Beobachtungen von der Erdoberfläche aus erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Stuttgart 23. August 2023.

23. August 2024 – Abgesehen von Helium und Wasserstoff entstehen die meisten schwereren chemischen Elemente in unserem Kosmos bis hin zu Eisen durch die Verschmelzung von Atomkernen im Inneren von Sternen. Dabei sind die massereichsten, heißesten und hellsten unter ihnen die treibenden Akteure. Sie beeinflussen ihre unmittelbare Umgebung durch den großen Anteil ionisierender UV-Strahlung, die sie abgeben sowie die starken stellaren Winde, die von ihnen ausgehen. Schneller als alle leichteren Sterne verbrennen sie Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen, explodieren nach einer – für astronomische Verhältnisse – relativ kurzen Zeit von nur wenigen Millionen Jahren und reichern das umliegende Gas mit schweren Elementen an. Aus diesem Material können dann neue Sonnensysteme wie das unsrige mit seiner Vielfalt an chemischen Stoffen entstehen.

Um zu entschlüsseln, welcher Anteil einer so zusammengesetzten dichten interstellaren Wolke wieder zu Sternen wird und auf welchen Zeitskalen, hat ein Team um Cornelia Pabst von der Universität Leiden und dem Consejo Superior de Investigaciones Científicas in Madrid Daten eines Forschungsprogramms namens FEEDBACK mit neuen Radiodaten des 40m-Yebes-Observatoriums und des IRAM-30m-Teleskops kombiniert. FEEDBACK ist ein Langzeitprojekt von SOFIA, dem Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, das die deutsche und amerikanischen Raumfahrtagenturen, DLR und NASA, gemeinsam betrieben haben. Für ihre Studie hat Pabst mit ihren Kollegen und Kolleginnen zehn Regionen im Orionnebel detailliert untersucht, die unterschiedliche Entwicklungsphasen der Sternentstehung repräsentieren.

Die Ergebnisse zeigen, unter welchen – für irdische Maßstäbe – extremen Bedingungen Sterne und somit auch die Bausteine für Leben entstehen. Sie sind kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen. Das Deutsche SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert die SOFIA-Aktivitäten auf deutscher Seite.

Ringen um die Dominanz
Die Entstehung neuer Sterne sowie die Auswirkung dieses Prozesses auf ihre Umgebung und das dortige Material, aus dem sie entstanden sind – das sogenannte interstellare Medium (ISM) – ist entscheidend für die Entwicklung von Galaxien: Wann verhindern gerade entstandene Sterne die Entstehung weiterer Generationen? Unter welchen Umständen regt diese Rückkopplung die Entstehung neuer Sterne an? Welche Prozesse übernehmen die dominierende Rolle? Und wie wirkt sich das auf die großräumigen Eigenschaften des ISM und die weitere Entwicklung der Galaxien aus? Massereiche, heiße, helle Sterne, die extrem energiereiche ultraviolette Strahlung aussenden, sind relativ selten. Auch im Orionnebel sind daher nur wenige von ihnen für die Erhitzung und Ionisierung des ISM verantwortlich. Der hellste von ihnen ist 33-mal so schwer und 20.000-mal so hell ist wie unsere Sonne. Um diese Sterne hat sich eine Blase ionisierten Gases gebildet, die 10.000 Grad Kelvin heiß ist und in der sich zwischen 100 und 100.000 Gaspartikel in einem Kubikzentimeter befinden.

Von uns aus gesehen liegt hinter dieser hellen Sternengruppe eine vergleichsweise dichte und sehr kalte Molekülwolke mit bis zu zehn Millionen Partikeln pro Kubikzentimeter und nur 30 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt (30 Kelvin), wie frühere Radiobeobachtungen von IRAM und Yebes ergaben. Diese wehrt sich immer noch erfolgreich gegen eine Zerstörung durch die intensive Bestrahlung, die von ihrer heißen Nachbarschaft ausgeht. Währenddessen hat sich eine gigantische Plasmablase mit einem Radius von bis zu 2 Parsec (1 pc = 3,26 Lichtjahre) ausgebreitet, wobei sie das verdrängte Gas in eine dünne sie umgebende Hülle zusammengeschoben hat. Die intensive Strahlung sowie die Winde der Sternengiganten beschleunigen dieses Plasma und erhitzen es auf eine Temperatur von einer Million Kelvin. Es hat eine extrem geringe Dichte mit nur einem Partikel pro Kubikzentimeter und dehnt die Materiehülle trotzdem mit einer Geschwindigkeit von 13 km/s weiter aus, wie die hochaufgelösten Spektren von SOFIA zeigen.

Extreme Bedingungen
Ein solch extremes Vakuum kann bisher in einem irdischen Labor nicht einmal annähernd erzeugt werden. Die besten erreichbaren Werte liegen bei 10.000 bis 100.000 Partikeln pro Kubikzentimeter. Das ist im Vergleich mit unserer Erdatmosphäre immer noch sehr gut. Diese enthält bei Normaldruck und 0 Grad Celsius sehr viel mehr, nämlich etwa 27 Milliarden Milliarden Teilchen pro Kubikzentimeter. Die Größe der expandierenden Hülle im Orion ist ebenfalls erstaunlich. Mit einem Durchmesser von 4 Parsec braucht das Licht etwa 13 Jahre, um sie zu durchqueren. Sie dehnt sich immer weiter aus und Beobachtungen ähnlicher Blasen lassen vermuten, dass sie früher oder später an einigen Stellen aufbrechen und ihr Material in ihrer Umgebung verteilen wird. Damit steht es für die Entstehung weiterer Sterne erst einmal nicht mehr zur Verfügung. Anhand der Größe und Ausdehnungsgeschwindigkeit dieser Blase können Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen abschätzen, wie effizient massereiche Sterne Energie in das umgebende ISM pumpen und wie viel Masse dabei für die zukünftige Sternentstehung verloren geht. Allerdings kann solch eine sich ausdehnende Schale auch die Entstehung weiterer Sterne auslösen, falls sie auf ihrem Weg zum Beispiel auf eine andere Molekülwolke trifft und deren Materie durch diesen Zusammenstoß soweit verdichtet, dass diese unter ihrer eigenen Gravitation zusammenfällt.

SOFIA-Erbe bleibt erhalten
„In der Astrophysik erleben wir gerade aufregende Zeiten“, so Cornelia Pabst. Es gibt neueste Erkenntnisse über das sehr frühe Universum und seine Entwicklung mit dem Planck-Satelliten. Das Radioobservatorium ALMA und das Weltraumteleskop JWST liefern immer mehr Einblicke in die früheste Entwicklung von Galaxien, die Jagd nach Exoplaneten hat volle Fahrt aufgenommen. Hochenergetische Phänomene, Gravitationswellen, ultraschnelle Radioausbrüche und extreme Röntgenleuchtkraft geben nach und nach ihre Geheimnisse preis. „Trotzdem bleibt das Studium der «nahen» Sternenentstehung in unserer Galaxie ein wichtiges und fundamentales Thema, wodurch wir die Entwicklung anderer Galaxien in der Geschichte des Universums und deren Anreicherung mit schweren Elementen erst verstehen“, so Pabst.

Die hohe spektrale Auflösung und Empfindlichkeit von upGREAT, dem aufgerüsteten German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, an Bord von SOFIA ermöglichte es dem Team um Pabst, die Bewegungen und physikalischen Bedingungen des interstellaren Gases anhand der Feinstrukturlinie [CII] 158 µm des ionisierten Kohlenstoffs zu bestimmen.Trotz des Endes der SOFIA-Mission verfolgt das Team um Cornelia Pabst das Langzeitprojekt FEEDBACK mit neuen Radiobeobachtungen der Sternentstehungsgebiete im Orion weiter. Die Kombination dieser Radiobeobachtungen mit den SOFIA-Archivdaten ermöglicht insbesondere die Bestimmung der obengenannten Materiedichten und Temperaturen. Damit sind die komplexen Prozesse in den verschiedenen Gebieten des Orionnebels, die die Geschwindigkeit und Effizienz der Sternentstehung bestimmen, besser zu verstehen.

Auch nachdem SOFIA im September 2022 den Beobachtungsbetrieb eingestellt hat, werden die Daten des FEEDBACK Legacy-Programms weiter Antworten auf diese Fragen liefern. „In den nächsten 5 Jahren werden wir am Institut für Raumfahrsysteme (IRS) der Universität das SOFIA Daten Center (SDC) aufbauen, die Datenprozessierung verbessern und Forschende bei der weiteren Nutzung des SOFIA-Datenarchivs unterstützen“, verkündet Bernhard Schulz, ehemaliger SOFIA Science Mission Deputy Direktor und neuer wissenschaftlicher Leiter des SDC. „So können wir das wissenschaftliche Erbe von SOFIA für die weitere Forschung erhalten.“

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und 50OK2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Über upGREAT
upGREAT ist eine Weiterentwicklung des Ferninfrarot-Spektrometers GREAT („German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies“), mit dem seit 2011 zahlreiche erfolgreiche Wissenschaftsflüge mit SOFIA durchgeführt wurden. Das Instrument wurde von einem Konsortium deutscher Forschungsinstitute – dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem „Kölner Observatorium für SubMillimeter Astronomie“ (KOSMA) der Universität zu Köln in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin entwickelt und gebaut.

Originalveröffentlichung:
Multiline observations of hydrogen, helium, and carbon radio-recombination lines toward Orion A: A detailed dynamical study and direct determination of physical conditions, C.H.M. Pabst, J.R. Goicoechea, S. Cuadrado, P. Salas, A.G.G.M. Tielens, N. Marcelino, A&A, im Druck
doi.org/10.1051/0004-6361/202347574
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/08/aa47574-23/aa47574-23.html
Als Preprint auf arXiv/astro-ph: https://arxiv.org/pdf/2404.17963

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• Sternentwicklung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 8. November 2023.

8. November 2023 – Zum ersten Mal ist es gelungen, die Spiralform des drehenden Lichts zu messen, das vom Rand eines supermassereichen Schwarzen Lochs entweicht. Diese Ergebnisse hat die Event Horizon Telescope (EHT) Kollaboration (an der das MPI für Radioastronomie und das Institut de Radioastronomie Millimétrique maßgeblich beteiligt sind) kürzlich veröffentlicht. Diese sogenannte zirkulare Polarisation ist eine Folge der Rotation der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes in den Radiowellen. Auf seiner Reise bringt das Radiolicht Informationen über die Magnetfeld-Struktur und die Zusammensetzung der energetischen Teilchen nahe dem Schwarzen Loch mit sich. Die neue Arbeit, die heute in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, unterstützt frühere Erkenntnisse des EHT bezüglich eines rotierenden Magnetfeldes, das stark genug ist das schwarze Loch in der Galaxie M87 zeitweise daran zu hindern, Materie zu “verschlucken”.

“Die Untersuchung der zirkularen Polarisation war der letzte Teil unserer umfassenden Analyse der Polarisation um das Schwarze Loch in M87 mit den Daten aus dem Jahr 2017. Da die zirkulare Polarisation relativ schwach ist, war es besonders schwierig dieses Signal zu extrahieren”, sagt Andrew Chael, Wissenschaftler der Gravity Initiative an der Princeton University, der das heute vorgestellte Projekt koordiniert hat. „Diese neuen Ergebnisse bestätigen unser Bild eines starken Magnetfelds, welches das heiße Gas um das Schwarze Loch durchdringt. Die EHT-Beobachtungen helfen uns, besser zu verstehen, wie Schwarze Löcher Materie aufsaugen und gleichzeitig energiereiche Jets ausstoßen, die weit über die Galaxie hinausreichen können, in der sich das Schwarze Loch befindet.”

Im Jahr 2019 erreichte das Event Horizon Telescope (EHT) einen Meilenstein als es zum ersten Mal ein Bild eines glühenden Rings aus heißem Plasma um das zentrale Schwarze Loch in M87 zeigte. Im Jahr 2021 veröffentlichten die EHT-Wissenschaftler dann ein weiteres Bild, das die Ausrichtung der elektrischen Felder des Lichts zeigt, also die lineare Polarisation aus dem Plasmaring. Diese lineare Polarisation deutet auf die Existenz geordneter und starker Magnetfelder in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs hin.

„Darauf aufbauend liefern unsere neuen Messungen der zirkularen Polarisation, die zeigen, wie sich die elektrischen Felder des Lichts spiralförmig drehen, eine noch überzeugendere Bestätigung für die Existenz dieser starken Magnetfelder“, sagt Eduardo Ros, Wissenschaftler am MPIfR und Koautor der veröffentlichten Arbeit.

„Das zirkular polarisierte Signal ist etwa 100 Mal schwächer als die unpolarisierte Strahlung, die wir für das erste Bild des Schwarzen Lochs verwendet haben“, erklärt Ioannis Myserlis, Astronom am Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM). „Dieses schwache Signal in den Daten zu finden war, als würde man versuchen, ein Gespräch neben einem Presslufthammer zu verfolgen. Wir mussten unsere Methoden sorgfältig testen, um herauszufinden, worauf wir uns wirklich verlassen konnten.”

Um diese genaue Analyse durchführen zu können, entwickelte und testete das Team mehrere neue Methoden, um aus den spärlichen und verrauschten EHT-Messungen ein polarisiertes Bild zu rekonstruieren. „Es war entscheidend, unsere verschiedenen Analysemethoden gegen simulierte Daten und gegeneinander zu testen“, sagt Freek Roelofs, Postdoktorand am Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian. In einer ebenfalls heute veröffentlichten Arbeit stellte Roelofs fest, dass die Daten einen überraschenden Unterschied zwischen den links- und rechtshändig zirkular polarisierten Anteilen des Lichtes des Rings zeigen. Dieses Ergebnis basiert jedoch auf der (plausiblen) Annahme einer ringförmigen Struktur der Emission – unter weniger stringenten Annahmen über die Helligkeitsverteilung verschwanden diese Unterschiede. „Zusammen zu arbeiten und herauszufinden, was und was nicht aus den Daten abgeleitet werden kann, hat dieses Projekt unglaublich spannend und interessant gemacht“, sagt Roelofs.

Das Team führte verschiedene Tests mit den Daten durch, die alle auf die tatsächliche Präsenz zirkular polarisierten Lichtes in der Nähe des Ereignishorizonts hinweisen. Maciek Wielgus, Wissenschaftler am MPIfR und Mitglied des Teams, erklärt: „Da die Genauigkeit der EHT-Messungen der zirkularen Polarisation durch die Messempfindlichkeit begrenzt war, konnte unser Team letztlich kein klares Bild von der ‚Händigkeit‘ des zirkular polarisierten Lichtes gewinnen. Stattdessen konnten wir aber feststellen, dass der zirkular polarisierte (oder spiralförmige) Anteil des Lichts nur einen kleinen Teil des gesamten Lichts ausmacht, aus dem sich das Bild des Schwarzen Lochs zusammensetzt.”

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat das Team des EHT mit einer speziellen Messtechnik verschiedene Hypothesen über die Form und das Verhalten von Plasma- und Magnetfeldern in der Umgebung eines Schwarzen Lochs untersucht. Dabei kamen auch modernste Supercomputer-Simulationen zum Einsatz. Die nun vorliegende Messung der zirkularen Polarisation untermauert frühere Befunde, die auf die Existenz starker Magnetfelder hindeuten. Diese Magnetfelder üben eine beträchtliche Kraft auf die in das Schwarze Loch fallende Materie aus und begünstigen die Bildung robuster Plasmajets, die sich weit vom Zentralbereich der Galaxie M87 entfernen.

Die kombinierte Analyse von Simulationen und Beobachtungen zeigt eine turbulente und dynamische Umgebung nahe dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs. In dieser Region kommt es zu heftigen Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern, dem heißen Plasma und der Schwerkraft.

„Obwohl die EHT-Daten von 2017 nicht empfindlich genug sind, um alle Details in der Struktur der zirkularen Polarisation um das Schwarze Loch zu enthüllen, sind wir optimistisch die momentanen Einschränkungen überwinden zu können“, sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR, einer der Pioniere von Millimeter-VLBI Messungen. „Unsere laufende Analyse neuerer und besserer EHT-Datensätze verspricht, dass wir dieses Signal noch genauer messen können. Das würde uns Aufschluss darüber geben, ob Materie-Antimaterie-Paare Teil des Plasmas am Ereignishorizont sind und welche Mechanismen ihrer Beschleunigung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zugrunde liegen“, schließt er.

Unter den teilnehmenden Teleskopen in der Messung befindet sich auch das vom MPIfR gebaute und betriebene Radioteleskop APEX in Chile. „Die Arbeit an diesen bahnbrechenden Beobachtungen war zweifellos eine große Herausforderung, aber sie hat uns auf die spannenden Perspektiven vorbereitet, die noch vor uns liegen“, ergänzt Anton Zensus, Gründungsvorsitzender der EHT-Kooperation und Direktor am MPIfR. Er fügt hinzu: „Das EHT erlebt derzeit eine rasante Expansion mit neuen Teleskopen und verbesserter Technologie an allen Observatorien, die auch auf den Ergebnissen von unserem VLBI-Korrelator in Bonn basieren.“

Mehr Informationen
An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa sowie Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erfassen, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop in Erdgröße erzeugt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verknüpft das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten bisher erreichten Winkelauflösungsvermögen.

Die einzelnen beteiligten Teleskope sind: ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das IRAM NOEMA Observatorium, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das Submillimeter Teleskop (SMT), das South Pole Telescope (SPT), das Kitt Peak Teleskop und das Greenland Telescope (GLT).

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Folgende Wissenschaftler, die dem MPIfR angehören, sind Mitautoren der Veröffentlichung: Walter Alef, Rebecca Azulay, Uwe Bach, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Gregory Desvignes, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Christian M. Fromm, Michael Janssen, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Joana A. Kramer, Michael Kramer, Thomas P. Krichbaum, Mikhail Lisakov, Jun Liu, Kuo Liu, RuSen Lu, Andrei P. Lobanov, Nicholas R. MacDonald, Nichola Marchilli, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Hendrik Müller, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Georgios F. Paraschos, Felix M. Pötzl, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torne, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Robert Wharton, Maciek Wielgus, Gunther Witzel, und J. Anton Zensus.

Bei IRAM, mit seinen Standorten in Grenoble und Granada, sind folgende Wissenschaftler Mitglieder des Teams: Michael Bremer, Dominique Broguiere, Sergio A. Dzib, Roberto García, Olivier Gentaz, Carsten Kramer, Ioannis Myserlis, Roberto Neri, Vincent Piétu, Ignacio Ruiz, Salvador Sánchez, Miguel Sánchez-Portal, Karl-Friedrich Schuster, und Pablo Torne.

Originalveröffentlichungen
First M87 Event Horizon Telescope Results IX: Detection of Near-Horizon Circular Polarization
EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal, 8 November 2023, DOI: 10.3847/2041-8213/acff70
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70/pdf
Polarimetric geometric modeling for mm-VLBI observations of black holes
F. Roelofs, M.D. Johnson, A. Chael, M. Janssen, M. Wielgus, and the EHT Collaboration, The Astrophysical Journal, 8 November 2023, DOI: 10.3847/2041-8213/acff6f
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff6f
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff6f/pdf

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• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: MPE 10. Oktober 2023.

10. Oktober 2023 – Am Beispiel der Sternentstehungsregion Barnard 5 zeichnet das Team nach, wie Material von größeren Skalen bis zu protostellaren Scheiben wandert, und weisst dabei eine bemerkenswerte Beziehung zwischen länglichen Filamenten und Gasströmen nach. Insbesondere entdeckte das Team einen großen Gasstrom, der darauf hindeutet, dass junge Sterne auch nach der so genannten Hauptakkretionsphase zusätzliches Material ansammeln können.

Im klassischen Bild geht die Forschung bisher davon aus, dass sich bei der Sternentstehung allmählich Material anhäuft und einen sogenannten ‚dichten Kern‘ bildet, einer besonders kühlen und dichten Region in einer größeren Molekülwolke. Sobald die Dichte des Kerns eine bestimmte Grenze erreicht, kollabiert dieser und bildet einen Protostern. Aus dem übriggebliebenen Material bildet sich eine sogenannte zirkumstellare Scheibe, aus der der neugebildete Protostern weiterhin Material akkretiert. Im klassischen Bild betrachtet man diese Kernregion als isolierte Einheit. In den letzten Jahren wurden jedoch vermehrt Streamer entdeckt – Zuflüsse, die über den dichten Kern hinausgehen und Längen von bis zu 10.000 astronomischen Einheiten (etwa 0,15 Lichtjahre) erreichen können. Diese Ströme versorgen die zirkumstellare Scheibe mit chemisch jungem Gas, allerdings ist immer noch unklar, woher sie stammen. Forschende am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) haben nun erstmals Hinweise auf eine Verbindung zwischen diesen Streamern und Filamenten in Sternentstehungsgebieten gefunden und damit eine neue Perspektive auf die Geburt von Sternen eröffnet.

Das Team konzentrierte sich auf die Region Barnard 5 (B5), eine dichte Molekülwolke im Sternbild Perseus. In Barnard 5 beherbergen zwei Filamente einen einzelnen Protostern – allerdings nicht mehr lange: Es gibt drei weitere Verdichtungen aus Gas, die in Zukunft ein gebundenes Mehrfachsternsystem bilden werden. Mit der Kombination von drei leistungsstarken Instrumenten – ALMA in der chilenischen Wüste, NOEMA in den französischen Alpen und dem 30-Meter-Teleskop IRAM in Pico Veleta, Spanien – verfolgte das Team am MPE den Gasfluß auf verschiedenen Längenskalen. „Unser Ziel war es, den Weg des Gases von außerhalb des Filaments, das den Protostern enthält, bis hin zu der protostellaren Scheibe zu verfolgen, und so verschiedene Skalen der Sternentstehung zu überbrücken“, erklärt Teresa Valdivia-Mena, Doktorandin im Zentrum für Astrochemische Studien am MPE und Hauptautorin der Untersuchung.

Auf größeren Skalen fanden die Forscher heraus, dass chemisch junges, vom Sternentstehungsprozess unbeeinflusstes Gas aus der größeren Barnard-5-Region in die Filamente gelangt. Die Geschwindigkeit des Gases, die von NOEMA und dem 30-Meter-Teleskop IRAM gemessen wurde, stimmt mit einem Einfall von außerhalb der beiden Filamente überein. Wenn das Gas die zentrale Achse der Filamente erreicht, strömt es in die Richtung der drei Verdichtungen und des Protosterns. Beim Heranzoomen mit ALMA fand das Team einen Streamer, der die protostellare Scheibe speist.

Auffallend bei diesen Beobachtungen ist, dass – trotz der unterschiedlichen Auflösungen – die Geschwindigkeit des chemisch jungen Gases von außerhalb der Filamente mit der Geschwindigkeit des Streamers übereinstimmt. Sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit entlang des Streamers wurden mit einem theoretischen Modell für frei fallendes Material reproduziert und scheinen mit der Gasströmung auf größeren Skalen verbunden zu sein. Das bedeutet, dass das chemisch unverarbeitete Gas jenseits der Filamente den Protostern erreichen kann. Der Protostern hat somit Zugang zu einem größeren Gasreservoir und kann auch nach der Hauptakkretionsphase weiter wachsen.

„Diese Ergebnisse sind sehr spannend, denn sie zeigen, dass der Sternentstehungsprozess auf vielen Skalen abläuft“, betont Jaime Pineda, Zweitautor der Barnard-5-Untersuchung. „Akkretionsströme und Streamer verbinden die jungen stellaren Objekte mit der elterlichen Wolke. Dieser dynamische Prozess, wie der junge Stern gefüttert wird, könnte sich sogar auf den gesamten Prozess der Scheiben- und Planetenbildung auswirken. Allerdings werden wir weitere Beobachtungen benötigen, um dies zu bestätigen.“ Darüber hinaus deuten diese Beobachtungen darauf hin, dass das unverarbeitete Gas aus der interstellaren Wolke ein wichtiger Bestandteil für das zukünftige Planetensystem sein kann. Die Zusammensetzung der neugeborenen Planeten und ihrer Atmosphären könnte daher von einer viel größeren Region beeinflusst werden als bisher angenommen.

Im Wesentlichen zeichnet diese Studie bereits ein anschauliches Bild des komplexen Tanzes der Gasströme von Filamenten zu Streamern und schließlich zu protostellaren Größenordnungen. „Unsere Forschung unterstreicht, wie eng die verschiedenen Skalen im Sternentstehungsprozess miteinander verbunden sind, und verdeutlicht den Einfluss dieser Strömungen auf die Entwicklung der entstehenden Sterne“, fasst Valdivia-Mena zusammen.

Originalveröffentlichung
Flow of gas detected from beyond the filaments to protostellar scales in Barnard 5
M. T. Valdivia-Mena, J. E. Pineda, D. M. Segura-Cox, P. Caselli, A. Schmiedeke, S. Choudhury, S. S. R. Offner, R. Neri, A. Goodman, G. A. Fuller
Accepted for publication in A&A
https://arxiv.org/abs/2307.14337

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• Sternentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

2. Februar 2022 – Eine internationale Gruppe von Astrophysikern, darunter Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, hat eine neue Methode zur Messung der Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im jungen Universum nur 880 Millionen Jahre nach dem Urknall entwickelt. Es ist das erste Mal, dass die Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – ein Überbleibsel der beim Urknall freigesetzten Energie – in einer so frühen Epoche des Universums gemessen werden konnte. Das derzeitige kosmologische Modell geht davon aus, dass sich das Universum seit dem Urknall abgekühlt hat – und immer noch weiter abkühlt. Das Modell beschreibt ebenso, wie der Abkühlungsprozess verlaufen sollte, konnte aber bisher nur für relativ junge kosmische Epochen direkt bestätigt werden. Die Entdeckung setzt nicht nur einen sehr frühen Meilenstein für die Entwicklung der kosmischen Hintergrundtemperatur, sondern könnte auch Auswirkungen auf die rätselhafte Dunkle Energie haben.

Das Ergebnis wird in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler nutzten das „Northern Extended Millimeter Array“ (NOEMA) in den französischen Alpen, das leistungsstärkste Radioteleskop der nördlichen Hemisphäre, um die Quelle HFLS3 zu beobachten, eine Galaxie in einer Phase heftiger Sternentstehung („Starburst-Galaxie“) in einer Entfernung, die einem Alter von nur 880 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht. Sie entdeckten darin eine Abschirmung aus kaltem Wassergas, die einen Schatten auf die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wirft. Der Schatten entsteht, weil das kältere Wasser die wärmere Mikrowellenstrahlung auf ihrem Weg zur Erde absorbiert und die Dunkelheit des Schattens offenbart den Temperaturunterschied. Da die Temperatur des Wassers aus anderen beobachteten Eigenschaften des Starbursts abgeleitet werden kann, weist der Unterschied auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung zu diesem Zeitpunkt hin, die etwa sechsmal höher lag als im heutigen Universum.

„Diese Entdeckung ist nicht nur ein Beweis für die Abkühlung, sondern zeigt uns auch, dass das Universum in seinen Anfängen einige ganz bestimmte physikalische Eigenschaften hatte, die heute nicht mehr existieren“, sagt der Erstautor, Prof. Dominik Riechers vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln. „Schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt, etwa 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall, war der kosmische Mikrowellenhintergrund zu kalt, um diesen Effekt beobachten zu können. Wir haben also ein einzigartiges Beobachtungsfenster, das sich nur für ein sehr junges Universum öffnet“, erklärt er weiter. Mit anderen Worten: Würde heute eine Galaxie mit ansonsten identischen Eigenschaften wie HFLS3 existieren, wäre der Wasserschatten nicht beobachtbar, weil der erforderliche Temperaturkontrast nicht mehr vorhanden wäre.

„Das ist ein wichtiger Meilenstein, der nicht nur den erwarteten Abkühlungstrend für eine viel frühere Epoche als bisher möglich bestätigt, sondern auch direkte Auswirkungen auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie haben könnte“, sagt Dr. Axel Weiß vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, der Zweitautor der Studie. Er erklärt weiter: „Das heißt, dass wir ein expandierendes Universum haben, in dem sich die Dichte der Dunklen Energie nicht ändert.“ Dunkle Energie wird als eine Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums in den letzten Milliarden Jahren angesehen. Ihre Eigenschaften sind allerdings nach wie vor schlecht verstanden, da sie mit den derzeit verfügbaren Einrichtungen und Instrumenten nicht direkt beobachtet werden kann. Diese Eigenschaften beeinflussen jedoch die Entwicklung der kosmischen Expansion und damit die Abkühlungsrate des Universums auf kosmischer Zeitskala. Auf der Grundlage des vorliegenden Experiments bleiben die Eigenschaften der Dunklen Energie – vorerst – konsistent mit denen der „kosmologischen Konstante“ von Einstein.

Nachdem das Team eine kalte Wasserwolke in solch großer Entfernung entdecken konnte, macht es sich nun auf die Suche nach vielen weiteren am Himmel. Ziel dabei ist es, die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung in den ersten 1,5 Milliarden Jahren der Geschichte des Universums zu kartieren. „Diese neue Technik gibt uns wichtige neue Einblicke in die Entwicklung des Universums, einschließlich der Eigenschaften der Dunklen Energie, die sonst in solch frühen Epochen nur sehr schwer zu bestimmen sind“, so Riechers.

„Unser Team verfolgt dieses Projekt bereits weiter, indem es die Umgebung anderer Galaxien mit NOEMA untersucht“, sagt Co-Autor und NOEMA-Projektwissenschaftler Dr. Roberto Neri. „Mit den zu erwartenden Verbesserungen der Präzision durch Untersuchungen größerer Stichproben von Wasserwolken bleibt abzuwarten, ob unser derzeitiges, grundlegendes Verständnis der Dunklen Energie Bestand hat.“

Hintergrundinformation:
NOEMA, das „NOrthern Extended Millimeter Array“, ist das leistungsstärkste Radioteleskop der nördlichen Hemisphäre. Das Observatorium befindet sich in einer Höhe von über 2500 Metern über dem Meeresspiegel auf einem der ausgedehntesten europäischen Hochgebirgsstandorte, dem „Plateau de Bure“ in den französischen Alpen.

Das Teleskop wird vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben und von der Max-Planck-Gesellschaft (Deutschland), dem Centre National de Recherche Scientifique (Frankreich) und dem Instituto Geografico Nacional (Spanien) finanziert.

Dominik Riechers (Universität zu Köln) führte die Studie zusammen mit seinen Kollegen Axel Weiß (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MPIfR), Fabian Walter (Max-Planck-Institut für Astronomie, MPIA), Christopher L. Carilli (National Radio Astronomy Observatory, NRAO), Pierre Cox (Centre National de Recherche Scientifique, CNRS), Roberto Decarli (INAF -Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio), und Roberto Neri (Institut de RadioAstronomie Millimétrique, IRAM) durch.

Die Untersuchung wurde finanziert von der US National Science Foundation (NSF), der Alexander von Humboldt-Stiftung (AvH), der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), dem Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und dem Instituto Geográfico Nacional (IGN).

Originalveröffentlichung
Microwave Background Temperature at Redshift 6.34 from H2O Absorption
D. Riechers et al., 2022, Nature, 3. Februar 2022 (DOI: 10.1038/s41586-021-04294-5)
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04294-5

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• Hintergrundstrahlung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

2. Februar 2022 – Astronom*innen haben eine neuartige Messung durchgeführt, mit der sie die Temperatur der „kosmischen Hintergrundstrahlung“, die unseren Kosmos erfüllt, in einer Frühphase unseres Universums bestimmten konnten. Diese Strahlung ist ein Überbleibsel der heißen Urknallphase unseres Kosmos, und sie hat sich die letzten 13,8 Milliarden Jahre immer weiter abgekühlt. Mit der neuen Methode gelang die Messung der Temperatur jener Strahlung zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Evolution unseres Universums, nämlich bloße 880 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das erlaubt es, die herkömmlichen kosmologischen Modelle auf die Probe zu stellen.

Ein abkühlendes Universum
Vor rund 13,8 Milliarden Jahren, in der sogenannten Urknallphase, war unser Kosmos angefüllt mit einem heißen, dichten Plasma aus Strahlung und Elementarteilchen. Doch schon damals expandierte das Universum, und seine Dichte nahm mit der Zeit rasch ab. Nach den Gesetzen der Thermodynamik zieht das eine Abnahme der Temperatur nach sich: Das Plasma expandierte, verlor so an Dichte und kühlte sich ab. Mit dem Plasma kühlte auch die Wärmestrahlung ab – die Gesamtheit der Lichtteilchen (Photonen), die durch das Plasma liefen und mit den elektrisch geladenen Teilchen wechselwirkten, verlor immer mehr an Energie.

Nach einigen Hunderttausend Jahren war das Plasma soweit abgekühlt, dass stabile Atome entstehen konnten. Vorher war die Temperatur so hoch gewesen, dass beispielsweise ein Proton und ein Elektron, die sich zu einem Wasserstoffatom vereinigt hätten, fast augenblicklich durch ein energiereiches Photon wieder auseinandergerissen worden wären.

Blick in die (heiße und dichte) Vergangenheit
Mit dem Abkühlen von Plasma und Wärmestrahlung gab es mit der Zeit immer weniger energiereiche Photonen. Entsprechend konnten sich immer mehr Atome bilden, ohne gleich wieder von energiereichen Photonen ionisiert zu werden. Bis zur 380.000-Jahres-Marke hatten sich so gut wie alle Atomkerne (hauptsächlich Wasserstoff, aber auch Helium-4) mit Elektronen zu elektrisch neutralen Atomen verbunden. Ab dann gab es nur noch sehr wenig Wechselwirkung zwischen diesen Atomen und der verbleibenden Wärmestrahlung. Die Wärmestrahlung, die als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet wird, breitet sich seither praktisch unverändert im Weltraum aus.

An dieser Stelle wird wichtig, dass Astronom*innen immer in die Vergangenheit schauen. Das Licht astronomischer Objekte braucht immer eine gewisse Zeit, um uns zu erreichen. Wir sehen z. B. die Sonne nie so, wie sie jetzt ist. Unsere Beobachtungen zeigen die Sonne stattdessen immer so, wie sie vor 8 Minuten war, nämlich zu jenem Zeitpunkt, als das Licht, das jetzt unsere Teleskope erreicht, die Oberfläche der Sonne verließ. In ähnlicher Weise sehen wir die Andromeda-Galaxie immer so, wie sie vor rund 2,5 Millionen Jahren war, da das Licht 2,5 Millionen Jahre braucht, um von dieser Galaxie aus zu unseren Teleskopen hier auf der Erde zu gelangen.

Unser Fenster zur heißen Urknallphase
Daraus folgt nun aber, dass wir die kosmische Hintergrundstrahlung auch heute noch beobachten können! Schließlich ist der Weltraum vergleichsweise leer. Wenn wir es vermeiden, in die Staubwolken unserer eigenen Milchstraßengalaxie und in die Sterne ferner Galaxien zu blicken, können wir tiefer und tiefer in den Weltraum schauen ­– insbesondere so weit, bis wir Regionen sehen, deren Licht 13,8 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Jene Regionen sehen wir dann so, wie sie vor 13,8 Milliarden Jahren waren. Und zu jenem Zeitpunkt befand sich das Universum nun einmal in der heißen, dichten Urknallphase.

Durch das Plasma der Urknallphase können wir nicht hindurchsehen, da ein solches Plasma undurchsichtig ist. Die früheste Phase, die wir tatsächlich sehen können, ist jene, in welcher die kosmische Hintergrundstrahlung freigesetzt wurde. Anders formuliert: Es gibt Regionen im Universum, die gerade so weit von uns entfernt sind, dass ihre kosmische Hintergrundstrahlung uns genau jetzt, in diesem Moment, erreicht. Wir können heute das Licht vom Ende der heißen Urknallphase sehen und vermessen. Beobachtungen dieser Art liefern wertvolle Informationen über das frühe, heiße Universum.

Es gibt freilich einen wichtigen zusätzlichen Effekt. Das Universum expandiert, und die kosmische Expansion hat zur Folge, dass die Wärmestrahlung aus dem frühen Universum immer weiter abkühlt. Alle Eigenschaften einer solchen Wärmestrahlung hängen von einem einzigen Parameter ab: der Temperatur der Strahlung. In unseren kosmologischen Modellen ist die Auswirkung der kosmischen Expansion auf diese Temperatur sehr direkt: In der Zeit, in der sich die Abstände zwischen entfernten Galaxien aufgrund der kosmischen Expansion um den Faktor 2 vergrößert haben, sinkt auch die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung auf die Hälfte des ursprünglichen Werts.

Expandierendes Universum, abkühlende Strahlung
Vom Moment der Freisetzung der kosmischen Hintergrundstrahlung bis heute hat sich das Universum um einen Faktor von rund 1100 ausgedehnt. Die kosmische Hintergrundstrahlung, die ursprünglich eine Temperatur von etwa 3000 Kelvin hatte und deren Wärmestrahlung damit damals so ähnlich aussah wie das Licht einer Halogenlampe, kühlte um denselben Faktor ab. Heutzutage erreicht sie die Erde hauptsächlich in Form von niederenergetischer Mikrowellenstrahlung. Im Englischen wird die kosmische Hintergrundstrahlung deswegen auch als „Cosmic Microwave Background“ bezeichnet, zu deutsch „kosmischer Mikrowellenhintergrund“, abgekürzt CMB.

Der direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Temperatur der Hintergrundstrahlung bedeutet nun aber: Die Art und Weise, wie sich diese Temperatur ändert, sollte alle Informationen darüber enthalten, wie das Universum in jener Zeit expandiert ist. Könnten wir die Hintergrundstrahlungs-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte messen, dann könnten wir die Expansionsgeschichte unseres Kosmos im Detail rekonstruieren. Diese Expansionsgeschichte wiederum enthält wichtige Informationen über eine der großen Unbekannten der modernen Kosmologie: der so genannten Dunklen Energie, also demjenigen Inhaltsstoff unseres Universums, der dafür verantwortlich ist, dass die Expansionsrate unseres Kosmos gegenwärtig zunimmt, die kosmische Expansion sich beschleunigt.

Der kosmischen Expansion auf der Spur, Datenpunkt für Datenpunkt
Eine direkte Messung könnte zeigen, ob dieser direkte Zusammenhang zwischen der Ausdehnung unseres Universums und der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung tatsächlich besteht. Vergleicht man die Ergebnisse mit anderen Beobachtungsgrößen für die Expansion, insbesondere mit der sogenannten kosmologischen Rotverschiebung, ließen sich anhand der Ergebnisse dieses Vergleichs einige exotische Vorschläge für die Natur der Dunklen Energie falsifizieren. Dominik Riechers von der Universität Köln, Erstautor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Wenn es irgendwelche Abweichungen von den erwarteten Trends gibt, könnte das Rückschlüsse auf die Natur der schwer fassbaren Dunklen Energie erlauben.“

Eine Abweichung von dem direkten Zusammenhang zwischen Temperatur und Expansion wäre insbesondere in Modellen zu erwarten, in denen die Dunkle Energie „zerfällt“ und einen Teil ihres Energiegehalts auf die normale Materie und Strahlung im Universum überträgt. Das würde die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung verlangsamen. Einige Modelle für die andere große Unbekannte in der Kosmologie, die Dunkle Materie, sagen ähnliche Effekte voraus: Bestimmte exotische (und noch nicht nachgewiesene) Elementarteilchen, die als Bestandteile der Dunklen Materie vorgeschlagen werden, so genannte leichte Axionen, könnten mit der kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und deren Abkühlung im Laufe der Zeit beeinflussen.

Die Messung der CMB-Temperatur zu verschiedenen Zeiten der kosmischen Geschichte ist allerdings nicht einfach. Einige Datenpunkte gab es schon vor der hier beschriebenen Arbeit: Für die kosmische Geschichte der letzten 6 Milliarden Jahre (Rotverschiebungswerte z zwischen 0 und 1) bietet der sogenannte Sunyaev-Zel’dovich-Effekt eine Möglichkeit für derartige Messungen. Etwas weiter entfernt, zwischen 10 und 11,7 Milliarden Jahren vor der Jetztzeit (z zwischen 1,8 und 3,3), gibt es ebenfalls vereinzelte Datenpunkte, die darauf hinweisen, dass die CMB-Temperatur damals genau den richtigen Wert hatte, um bestimmte Energieniveaus in bestimmten Atom- oder Molekülarten anzuregen.

Ein Temperatur-Datenpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall
Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse gehen noch deutlich weiter in die Vergangenheit. Sie steuern einen CMB-Temperaturdatenpunkt aus einer Zeit fast 13 Milliarden Jahre vor der Gegenwart bei – nur eine knappe Milliarde Jahre nach der Urknallphase. Möglich wurde dies durch eine Wolke aus kaltem Wasserdampf in einer Starburst-Galaxie mit der Katalognummer HFLS3, die wir so sehen, wie sie 880 Millionen Jahre nach dem Urknall war. Wie die kosmische Hintergrundstrahlung selbst ist auch das Licht dieser Galaxie stark rotverschoben. Alle Beobachtungen für diese Arbeit wurden daher mit dem IRAM-NOEMA-Teleskop-Array in den französischen Alpen durchgeführt, einem Radioobservatorium, das bei Millimeter-Wellenlängen beobachtet.

Starburst-Galaxien heißen so, weil sie den Beobachtungen nach innerhalb astronomisch sehr kurzer Zeit eine Vielzahl neuer Sterne bilden beziehungsweise gebildet haben. Die hier beobachtete Starburst-Galaxie enthält außerdem eine große Wolke aus Wasserdampf (H₂O). Die kosmische Hintergrundstrahlung wirkt in so einem Falle wie eine Lichtquelle, die sich aus Sicht des Beobachters hinter der Wolke befindet. Astronomen kennen ähnliche Situationen bei der Beobachtung von Sternen: Über den heißeren tieferen Regionen der sogenannten Photosphäre, die so gut wie alles Licht erzeugen, das wir von einem Stern empfangen, befinden sich Schichten mit etwas kühlerem Gas. Das Ergebnis sind so genannte Absorptionslinien: bestimmte Wellenlängen, bei denen das Sternenlicht von den kühleren Schichten absorbiert wird. Beobachten Astronomen das regenbogenartige Spektrum eines Sterns, dann erscheinen diese Absorptionslinien tatsächlich wie dunklere, linienförmige Schatten auf dem Regenbogen.

Ein verräterischer Schatten auf der kosmischen Hintergrundstrahlung
Vereinfacht ausgedrückt passiert genau so etwas auch bei den jetzt veröffentlichten Beobachtungen. Die Wasserdampfwolke ist kühler als die kosmische Hintergrundstrahlung. Deswegen schattet sie die kosmische Hintergrundstrahlung ab, ein Effekt, der noch nie zuvor beobachtet werden konnte. Das Ergebnis ist eine Absorptionslinie in der regenbogenartigen Spektralzerlegung der kosmischen Hintergrundstrahlung, wobei die Stärke der Absorption den Temperaturunterschied zur Wolke anzeigt – woraus sich wiederum auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung zu jenem Zeitpunkt schließen lässt, als die Strahlung 880 Millionen Jahre nach dem Urknall durch jene Wolke lief.

Die Details der Situation sind komplizierter. Was wir hier verkürzt die Temperatur der Wolke genannt haben, ist nicht die Temperatur der Wolke als Ganzes, sondern eine Temperatur, die dem Anteil der Wassermoleküle entspricht, die sich in einem leicht angeregten (Rotations-)Zustand relativ zum energieärmsten Grundzustand befinden. Es gibt eine physikalische Formel, die den Anteil der Wassermoleküle im angeregten Zustand mit einer Temperatur verknüpft; umgekehrt kann man durch Messung der Anzahl der angeregten Wassermoleküle diese spezifische Temperatur bestimmen.

Dass diese spezifische Temperatur niedriger ist als die der kosmischen Hintergrundstrahlung kommt außerdem nur dank des infraroten Lichts zustande, das von den vielen neugeborenen Sternen der Starburst-Galaxie ausgestrahlt und durch die Staubwolken der Galaxie gestreut wird. Dieses Infrarotlicht verschiebt effektiv das Gleichgewicht, wie viele Moleküle sich in einem bestimmten Zustand befinden – und für das von den Astronomen für diese Studie untersuchte Zustandspaar ist dies gleichbedeutend mit einer niedrigeren Temperatur, was wiederum zum Auftreten der gemessenen Hintergrundsstrahlung-Absorptionslinie führt.

Die kosmische Evolution nachverfolgen
In der vereinfachten Version gilt aber ebenso wie in der realistischer-komplizierten: Das Endergebnis hängt von der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung ab. Aus ihren Beobachtungen leiten die Astronomen ab, dass die Hintergrundstrahlung zu dieser Zeit eine Temperatur zwischen 16,4 und 30,2 Kelvin gehabt haben muss. Dies stimmt mit der Temperatur von 20 Kelvin überein, die von den aktuellen kosmologischen Modellen für den betreffenden Zeitpunkt 880 Millionen Jahre nach dem Urknall vorhergesagt wird – angesichts des direkten Zusammenhangs zwischen der Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung und der kosmischen Expansionsgeschichte ein wichtiges Indiz, dass unsere heutigen kosmologischen Modelle in sich konsistent sind.

Diejenigen exotischeren Modelle, die eine deutliche Abweichung der Temperaturentwicklung von der kosmischen Expansion vorhersagen, lassen sich damit ausschließen. Allgemeiner liefern die Beobachtungen einen Datenpunkt zur kosmischen Expansion aus einer Phase der kosmischen Geschichte, aus der es insgesamt nur sehr wenige Datenpunkte gibt. Fabian Walter, Astronom am Max-Planck-Institut für Astronomie und Ko-Autor des jetzt veröffentlichten Artikels, sagt: „Diese neue Technik liefert wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung des Universums und zeigt uns, dass das Universum in seinen Anfängen einige ungewöhnliche Eigenschaften hatte, die sich von den heutigen unterscheiden.“ Der hier nachgewiesene Effekt kann eben nur im sehr frühen Universum auftreten, bevor sich die kosmische Hintergrundstrahlung allzu weit abgekühlt hat.

HFLS3 als Prototyp für weitere frühe Temperaturmessungen
Jetzt, da ihre Daten aus dem frühen Universum vollständig analysiert sind, planen die Forscher für die Zukunft. Es sind weitere Starburst-Galaxien wie HFLS3 im frühen Universum bekannt, und mehrere davon enthalten Wolken aus Wasserdampf. Die Forscher*innen suchen deswegen mit NOEMA systematisch nach weiteren Beispielen für den Schatteneffekt. Werden sie fündig, dann können sie die Abkühlung der kosmischen Hintergrundstrahlung, das Echo des Urknalls, über die ersten 1,5 Milliarden Jahren der kosmischen Geschichte hinweg noch genauer kartieren.

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebene Forschung wurde veröffentlicht als D. Riechers et al., „Microwave Background Temperature at Redshift 6.34 from H2O Absorption“ in der Zeitschrift Nature.

Der beteiligte MPIA-Wissenschaftler ist Fabian Walter, in Zusammenarbeit mit Dominik Riechers (Universität Köln), Axel Weiss (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), Christopher L. Carilli (NRAO), Pierre Cox (Sorbonne Université und CNRS), Roberto Decarli (INAF Bologna) und Roberto Neri (IRAM).

NOEMA ist das leistungsstärkste Millimeter-Teleskop auf der Nordhalbkugel. Das Observatorium befindet sich in einer Höhe von über 2500 Metern über dem Meeresspiegel auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen. Das Teleskop wird vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben und von der Max-Planck-Gesellschaft, dem französischen Centre National de Recherche Scientifique und dem spanischen Instituto Geografico Nacional finanziert.

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