Quelle: Institute of Science and Technology Austria (ISTA) 27. August 2024.

27. August 2024 – Ein Stern mit zwei Gesichtern. Ein Stern, der die Masse der Sonne mit der Kompaktheit des Mondes vereint. Sternüberreste, die ganze Planeten verschlingen und deren Umlaufbahnen beeinflussen. Ilaria Caiazzo ist für atemberaubende Entdeckungen bekannt. Nun verstärkt sie das Team der Astrophysiker:innen am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) als neue Assistenzprofessorin. Ihr Weg führte sie von der Philosophie zum Studium der Entwicklung und des Todes von Sternen. Gleichzeitig widmete sie sich ihren vielfältigen Interessen – inklusive der Filmproduktion.

Ilaria Caiazzo hatte schon immer viele Interessen. Ihr Weg zur Astrophysik begann in der Philosophie und Metaphysik mit Fragen wie ‚Was ist Zeit?‘, ‚Woher kommen wir?‘, und ‚Was ist der Ursprung des Universums?‘. „Die Astronomie ist eine seltsame Art von Wissenschaft, die sich stark auf Beobachtungen stützt. Wir können keine Experimente durchführen; stattdessen beobachten wir und versuchen, das Gesehene zu verstehen“, erklärt sie. „Es fühlt sich an wie Detektivarbeit: Man sammelt wertvolle Beweise, ohne dabei den Tatort durcheinanderzubringen.“

Neutronensterne und Weiße Zwerge
Zurzeit interessiert sich Caiazzo besonders für Neutronensterne. Diese haben eine ähnliche Masse wie die Sonne, sind aber so klein wie eine Stadt. „Ihre Dichte ist dementsprechend so hoch, dass ein Löffel eines Neutronensterns mehr wiegen würde als der Mount Everest“, so Caiazzo. Um solche Sterne zu verstehen, benötigt man die gesamte Physik, von der allgemeinen Relativitätstheorie bis zur Quantenmechanik. Die extreme Natur der Neutronensterne ermöglicht es den Wissenschafter:innen, die Gesetze der Physik in Bereichen zu testen, die in Laboren auf der Erde nicht realisierbar sind.

Außerdem erforscht Caiazzo Weiße Zwerge – häufig vorkommende Sternüberreste, die es Forschenden ermöglichen, die Entwicklung fast aller Sterne und Planetensysteme im Universum, einschließlich des Sonnensystems, zu verstehen. Weiße Zwerge haben eine Masse, die der Sonne ähnelt, sind jedoch so kompakt wie die Erde. Bevor unsere Sonne zu einem Weißen Zwerg wird und stirbt, wird sie sich zuerst ausdehnen und Merkur, Venus und vielleicht sogar die Erde verschlingen, während sie die Umlaufbahnen von vielen Planeten zerstört. Die äußerste Schicht von Weißen Zwergen besteht aus dem leichtesten Element, in der Regel Wasserstoff. Es wurde vorhergesagt, dass einige wasserstoffdominierte Weiße Zwerge in einem bestimmten Stadium ihrer Entwicklung in heliumreiche Weiße Zwerge übergehen. Da diese Schichten gasförmig sind, würde man erwarten, dass ein solcher Übergang auf der gesamten Oberfläche des Sterns gleichmäßig verläuft. Im Jahr 2023 machte Caiazzo jedoch die bedeutende Entdeckung eines ‚zweiseitigen‘ Weißen Zwergs mit dem Spitznamen ‚Janus‘. „Janus weist eine scharfe Grenze zwischen seiner wasserstoffreichen und seiner heliumreichen Seite auf, was noch nie zuvor beobachtet wurde. Um diese gasförmigen Elemente getrennt zu halten, muss Janus an seiner Oberfläche ein Magnetfeld haben, das diese Asymmetrie erzeugt“, erklärt Caiazzo.

Filmproduzentin und Ritterin des Verdienstordens
Neben der Forschung schreibt Caiazzo leidenschaftlich Drehbücher und produziert diese. Ihre Zeit muss sie sich dafür sehr gut einteilen, um alle ihre Interessen unter einen Hut zu bringen. Kurz bevor sie ans Institute of Science and Technology Austria (ISTA) kam, wurde Sie zur Ritterin des Verdienstordens der Italienischen Republik geschlagen. „Für meine Forschung ausgezeichnet zu werden, wirkte fast wie ein Traum. Das Medieninteresse in Italien und auf der ganzen Welt begann mit meiner ersten Publikation in Nature, in der ich den kleinsten beobachteten mondgroßen Weißen Zwerg beschrieb. Als dann die Entdeckung des Sterns mit den zwei Gesichtern hinzukam, wurde die Aufmerksamkeit noch größer.“

ISTA zu einem Anziehungspunkt für Astronomie machen
Schon bei ihrem ersten Besuch am ISTA während des Bewerbungsprozesses hatte Caiazzo das Gefühl, dass dies ein Ort ist, an dem man spannende Dinge (er)schaffen und den aufstrebenden Bereich der Astronomie mitgestalten kann. „Meine Kolleg:innen und ich arbeiten daran, das ISTA zu einem Zentrum für Astronomie in Europa zu entwickeln, ein Zentrum mit hoher Anziehungskraft”, fügt sie abschließend hinzu.

Erfahren Sie mehr über Caiazzo und ihre Forschung in ihrem Interview auf der ISTA-Website:
https://ista.ac.at/de/news/vom-leben-und-nachleben-der-sterne/

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

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Quelle: ISTA 10. Juli 2024.

10. Juli 2024 – Wie jeden Tag herrscht am Campus des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) rege Betriebsamkeit. Zwischen Experimenten und Simulationen treffen sich die Forscher:innen und diskutieren. Die tickende Uhr erinnert stets daran, dass die nächste Entdeckung vielleicht schon um die Ecke lauert. Doch dies ist kein gewöhnlicher Tag. Kurz zuvor hatte die NASA bekannt gegeben, dass ein neues Weltraumteleskop namens UVEX (UltraViolet EXplorer) für den Start im Jahr 2030 ausgewählt wurde. UVEX, eine große internationale Zusammenarbeit unter der Leitung von Caltech-Forscher:innen, wird das ultraviolette (UV) Licht im gesamten Himmel vermessen. Assistenzprofessorin Ylva Götberg, eine der ersten Astrophysiker:innen am ISTA, war von Anfang an beteiligt an der Entwicklung des wissenschaftlichen Konzepts für das neue Teleskop. Sie kann ihre Begeisterung kaum verbergen: „Unser Projekt stand ein Jahr lang mit einem anderen Weltraumteleskop-Projekt im Wettbewerb, während die NASA beide Projekte evaluierte. Wir freuen uns sehr, dass UVEX ausgewählt wurde.“ UVEX wird eine seit langem bestehende wissenschaftliche Lücke in der Ultraviolett-Astronomie schließen.

Heiße Sterne, Galaxien und vergangene UV-Missionen
„Der ultraviolette Wellenlängenbereich ist der Spektralbereich für die Stellarastronomie“, sagt Götberg, eine Spezialistin für Doppelsterne. Kurz vor ihrer Geburt oder ihrem Tod erreichen Sterne extreme Temperaturen – etwa das 20-fache der Sonne – und erlangen mit ihren energiereichen UV-Strahlungsemissionen neue Spitzenwerte. Daher sind UV-Messungen von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung der Temperatur, der Zusammensetzung und der Entwicklung der heißen Sterne. „Seit etwa 20 Jahren fehlen uns jedoch umfangreiche UV-Daten“, so Götberg. „Es ist, als ob wir auf einem Auge blind sind, wenn wir durch das Weltall blicken.“ Die Gründe für diese wissenschaftliche ‚Einäugigkeit‘ sind komplex.

Zum Glück für das Leben auf der Erde filtert unsere Atmosphäre das meiste UV-Licht aus dem All heraus. Dies bedeutet aber auch, dass UV-Messungen in der Astronomie vom Weltraum aus durchgeführt werden müssen. Zu den jüngsten bedeutenden Weltraumteleskopen, die UV-Wellenlängen gemessen haben, gehören das Hubble-Weltraumteleskop, eines der Flaggschiff-Teleskope der NASA und der ESA, das seit 1990 in Betrieb ist, und der Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE). FUSE war zwischen 1999 und 2007 in Betrieb und ergänzte die Messungen von Hubble im Bereich des nahen UV durch seine eigenen Daten im fernen UV. Ein weiteres wichtiges UV-Teleskop war der International Ultraviolet Explorer (IUE), der zwischen 1978 und 1996 in Betrieb war. Das inzwischen 34 Jahre alte Hubble hatte jedoch zunehmend technische Schwierigkeiten, seine Ziele anzuvisieren. Daher kündigte die NASA im Juni dieses Jahres an, den Betriebsmodus von Hubble zu ändern, um sicherzustellen, dass es bis in die 2030er Jahre hinein den Himmel untersuchen kann. Andererseits wurden die neuen Großteleskope – wie das James-Webb-Weltraumteleskop, das Euclid der ESA und das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop der NASA, dessen Start für 2027 geplant ist – dem Infrarotbereich statt der Ultraviolett-Astronomie gewidmet. Daher erkannte die NASA, dass die Zeit reif ist für eine neue, umfassende UV-Mission wie UVEX, und beschloss, diese wissenschaftliche ‚Einäugigkeit‘ zu beheben.

Eine UV-Karte des gesamten Himmels als Gemeinschaftsressource
Seit dem Start von Hubble vor mehr als 30 Jahren hat es im Bereich der Optik große technologische Fortschritte gegeben. Außerdem kann Hubble aufgrund seiner begrenzten Fähigkeiten im fernen UV-Bereich und seiner langen Belichtungszeiten schwache UV-Quellen nicht erkennen. „UVEX wird sowohl im nahen als auch im fernen UV-Bereich messen und viel mehr Licht durchlassen als Hubble. So können wir mit UVEX, in der gleichen Belichtungszeit, Objekte, die viel schwächere UV-Signale ausgeben, beobachten“, sagt Götberg. In der Astrophysik gilt: Je schwächer die von einem Teleskop erfassten Objekte sind, desto umfassender ist der Datensatz (Englisch, deep dataset). Zu Beginn seiner Mission wird UVEX den gesamten Nachthimmel anhand der schwächsten UV-emittierenden Objekte kartieren. Auf diese Weise wird ein umfassender, homogener, Datensatz (deep dataset) im UV-Bereich erstellt. Nach seiner Fertigstellung wird dieser Datensatz als Gemeinschaftsressource dienen, die den Astronom:innen für künftige Forschungen zur Verfügung steht. „Das ‚deep mapping‘ [Tiefenkartierung] im UV-Bereich ist besonders für heiße Sterne wichtig, da sie nicht immer die hellsten sind“, fügt Götberg hinzu. Am wichtigsten für die Arbeit ihrer Gruppe am ISTA ist, dass UVEX in der Lage sein wird, den gesamten Massenbereich von Heliumsternen zu kartieren. Heliumsterne sind heiße und kompakte Sterne, die von einem Begleitstern ihrer Wasserstoffhülle beraubt wurden.

Entschlüsseln der Geheimnisse von Sternexplosionen
UVEX kann nicht nur die schwächsten heißen Sterne kartieren, sondern auch Sternwinde näher beobachten, und die Entwicklung massereicher Sterne und Sternexplosionen untersuchen. Dies ist besonders interessant, da Sterne in ihren Kernen Fabriken von chemischen Elementen sind. Während die Sternwinde zu einem Massenverlust führen und die Entwicklung des Sterns beeinflussen, wird das endgültige Schicksal des Sterns durch seinen Tod in einer großen Explosion besiegelt. Wenn ein Stern explodiert, verliert er viel Masse, während er die Umgebung mit neuen Elementen ‚anreichert‘. Diese Elemente – wie z. B. Sauerstoff – sind letztlich für das Leben, wie wir es kennen, unerlässlich. Astrophysiker:innen sind sich zum Beispiel einig, dass unsere Sonne ein Stern der dritten Generation ist, der Material enthält, das aus früheren Sternexplosionen stammt. Mit UVEX werden Götberg und andere Astrophysiker:innen neue Erkenntnisse über den Massenverlust in großem Maßstab gewinnen, indem sie die Eigenschaften von Sternexplosionen im gesamten Universum untersuchen. „Ich freue mich besonders auf dieses Teleskop, weil es uns ermöglichen wird, neue Beobachtungstechniken zu entwickeln und neue Strategien zu entwerfen, um theoretische Vorhersagen zu überprüfen“, sagt Götberg.

Erforschung der Entwicklung massereicher Sterne am ISTA
Götberg untersucht die Entwicklung von Doppelsternen in zwei gut untersuchten Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße. Generell betrachten Astrophysiker:innen Doppelsterne in zwei Phasen ihrer Entwicklung: vor und nach dem Massentransfer. Während die Eigenschaften der Sterne vor der Wechselwirkung mit den derzeit verfügbaren Technologien leicht vorhersagbar sind, wird UVEX es Götberg ermöglichen, präzise Beobachtungen vor und nach dem Massentransfer zu vergleichen. „UVEX öffnet ein Fenster für den Blick auf die Entwicklung massereicher Sterne, das rund 20 Jahre lang verschlossen war“, sagt sie. Der würdige Nachfolger von IUE und FUSE wird im Jahr 2030 den Weltraum erobern und ISTA sowie den Fingerabdruck seiner Astronom:innen für viele Jahre in die Umlaufbahn bringen. „Es sind aufregende Zeiten für das junge Feld der Astronomie am ISTA“, schließt Götberg.

Originalpublikation:
Kulkarni S.R. et al., Science with the Ultraviolet Explorer (UVEX). arXiv:2111.15608v3 [astro-ph.GA] DOI: doi.org/10.48550/arXiv.2111.15608
https://arxiv.org/abs/2111.15608
pdf: https://arxiv.org/pdf/2111.15608

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• UVEX (UltraViolet EXplorer)

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Quelle: ISTA 7. März 2024.

7. März 2024 – Ein Haufen kleiner roter Punkte in einer winzigen Region unseres Nachthimmels könnte eine unerwartete Entdeckung gleich im ersten Betriebsjahr des James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) darstellen: Bisher waren diese Objekte durch die ‚Augen‘ des älteren Hubble-Weltraumteleskops nicht von normalen Galaxien zu unterscheiden. „Ohne für diesen speziellen Zweck entwickelt worden zu sein, hat uns das JWST dabei geholfen, festzustellen, dass es sich bei den lichtschwachen kleinen roten Punkten um kleine Versionen von extrem massereichen Schwarzer Löcher handelt, die sehr weit weg – in der fernen Vergangenheit des Universums – zu finden sind. Diese speziellen Himmelskörper könnten unser Verständnis der Entstehung Schwarzer Löchern verändern“, sagt Jorryt Matthee, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Hauptautor der Studie. „Die vorliegenden Ergebnisse könnten uns einen Schritt näher an die Lösung eines der größten Dilemmas der Astronomie bringen: Nach den derzeitigen Modellen sind einige supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum einfach ‚zu schnell‘ gewachsen. Wie sind sie also entstanden?“

Die kosmischen bodenlosen Gruben
Wissenschaftler:innen hielten Schwarze Löcher lange Zeit für eine mathematische Kuriosität, bis ihre Existenz immer offensichtlicher wurde. Diese seltsamen kosmischen bodenlosen Gruben könnten eine derart kompakte Masse und starke Anziehungskraft haben, dass sich ihnen nichts entziehen kann: Sie saugen alles in sich hinein, auch kosmischen Staub, Planeten und Sterne, und verformen den Raum und die Zeit um sie herum so, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Die allgemeine Relativitätstheorie, die von Albert Einstein vor über einem Jahrhundert veröffentlicht wurde, sagte voraus, dass Schwarze Löcher jede beliebige Masse haben können. Einige der faszinierendsten Schwarzen Löcher sind die supermassereichen Schwarzen Löcher, im Englischen supermassive black holes, kurz SMBH, genannt. Diese können die millionen- bis milliardenfache Masse unserer Sonne erreichen. Mittlerweile sind sich Astrophysiker:innen einig, dass sich im Zentrum fast jeder großen Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Sogar im Zentrum der Milchstraße existiert Sagittarius A*, ein SMBH, das mehr als das Viermillionenfache der Sonnenmasse hat. Für diesen Nachweis wurde der Nobelpreis für Physik 2020 verliehen.

Zu massiv, um existieren zu können
Doch nicht alle supermassereichen Schwarzen Löcher sind gleich. Während Sagittarius A* mit einem schlafenden Vulkan verglichen werden könnte, wachsen manche andere extrem schnell, indem sie astronomische Mengen an Materie verschlingen. Dadurch strahlen sie so viel Licht aus, dass sie bis an den Rand des sich immer weiter ausdehnenden Universums beobachtet werden können. Diese supermassereichen Schwarze Löcher werden als Quasare bezeichnet und gehören zu den hellsten Objekten im Universum. „Ein Problem bei Quasaren ist, dass einige von ihnen viel zu massiv zu sein scheinen, vor Allem angesichts des Alters des Universums, in dem diese Quasare beobachtet werden. Wir nennen sie die ‚problematischen Quasare‘“, sagt Matthee. „Wenn man bedenkt, dass Quasare aus den Explosionen massereicher Sterne entstehen und dass wir ihre maximale Wachstumsrate aus den allgemeinen Gesetzen der Physik kennen, sehen einige von ihnen so aus, als wären sie schneller gewachsen, als es möglich ist. Es ist wie ein fünfjähriges, aber zwei Meter großes Kind zu sehen. Irgendetwas passt also nicht zusammen“, erklärt er. Könnten supermassereiche Schwarze Löcher vielleicht noch schneller wachsen, als wir ursprünglich dachten? Oder entstehen sie einfach anders?

Kleine Versionen von riesigen Ungetümen
Jetzt haben Matthee und seine Kolleg:innen mehrere Himmelskörper identifiziert, die auf den JWST-Bildern als kleine rote Punkte erscheinen. Außerdem zeigen sie, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermassereiche Schwarze Löcher handelt, die jedoch nicht unverhältnismäßig groß sind. Entscheidend für die Feststellung, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermassereiche Schwarze Löcher handelt, war der Nachweis von Hα-Spektrallinien mit breiten Linienprofilen. Hα-Linien sind Spektrallinien im tiefroten Bereich des sichtbaren Lichts, die bei der Erhitzung von Wasserstoffatomen emittiert werden. Die Breite der Spektren spiegelt die Bewegung des Gases wider. „Je breiter die Basis der Hα-Linien ist, desto höher ist die Geschwindigkeit des Gases. Diese Spektren verraten uns also, dass wir es mit einer sehr kleinen Gaswolke zu tun haben, die sich extrem schnell bewegt und um etwas sehr Massereiches wie ein supermassereiches Schwarzes Loch kreist“, sagt Matthee. Bei den kleinen roten Punkten handelt es sich jedoch nicht um die riesigen kosmischen Monster, die man in übermäßig großen Quasaren findet. „Während die ‚problematischen Quasare‘ blau und extrem hell sind und die milliardenfache Masse der Sonne erreichen, sind die kleinen roten Punkte eher wie ‚Baby-Quasare‘. Ihre Massen liegen zwischen zehn und hundert Millionen Sonnenmassen. Außerdem erscheinen sie rot, weil sie staubig sind. Der Staub verschleiert die Schwarzen Löcher und lässt ihr Licht rot aussehen“, sagt Matthee. Aber irgendwann wird der Gasausfluss der Schwarzen Löcher den Staubkokon durchdringen, und aus diesen kleinen roten Punkten werden sich Riesen entwickeln. Der ISTA-Astrophysiker und sein Team vermuten daher, dass es sich bei den kleinen roten Punkten um kleine, rote Versionen von riesigen blauen supermassereichen Schwarzen Löchern handelt, die sich in einer frühen Entwicklungsphase befinden. „Die genauere Untersuchung dieser Baby-Quasare wird uns ermöglichen, besser zu verstehen, wie problematische Quasare zustande kommen.“

Eine bahnbrechende Technologie
Matthee und sein Team konnten die Baby-Quasare dank der Datensätze der JWST-Programme EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) und FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations) finden. Dies sind ein großes und ein mittleres JWST-Programm, an denen Matthee beteiligt war. Im vergangenen Dezember führte die Zeitschrift Physics World EIGER als einen Top 10 Durchbruch des Jahres 2023 auf. „EIGER wurde entwickelt, um speziell die seltenen blauen supermassereichen Quasare und ihre Umgebungen zu untersuchen. Das Ziel war nicht die kleinen roten Punkte zu finden, aber wir haben sie zufällig im selben Datensatz gefunden. Das liegt daran, dass EIGER mit der Nahinfrarotkamera des JWST Emissionsspektren von allen Himmelskörpern aufnimmt“, sagt Matthee. „Wenn Sie Ihren Zeigefinger heben und Ihren Arm vollständig ausstrecken, entspricht der von uns untersuchte Bereich des Nachthimmels etwa einem Zwanzigstel der Oberfläche Ihres Nagels. Bislang haben wir also wahrscheinlich nur an der Oberfläche gekratzt.“

Matthee ist zuversichtlich, dass diese Ergebnisse viele neue Forschungsrichtungen eröffnen und zur Beantwortung einiger der großen Fragen über das Universum beitragen werden. „Schwarze Löcher aller Art gehören wohl zu den interessantesten Himmelskörpern überhaupt. Es ist schwer zu erklären, warum sie existieren, aber sie sind eben da. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns helfen wird, eines der größten Rätsel des Universums zu lösen“, schließt er.

Originalpublikation:
Jorryt Matthee et al. 2024. Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei (AGN) at z ~ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys. The Astrophysical Journal. DOI: doi.org/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345/pdf

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: ISTA 14. Dezember 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Quelle: Institute of Science and Technology Austria (ISTA) 23. Februar 2023.

23. Februar 2023 – Die Erste auf ihrem Gebiet: Die Astrophysikerin Lisa Bugnet wird Teil des Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Mit ihr erschließt das Institut ein neues Feld und ermöglicht zahlreiche interdisziplinäre Kooperationen. Ähnlich wie wir die Seismologie nutzen, um die Struktur der Erde zu erforschen, untersucht Bugnet mithilfe der Asteroseismologie die Magnetfelder von Sternen. So will die Forscherin mehr über Alter und Entwicklung von Sternen erfahren und schließlich unser Wissen über das ganze Universum erweitern.

Als Lisa Bugnet ein Kind war, ließ ihr Vater, ein Amateur-Astrofotograf, sie durch sein Teleskop schauen. Die schönen Bilder faszinierten sie, aber das war ihr nicht genug. „Ich wollte unbedingt wissen, was alles hinter den Bildern steckt“, erinnert sich Bugnet. Die Faszination aus Kindheitstagen wurde zu ihrem Leitstern. Nach ihrer Doktorarbeit am französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA) in Paris und zwei Postdoc-Jahren am renommierten Flatiron Institute in New York City, USA, hat ihre Neugier sie nun als Assistenzprofessorin an das Institute of Science and Technology Austria (ISTA) geführt – eine einzigartige Chance für junge Forscher*innen: „Meist tritt eine Astrophysiker*in in eine etablierte Physik- oder Astrophysikabteilung ein. Am ISTA habe ich die Ressourcen, um meine eigene Gruppe zu bilden, und die Freiheit, mich auf genau das zu konzentrieren, was mich interessiert“, erklärt Lisa Bugnet. Zudem ermöglicht der interdisziplinäre Charakter des Instituts die Zusammenarbeit mit Bereichen, die für die Astrophysik untypisch sind, wie z. B. den Geowissenschaften und maschinellem Lernen.

Mithilfe von Sternenbeben und Roten Riesen
Das Alter eines Sterns ist nicht nur wichtig, um seine Entwicklung nachvollziehen zu können, es liefert auch wesentliche Informationen über die Entwicklung der mit ihm verbundenen Galaxien sowie kleiner und großer astronomischer Strukturen. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass die Rotation von Sternen langsamer ist als von den derzeitigen Modellen vorhergesagt. Das wirkt sich wiederum auf die Schätzung ihres Alters aus. Stellare Magnetfelder könnten der Schlüssel zur Erklärung dieses Phänomens sein, ist Bugnet überzeugt.

Die Erde hat bekanntlich ihr eigenes Magnetfeld – die atemberaubenden Polarlichter beispielsweise, sind nur eine der sichtbaren Auswirkungen. Auch viele der Sterne, die wir über uns sehen – einschließlich unserer Sonne – haben ebenfalls Magnetfelder. Doch noch verstehen wir sie zu wenig, um sie in Modelle der Sternentwicklung einzubeziehen. Hier kommen Lisa Bugnet und die Asteroseismologie ins Spiel. So wie die Seismologie Wellen nutzt, um die Zusammensetzung und Prozesse der verschiedenen Erdschichten zu verstehen, nutzt die Asteroseismologie die Schwingungen von „Sternenbeben“, um die Eigenschaften von Sternen aufzudecken. So konnten Wissenschafter*innen bereits die Struktur und Temperatur im Innern von Sternen beschreiben. Nun wird Bugnet mithilfe der Asteroseismologie stellare Magnetfelder untersuchen. Zurzeit konzentriert sie sich auf Rote Riesen, massearme Sterne in den späten Stadien ihrer Entwicklung. Aufgrund der zusammengezogenen Kerne dieser Sterne entstehen mehrere Arten von Wellen, die es Bugnet ermöglichen, die Magnetfelder in den inneren und äußeren Schichten des Sterns zu untersuchen.

Daten aus dem All
Die Daten, mit denen Lisa Bugnet von Klosterneuburg aus die Sterne untersucht, stammen von Weltraummissionen zur Entdeckung von Exoplaneten. Die wichtigste dieser Missionen ist die Kepler-Mission der NASA. In Zukunft wird das Projekt PLATO der Europäischen Weltraumorganisation wertvolle Daten sammeln, eine Mission, die in Kürze startet und deren Prozess zur Datenaufbereitung Bugnet mitentwickelt hat. Zusätzlich zu diesen internationalen Datenbanken arbeitet Bugnet mit Modellierungen und maschinellem Lernen, um die Gestirne zu erkunden. „Alles, was ich wirklich brauche, um in die Sterne und die Geschichte des Universums einzutauchen, ist mein Computer“, so die junge Forscherin.

Auf zu neuen Horizonten
ISTA-Präsident Martin Hetzer heißt die neue Assistenzprofessorin herzlich willkommen: „Mit der Ernennung von Lisa Bugnet begrüßen wir nicht nur unsere erste Astrophysikerin, sondern auch eine außergewöhnliche Wissenschafterin, deren Arbeit unser Verständnis der Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, tiefgreifend beeinflussen wird.“ Ein zweiter Astrophysiker, Jorryt Matthee, wird im September 2023 als Assistenzprofessor Teil des ISTA. In seiner Forschung konzentriert er sich auf die Astrophysik von Galaxien, großräumigen Strukturen, die Bugnets sternbasierte Forschung ergänzen werden. Das Institut wirbt aktiv um weitere Astrophysiker*innen. Bereits auf dem Campus und ebenfalls mit einem Auge auf den Himmel ist Assistenzprofessorin Bingqing Cheng, deren Computational Materials Science Gruppe einen datengesteuerten Ansatz für die Chemie außerirdischer – und anderer – Umgebungen verwendet.

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Quelle: Universität Bonn.

11. Februar 2022 – Veränderungen auf der Erde können heute nahezu in Echtzeit beobachtet werden, denn viele Satelliten im Weltall sind mit Kameras und Sensoren genau dafür ausgestattet. Sei es der Rückgang von Gletschern, ein Ölteppich auf dem Meer, ein aufziehender Wirbelsturm, oder wie erst kürzlich vor der Küste Tongas, der Ausbruch eines (Unterwasser-) Vulkans – die Erde wandelt ihre Gestalt und Satelliten schauen dabei zu.

Seit September 2021 gibt es an der Universität der Bundeswehr München eine neue Professur am Institut für Raumfahrttechnik und Weltraumnutzung (ISTA), die Professur für Erdbeobachtung. Prof. Michael Schmitt beschäftigt sich hier mit der Auswertung von Erdbeobachtungsdaten zur Gewinnung von Geoinformationen.

Die Erdbeobachtung liefert Informationen darüber, welche Art der Landbedeckung wo vorliegt, sie dient der geometrischen und topografischen Erkundung der Erde. Seine Forschungsschwerpunkte sind unter anderem die satelliten- und flugzeuggestützte Erdbeobachtung, die Bildverarbeitung, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen zur Informationsextraktion sowie die Fusion unterschiedlicher Erdbeobachtungsdaten. Diese Schwerpunkte werden in einem aktuellen Forschungsprojekt verbunden und angewandt. Das durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderte Projekt „Kartierung und Interpretation von Wildnis aus dem Weltraum / MapInWild“ startete Ende 2021 und soll bis 2024 eine Karte über die Natürlichkeit der Erde bereitstellen.

Wie natürlich ist die Erde (noch?): MapInWild
Das Ziel des Projektes MapInWild ist es, eine Natürlichkeitskarte der Erdoberfläche zu erstellen. Anhand eines Index wird die Erde bewertet und in Kategorien von sehr natürlich bis kaum natürlich unterteilt. Als ersten Schritt auf dem Weg zu dieser Karte fusionieren Prof. Schmitt und sein Team verschiedene Daten, die es bereits gibt, zum Beispiel aus Satellitendaten, dem freien Kartendienst „OpenStreetMap“ oder der Landbedeckungskarte der ESA. Die Definition von Natürlichkeit mag teilweise unterschiedlich gesehen werden, doch im Falle des Forschungsprojektes bedeutet Natürlichkeit die Abwesenheit von menschlichen Einflüssen. Im Natürlichkeitsindex wird klassifiziert nach Art der Landbedeckung (zum Beispiel Wald oder Stadt), Nähe zur nächstgelegenen Straße, beziehungsweise Zeit bis man diese erreichen würde, Licht aus künstlichen Lichtquellen und Bevölkerungsdichte. Diese Daten werden zunächst aus bereits vorhandenen Karten und Beobachtungen zusammengetragen.

Bisher wurde der Natürlichkeitsindex exemplarisch für drei europäische Regionen erstellt: Bayern als Beispiel für eine dicht besiedelte Region mit nur wenigen ausgewiesenen Schutzgebieten, Schottland als Region mit mittlerer Bevölkerungsdichte und einer größeren Anzahl an abgelegenen Gebieten und die finnische Region Lappland als Beispiel für eine dünn besiedelte Region mit vielen Schutzgebieten.

Im Projekt soll nun eine neue Methode mithilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) entwickelt werden, die aus Satellitendaten direkt den Natürlichkeitsindex erstellen kann. Diese Methode wird zu viel schnelleren Ergebnissen führen als bisherige Techniken, da nur noch ein einziges aktuelles Bild benötigt wird. Damit wäre es jederzeit möglich, aktuelle Aussagen über die Natürlichkeit eines bestimmten Ortes auf der Welt zu treffen. Dies kann besonders bei Beobachtungen zum Klimawandel hilfreich sein. Durch die Beobachtung aus dem All könnten beispielsweise der Rückgang von Eisflächen oder die Vergrößerung von Wüstengebieten genau und in Echtzeit aufgezeichnet werden. Oder es könnten Flächen ausgemacht werden, die einen zukünftigen Nationalpark beherbergen können.

Nachvollziehbare KI
Neben der Entwicklung der Methode zum satellitenbildgestützten Natürlichkeitsindex steht das Projekt noch auf einem zweiten Pfeiler, der in Kooperation mit Prof. Ribana Roscher von der Universität Bonn umgesetzt wird. Es soll nachvollziehbar gemacht werden, wie die KI ihre Entscheidungen trifft. KI kommt bereits in vielen Projekten zum Einsatz, doch meist wissen die Benutzerinnen und Benutzer nur, welche Daten sie zur Verfügung stellen, nicht was die KI mit ihnen macht und wie sie sie beurteilt. Das soll bei MapInWild anders sein. Die Forschenden wollen herausfinden, warum die gelernten Wildniskartierungs-Modelle zu spezifischen Entscheidungen kommen. Das Projekt trägt damit zur methodischen Weiterentwicklung von übertragbaren Verfahren des maschinellen Lernens mit wenigen und fehlerbehafteten Trainingsdaten und deren Interpretierbarkeit bei.

MapInWild:
MapInWild: Kartierung und Interpretation von Wildnis aus dem Weltraum

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