Quelle: NASA Science Editorial Team, 17. April 2026

Das LECP ist seit dem Start von Voyager 1 im Jahr 1977 – also seit fast 49 Jahren – nahezu ununterbrochen in Betrieb. Es misst niederenergetische geladene Teilchen, darunter Ionen, Elektronen und kosmische Strahlung, die aus unserem Sonnensystem und unserer Galaxie stammen. Das Instrument hat wichtige Daten über die Struktur des interstellaren Mediums geliefert und dabei Druckfronten und Regionen mit unterschiedlicher Teilchendichte im Weltraum jenseits unserer Heliosphäre erfasst. Die beiden Voyager-Sonden sind die einzigen Raumfahrzeuge, die weit genug von der Erde entfernt sind, um diese Informationen zu liefern.

Wie Voyager 2 ist auch Voyager 1 auf einen Radioisotopengenerator angewiesen, ein Gerät, das die Wärme aus zerfallendem Plutonium in Elektrizität umwandelt. Beide Sonden verlieren jährlich etwa 4 Watt an Leistung. Nach fast einem halben Jahrhundert im Weltraum sind die Leistungsreserven hauchdünn geworden, sodass das Team Energie sparen muss, indem es Heizungen und Instrumente abschaltet und gleichzeitig sicherstellt, dass die Raumfahrzeuge nicht so kalt werden, dass ihre Treibstoffleitungen einfrieren.

Während eines routinemäßigen, geplanten Rollmanövers am 27. Februar sank die Leistungsaufnahme von Voyager 1 unerwartet. Den Missionsingenieuren war bewusst, dass jeder weitere Leistungsabfall das Unterspannungs-Fehlerschutzsystem des Raumfahrzeugs auslösen könnte, das zum Schutz der Sonde Komponenten eigenständig abschalten würde, was eine Wiederherstellung durch das Flugteam erfordern würde – ein langwieriger Prozess, der eigene Risiken birgt.

Das Voyager-Team musste zuerst handeln.

„Auch wenn niemand gerne ein wissenschaftliches Instrument abschaltet, ist dies die beste verfügbare Option“, sagte Kareem Badaruddin, Voyager-Missionsleiter am JPL. „Voyager 1 verfügt noch über zwei funktionierende wissenschaftliche Instrumente – eines, das Plasmawellen abhört, und eines, das Magnetfelder misst. Sie arbeiten nach wie vor hervorragend und senden Daten aus einem Bereich des Weltraums zurück, den noch kein anderes von Menschen gebautes Raumfahrzeug jemals erkundet hat. Das Team konzentriert sich weiterhin darauf, beide Voyager-Sonden so lange wie möglich am Laufen zu halten.“

Ein weitreichender Plan

Die Entscheidung, welches Instrument als nächstes abgeschaltet werden sollte, fiel nicht spontan. Vor Jahren setzten sich die Wissenschafts- und Technikteams von Voyager zusammen und einigten sich auf die Reihenfolge, in der sie Teile des Raumfahrzeugs abschalten würden, während sie sicherstellten, dass die Mission ihre einzigartigen wissenschaftlichen Untersuchungen fortsetzen kann. Von den 10 identischen Instrumentensätzen, die jedes Raumfahrzeug mitführt, wurden bisher sieben abgeschaltet. Für Voyager 1 stand das LECP als Nächstes auf dieser Liste. Das Team schaltete das LECP auf Voyager 2 im März 2025 ab.

Da Voyager 1 mehr als 25 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt ist, wird es etwa 23 Stunden dauern, bis die Befehlssequenz zum Abschalten des Instruments das Raumschiff erreicht, und der Abschaltvorgang selbst wird etwa drei Stunden und 15 Minuten dauern. Ein Teil des LECP – ein kleiner Motor, der den Sensor kreisförmig dreht, um in alle Richtungen zu scannen – bleibt eingeschaltet. Er verbraucht nur wenig Strom (0,5 Watt), und wenn er weiterläuft, hat das Team die besten Chancen, das Instrument eines Tages wieder einschalten zu können, falls zusätzliche Energie zur Verfügung steht.

Was kommt als Nächstes

Die Ingenieure sind zuversichtlich, dass die Abschaltung des LECP der Voyager 1 etwa ein Jahr Atempause verschaffen wird. Sie nutzen diese Zeit, um eine ehrgeizigere Energiesparmaßnahme für beide Voyager-Sonden fertigzustellen, die sie „Big Bang“ nennen und die darauf abzielt, den Betrieb der Voyager-Sonden weiter zu verlängern. Die Idee besteht darin, eine Gruppe von stromversorgten Geräten auf einmal auszuwechseln – daher der Spitzname –, einige Komponenten abzuschalten und durch stromsparendere Alternativen zu ersetzen, um das Raumschiff warm genug zu halten, damit es weiterhin wissenschaftliche Daten sammeln kann.

Das Team wird den „Big Bang“ zunächst bei Voyager 2 umsetzen, da diese etwas mehr Leistungsreserven hat und näher an der Erde ist, was sie zum sichereren Testobjekt macht. Die Tests sind für Mai und Juni 2026 geplant. Wenn sie gut verlaufen, wird das Team frühestens im Juli versuchen, dieselbe Lösung bei Voyager 1 anzuwenden. Wenn dies funktioniert, besteht sogar die Chance, dass das LECP von Voyager 1 wieder eingeschaltet werden kann.

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• Voyager / Pioneer 10 + 11

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Quelle: ESA / Science & Exploration / Human and Robotic Exploration, 9. März 2026

Eine Reise durch den Weltraum zu unternehmen, wenn die Wahrscheinlichkeit von Sonnenstürmen und Sonneneruptionen am höchsten ist, erscheint zunächst widersinnig, doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass eine solche Reise gerade dann sicherer ist, wenn die Sonne am aktivsten ist. Die erhöhte Sonnenaktivität fegt die energiereiche Weltraumstrahlung aus unserem Sonnensystem hinaus. Eine bemannte Marsmission während des nächsten Höhepunkts des Sonnenzyklus könnte die Belastung durch schädliche Strahlung im Vergleich zu einer Reise während eines Sonnenminimums möglicherweise um die Hälfte reduzieren.

Strahlungsmessungen des ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA bestätigen die paradoxe Erkenntnis, dass Reisen während des Sonnenmaximums der beste Zeitpunkt dafür sind. Ein internationales Forschungsteam kam zu dem Schluss, dass eine Besatzung die Hin- und Rückreise ohne Überschreitung der Strahlungsrichtlinien absolvieren könnte. Außerdem lieferten sie Schätzungen zu den Strahlungsdosen, denen eine Besatzung bei verschiedenen Missionsszenarien ausgesetzt wäre.

Strahlungsdosen für Astronauten
Eine der größten Herausforderungen bei der Entsendung von Menschen zum Mars ist ihre Exposition gegenüber Weltraumstrahlung. Ionisierende Strahlung birgt ernsthafte Gesundheitsrisiken, darunter ein erhöhtes Krebsrisiko, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Katarakte. Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde könnte ein Astronaut auf einer Marsmission Strahlungsdosen ausgesetzt sein, die um ein Vielfaches höher sind als auf unserem Planeten. Die Strahlungsgrenze der ESA für die gesamte Laufbahn eines Astronauten liegt bei 1000 Millisievert, der Einheit für die effektive Dosis, die zu Schäden am menschlichen Gewebe führen kann. Höhere Dosen über kurze Zeiträume stellen akute Risiken dar, während niedrigere Dosen hauptsächlich zu langfristigen Gesundheitsrisiken beitragen.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass eine Marsmission während eines Sonnenminimums die Strahlungsdosis durch galaktische kosmische Strahlung gefährlich nahe an die ESA-Grenzwerte heranbringen würde. Die neue Analyse erweitert den Umfang anhand von Daten des Liulin-MO-Dosimeters an Bord des TGO und des Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) an Bord des Lunar Reconnaissance Orbiter über einen Zeitraum von 15 Jahren.

Kein Ort, an dem man sich verstecken kann
Auf dem Weg zum Mond und zum Mars sind Astronauten zwei Hauptquellen kosmischer Strahlung ausgesetzt: galaktischer kosmischer Strahlung und energiereichen Teilchen aus dem Sonnenwind. Erstere entsteht durch energiereiche Ereignisse außerhalb unseres Sonnensystems, wie beispielsweise Supernovae, letztere durch starke Sonneneruptionen. Während solaren energetischen Partikelströmen können sich Astronauten in ihrem Raumschiff in Sicherheit bringen. Diese Stürme sind unvorhersehbar, aber bei ausreichender Vorwarnung und Abschirmung können sich die Besatzungen in „Sturmschutzräume“ zurückziehen – Bereiche mit zusätzlicher Abschirmung. Auf der Internationalen Raumstation suchen Astronauten Zuflucht in den Schlafräumen oder in der Küche.

Es gibt jedoch keinen Ort, an dem man sich vor dem ständigen Beschuss durch galaktische kosmische Strahlung verstecken kann. Diese Teilchen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und durchdringen sowohl die Abschirmung von Raumfahrzeugen als auch den menschlichen Körper. Wenn sie gestoppt werden, lösen kosmische Strahlen oft Schauer von Sekundärteilchen aus, die für den Menschen noch schädlicher sein können. Auf der Marsoberfläche wären Astronauten einer um bis zu 60 % geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt als während der interplanetaren Reise. Höhlen und Lavaröhren könnten gute Lebensräume sein, um die Strahlenbelastung zu reduzieren.

Beste Reise zum Mars
Die Studie berechnete die Strahlungsdosis für simulierte Marsmissionen unter verschiedenen Sonnenaktivitätsniveaus und für drei Flugbahnen: die energieeffizienteste, aber längste Route, die energieintensivste, aber kürzeste Route und einen Kompromiss zwischen beiden.

Bei allen drei Arten nimmt die kumulative Strahlungsdosis durch kosmische Strahlung in der Nähe des Sonnenmaximums deutlich ab. Eine unruhige Sonne scheint der einzige Trost gegen galaktische kosmische Strahlung zu sein.

Das Team analysierte die Transferbahnen zum Mars in den letzten 60 Jahren und simulierte mit einem mehrschichtigen Wasserball, wie viel Strahlung die Organe im menschlichen Körper absorbieren würden. Schnellere Transferbahnen könnten die Strahlenbelastung um 55 % reduzieren, wenn sie während des Sonnenmaximums statt während des Sonnenminimums zurückgelegt würden, während Missionen mit treibstoffsparenden Flugbahnen eine Reduzierung von bis zu 45 % erzielen könnten.

„Um die Strahlungsgrenzwerte für die gesamte Berufslaufbahn einzuhalten, sollten Missionsplaner bestimmte Transferbahnen und Startfenster sorgfältig auswählen“, sagt Robert Wimmer-Schweingruber, Mitautor von der Universität Kiel, Deutschland.

Der Schutz der Astronauten bei ihren Vorstößen in den Weltraum hat für die ESA höchste Priorität. „Diese Studie hilft uns, die Schwankungen des Sonnenzyklus in klare Ziele für Missionsbahnen und Risikominderung umzuwandeln. Wir können quantifizieren, wie viel wir durch die Wahl eines bestimmten Startfensters und schnellerer Flugbahnen gewinnen können und wann wir noch bessere Abschirmungs- und Betriebskonzepte benötigen, um Marsmissionen wirklich sicherer zu machen“, sagt Anna Fogtman, Leiterin des Strahlenschutzes bei der ESA.

Artikel veröffentlicht in Space Weather am 9. März 2026, „The constraint of crewed Mars missions based on current radiation dose measurements” (Die Einschränkungen bemannter Marsmissionen auf Grundlage aktueller Strahlungsdosismessungen) von Chao Zhang und Forschern der Universität für Wissenschaft und Technologie China, der Universität Kiel in Deutschland und der Universität Michigan, USA.

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• Marsflug, Marsbasis

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Quelle: Universität Siegen 13. Dezember 2023.

13. Dezember 2023 – Um sieben Uhr morgens haben Dr. Eleonora Guido und Dr. Marcus Niechciol ihre Schicht beinahe geschafft. Draußen ist es noch dunkel, im Büro der beiden Physiker*innen auf dem Emmy-Noether-Campus der Uni Siegen sorgen dagegen zehn Monitore für viel künstliches Licht. Auf den in drei Reihen übereinander angeordneten Bildschirmen sind Tabellen, Diagramme und Zahlen zu sehen. Sie verraten Guido und Niechciol, ob in der etwa 12.000 Kilometer entfernten argentinischen Pampa „alles okay“ ist. Dort befindet sich das weltweit größte Experiment zur Messung kosmischer Strahlung: das Pierre-Auger-Observatorium, an dem seit rund 20 Jahren auch Siegener Physiker*innen beteiligt sind. Zusammen mit ca. 450 Kolleg*innen aus aller Welt spüren sie kosmische Teilchen auf, die permanent aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre treffen. Ziel der gemeinsamen Forschung ist es, herauszufinden, welche kosmischen Prozesse oder Objekte diese teils extrem energiereichen Teilchen erzeugen. Mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung der kosmischen Strahlung ist das immer noch unklar – es handelt sich um eines der größten Rätsel der modernen Physik.

Dass das Siegener Team unter der Leitung von Prof. Dr. Markus Cristinziani und Prof. Dr. Markus Risse den argentinischen Detektor nun von Siegen aus überwachen und steuern kann, ist neu: „Bisher mussten wir jedes Mal extra nach Argentinien reisen, um entsprechende Schichten übernehmen zu können“, erklärt Niechciol. Um sicherzustellen, dass die Datenerfassung in der argentinischen Pampa möglichst reibungslos funktioniert, muss die hochsensible Messtechnik des Experiments permanent überwacht werden. Dazu zählen neben 1.600 mit Detektoren ausgestatteten Wassertanks insbesondere auch vier große Teleskopstationen auf dem Gelände des Observatoriums: Sie können das sogenannte Fluoreszenz-Licht einfangen, das ausgesendet wird, wenn kosmische Teilchen auf die Erdatmosphäre treffen. Aus diesen Daten können die Wissenschaftler*innen indirekt Rückschlüsse über Herkunft und Natur der kosmischen Teilchen ziehen. Im Siegener Büro von Guido und Niechciol ist jedem der vier Teleskopstationen ein eigener Bildschirm zugeordnet.

„Seit Mitternacht überwachen wir die Teleskope und haben seitdem hoffentlich viele schöne Ereignisse der kosmischen Strahlung aufgezeichnet“, sagt Eleonora Guido, bevor sie sich an die Tastatur setzt: Der Mond über der argentinischen Pampa steht ungünstig – weil das helle Mondlicht die empfindlichen Messungen stören würde, muss die Physikerin die Teleskope nun per Fernsteuerung schließen. „Neben dem Verlauf des Mondes beobachten wir auch das Wetter sehr genau“, erklärt Niechciol. „Gibt es in der Region Gewitter, starke Winde oder heftigen Regen, müssen wir reagieren und die Teleskope schnellstmöglich dicht machen, damit die empfindlichen Sensoren nicht beschädigt werden.“ Hat sich das Wetter wieder beruhigt, muss ebenfalls zügig gehandelt werden: Dann gilt es, die Systeme wieder zu öffnen, damit die Datenerfassung weitergeht und möglichst wenige Daten verloren gehen.

Auch mit unvorhergesehenen Ereignissen müssen die Wissenschaftler*innen während der Schichten umgehen. Dann kann es auch schon mal stressig werden, berichtet das Team: „Vor dem Start unserer heutigen Schicht gab es in der Region des Observatoriums einen Stromausfall. Das hat dazu geführt, dass wir viele der dortigen Computer neu hochfahren mussten. Dadurch konnten wir erst etwas später anfangen, Daten aufzuzeichnen als eigentlich vorgesehen.“ Auch andere technische Störungen können auftreten. Den Siegenern wird das auf den Bildschirmen als rot markierte Meldung angezeigt. In manchen Fällen ertönt auch ein akustisches Alarmsignal. Dann gilt es herauszufinden, wo das Problem liegt – was oft gar nicht so einfach ist, sagt Niechciol: „Es gibt eine enorme Vielzahl möglicher Ursachen. Die kann man auch mit jahrelanger Erfahrung am Observatorium unmöglich alle kennen. Im Zweifel müssen wir einen Techniker in Argentinien aus dem Bett klingeln, der sich die Sache vor Ort anschaut.“

Neben den Teleskopen können die Siegener auch andere Bestandteile des Detektors aus der Ferne überwachen: Dazu zählen Laser, die regelmäßig aktiviert werden, um die atmosphärischen Beobachtungsbedingungen zu kontrollieren. Und Radioantennen, die an den Wassertanks installiert sind und Radiowellen registrieren, die durch die kosmische Strahlung ausgelöst werden. Turnusmäßig übernimmt das Team dazu im Wechsel mit den internationalen Kolleg*innen am Observatorium unterschiedliche Arten von Schichten, die jeweils über mehrere Nächte (oder im Fall der Radioantennen auch Tage) andauern. Auch Siegener Nachwuchswissenschaftler*innen können so an die praktische Arbeit am Experiment herangeführt werden und lernen, im Rahmen der Schichten Verantwortung zu übernehmen: Für die hochsensible und teure Messtechnik. Aber auch dafür, dass möglichst permanent qualitativ hochwertige Daten aufgezeichnet werden. Daten, auf die Wissenschaftler*innen weltweit angewiesen sind, um das Rätsel der kosmischen Strahlung eines Tages zu lösen.

Hintergrund:
Physiker*innen der Universität Siegen forschen seit 2004 am Pierre-Auger-Observatorium. Die Wissenschaftler*innen arbeiten dabei im Verbund mit vier weiteren deutschen Universitäten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Forschung und hat der Universität Siegen im Sommer weitere knapp 600.000 Euro Fördermittel bis 2026 zur Verfügung gestellt. Siegener Physiker*innen sind sowohl an der Analyse der am Observatorium gewonnenen Daten, als auch an der Weiterentwicklung der Messtechnik direkt beteiligt. Seit Anfang Dezember 2023 können sie den argentinischen Detektor auch „remote“ von Siegen aus überwachen.

Ein ausführliches Interview mit Dr. Marcus Niechciol zur Forschung am argentinischen Pierre-Auger-Observatorium hören Sie in der aktuellen Folge unseres Wissenschaftspodcasts Spark!

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• Pierre Auger Observatory

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Quelle: AIP 12. Dezember 2023.

12. Dezember 2023 – Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen, die kosmische Strahlung, für das er Jahre später den Nobelpreis erhielt. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und stellte fest, dass nicht die Radioaktivität vom Erdboden die Atmosphäre ionisiert, sondern der Ursprung der Ionisation außerhalb der Erde liegt. In den folgenden Jahren wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltall bestehen, die fast so schnell wie das Licht sind, und keine Strahlung darstellen. Der Name „kosmische Strahlung“ überdauerte diese Erkenntnisse jedoch.

In der vorliegenden Arbeit haben Dr. Mohamad Shalaby, Wissenschaftler am AIP und der Hauptautor dieser Studie, und seine Kolleginnen und Kollegen numerische Simulationen durchgeführt, um die Flugbahnen vieler Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie diese mit dem sie umgebenden Plasma aus Elektronen und Protonen wechselwirken. Als die Forschenden kosmische Strahlen analysierten, die von einer Seite der Simulation zur anderen flogen, entdeckten sie ein neues Phänomen, das elektromagnetische Wellen im Hintergrundplasma anregt. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmischen Strahlen aus, die ihre Flugbahnen verändert.

Dieses neue Phänomen lässt sich am einfachsten verstehen, wenn man die kosmischen Strahlen nicht als einzelne Teilchen betrachtet, sondern als elektromagnetische Welle, in welcher diese kosmischen Teilchen gemeinsam schwingen. Indem diese Welle mit den Eigenschwingungen im Hintergrund wechselwirkt, werden sie verstärkt und es findet ein Energieübertrag statt. „Diese Erkenntnis erlaubt es uns, die kosmische Strahlung in diesem Zusammenhang als Strahlung und nicht als einzelne Teilchen zu betrachten, so wie es ursprünglich von Victor Hess angenommen wurde“, bemerkt Professor Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP. Eine gute Analogie für das Verhalten sind einzelne Wassermoleküle, die gemeinsam eine Welle bilden, die sich am Ufer bricht. „Dieser Fortschritt kam nur durch die Berücksichtigung kleinerer Skalen zustande, die bisher übersehen wurden, und stellt die Verwendung effektiver hydrodynamischer Theorien bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage“, erklärt Dr. Mohamad Shalaby.

Für die neu entdeckte Plasmainstabilität gibt es viele Anwendungen, unter anderem eine erste Erklärung für die Beschleunigung von Elektronen aus dem thermischen interstellaren Plasma zu sehr hohen Energien an Supernovaüberresten. „Diese neu gefundene Plasmainstabilität stellt einen Quantensprung in unserem Verständnis des Beschleunigungsprozesses dar und erklärt endlich, warum Supernovaüberreste im Radio- und Gammastrahlenbereich leuchten“, berichtet Mohamad Shalaby. Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse des Transports der kosmischen Strahlung in Galaxien, der bisher das größte Mysterium in unserem Verständnis der Entwicklung von Galaxien darstellt.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Wissenschaftliche Publikationen

• Deciphering the physical basis of the intermediate-scale instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, R. Lemmerz, V. Bresci, 2023, JPP Letters, arXiv:2305.18050, DOI:10.1017/S0022377823001289
• The mechanism of efficient electron acceleration at parallel non-relativistic shocks
  M. Shalaby, R. Lemmerz, T. Thomas, C. Pfrommer, 2022, ApJ, 932, 86, arXiv:2202.05288
• A new cosmic ray-driven instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, 2021, ApJ, 908, 206, arXiv:2010.11197

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• Kosmische Strahlung

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. September 2022.

13. September 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat ein Computerprogramm entwickelt, mit dem sich der Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren lässt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen, so das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung lösen zu können. Bislang ist unbekannt, welche Himmelsobjekte die hochenergetische Strahlung aussenden, die aus dem All auf die Erde prasselt. Um experimentelle Daten erklären zu können, braucht es theoretische Modelle; die neue Computersimulation kann diese liefern. Ein Team um Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschreibt die Software in der Zeitschrift Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, online veröffentlicht am 12.September 2022.

Wie ein gleichmäßig ausgeleuchteter Himmel am Tag
Seit ihrer Entdeckung von 100 Jahren versuchen Forschende zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem: Von der Erde aus betrachtet sieht sie so aus wie der Himmel bei Tag mit bloßem Auge: Er ist fast überall, wo man hinschaut, gleich hell erleuchtet. Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch die kosmische Strahlung wird auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Von der Erde aus ist nur ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

Teilchenbahnen von Anfang bis Ende simuliert
„Mit unserem Programm CRPropa ist es möglich, die Bahnen der Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde nachzuverfolgen – und zwar für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können“, sagt Julien Dörner, Doktorand an der RUB. „Auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonfeldern im Universum können wir vollständig berücksichtigen.“

Dabei kann das Programm nicht nur kosmische Strahlung simulieren, sondern auch Neutrinoteilchen oder Gammastrahlung, die in Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung entstehen. „Diese Botenteilchen sind – anders als die kosmische Strahlung – direkt von ihren Quellen beobachtbar, sie kommen also auf direktem Weg zur Erde“, erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. „Mit der Software können wir solche Strahlung von Neutrinos und Gammastrahlung auch aus fremden Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorhersagen.“

Das vorgestellte Simulationsprogramm ist die umfassendste derzeit existierende Simulationssoftware und ermöglicht neue Forschungswege. „Wir können neue Energiebereiche in der Simulation erschließen, die mit bisherigen Programmen nicht vollständig erfasst werden konnten“, sagt Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. „Insbesondere der Übergang von der kosmischen Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil, der aus fremden Galaxien kommt, kann theoretisch beschrieben und mit Beobachtungen verglichen werden.“

Experimentelle Daten sind nur mit theoretischer Hilfe interpretierbar
Das Simulationsprogramm ist in einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstanden, die in Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich forschen. Die RUB ist mit acht Forschenden federführend am Projekt beteiligt. Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 „Das Wechselspiel der kosmischen Materie“ entstanden, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. SFB-Sprecherin Prof. Dr. Julia Tjus von der RUB betont: „Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt, um den Transport und die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung quantitativ in drei Dimensionen zu beschreiben. CRPropa wird signifikant dazu beitragen zu verstehen, woher die kosmische Strahlung kommt. Denn wir benötigen theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt an Daten, die wir aus dem Kosmos haben, zu interpretieren.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert von der „la Caixa“ Foundation (ID 100010434), dem Horizon-2020-Programm der EU (Förderkennzeichen 847648 und 646623), der Radboud Excellence Initiative, dem Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (Grantnummer I 4144-N27), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 1491, Projekte TJ 62/8-1 und KA710/5-1 sowie Exzellenzcluster 2121 Quantum Universe – 390833306), der Russian Science Foundation (Grantnummer 22-11-00063), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderkennzeichen 05A20PX1 und 05A20GU2) sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst und der RUB Research School.

Originalveröffentlichung
Rafael Alves Batista, Julia Becker Tjus et al.: CRPropa 3.2 – an advanced framework for high-energy particle propagation in extragalactic and galactic spaces, in: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, DOI: 10.1088/1475-7516/2022/09/035, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035/pdf

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: AIP 29. Juni 2022.

29. Juni 2022 – Um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wie unserer Milchstraße zu verstehen, ist es von besonderer Bedeutung, die Menge der neu entstandenen Sterne sowohl in nahen als auch in weit entfernten Galaxien zu kennen. Dabei hilft oft eine bereits vor 50 Jahren entdeckte Verknüpfung zwischen der Infrarot- und der Radiostrahlung von Galaxien: Die energiereiche Strahlung von jungen, massereichen Sternen, die in den dichtesten Regionen der Galaxien entstehen, wird von umliegenden Staubwolken absorbiert und als energiearme Infrarotstrahlung wieder ausgesendet. Wenn schließlich ihr Brennstoffvorrat aufgebraucht ist, explodieren diese massereichen Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova. Bei dieser Explosion wird die äußere Sternhülle in die Umgebung geschleudert, was einige wenige Teilchen des interstellaren Mediums zu sehr hohen Energien beschleunigt, die wir dann kosmische Strahlung nennen. Im Magnetfeld der Galaxie senden diese schnellen Teilchen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind, sehr energiearme Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von einigen Zentimetern bis Metern aus. Über diese Kette von Prozessen sind neu entstehende Sterne, die Infrarot- und die Radiostrahlung von Galaxien eng miteinander verknüpft.

Die genauen physikalischen Bedingungen für den Ursprung dieser in der Astronomie oft verwendeten Beziehung sind jedoch noch nicht verstanden. Bisherige Erklärungsversuche scheiterten meist an einer Voraussage: Wenn die hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung tatsächlich für die Radiostrahlung dieser Galaxien verantwortlich sind, sagt die Theorie sehr steile Radiospektren voraus – also eine hohe Emission bei tiefen Radiofrequenzen – dies stimmt jedoch nicht mit den Beobachtungen überein. Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, hat ein Team am AIP nun erstmalig diese Prozesse einer entstehenden Galaxie realistisch am Computer simuliert und die Energiespektren der kosmischen Strahlung berechnet.

„Bei der Entstehung der galaktischen Scheibe werden kosmische Magnetfelder genau so verstärkt, dass sie mit den starken, beobachteten galaktischen Magnetfeldern übereinstimmen“, erklärt Prof. Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP. Wenn die kosmischen Strahlungsteilchen in den Magnetfeldern Radiostrahlung aussenden, verliert diese auf dem Weg zu uns einen Teil ihrer Energie. Das hat zur Folge, dass ihr Radiospektrum bei niedrigen Frequenzen flacher wird. Bei hohen Frequenzen trägt zusätzlich zur Radioemission der kosmischen Strahlung auch noch die Radiostrahlung des interstellaren Mediums bei, die ein flacheres Spektrum aufweist. Die Summe dieser beiden Prozesse kann daher die beobachtete flache Radiostrahlung der gesamten Galaxie und außerdem die Strahlung des Zentrums perfekt erklären. Damit löst sich auch das Rätsel, warum die Infrarot- und die Radiostrahlung von Galaxien so gut miteinander verknüpft sind. „Dadurch können wir die Anzahl der neu entstandenen Sterne anhand der beobachteten Radioemission in Galaxien besser bestimmen, um so die Geschichte der Sternentstehung im Universum weiter zu entschlüsseln“, fasst Maria Werhahn, Doktorandin am AIP und Erstautorin einer der Studien ihre Ergebnisse zusammen.

Über das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Publikationen
Cosmic rays and non-thermal emission in simulated galaxies – III. Probing cosmic-ray calorimetry with radio spectra and the FIR–radio correlation. M. Werhahn, C. Pfrommer, P. Girichidis, 2021, MNRAS, 505, 3295, doi.org/10.1093/mnras/stab2535
Simulating radio synchrotron emission in star-forming galaxies: small-scale magnetic dynamo and the origin of the far infrared-radio correlation. C. Pfrommer, M. Werhahn, R. Pakmor, P. Girichidis, C. M. Simpson, 2022, MNRAS, accepted,
https://arxiv.org/abs/2105.12132v2

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• Sternentstehung

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Christian-Albrechts-Universität Kiel, DLR, JPL, Science.

Das Hauptziel der Mission des von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrovers Curiosity besteht darin, zu erforschen, ob auf dem Mars einstmals „lebensfreundliche“ Bedingungen herrschten, welche theoretisch die Entstehung von mikrobiologischen Lebensformen ermöglicht haben könnten und ob es eventuell sogar denkbar ist, dass die derzeit auf dem Mars vorherrschenden Umweltbedingungen auch noch in der Gegenwart die Existenz solcher Lebensformen ermöglichen könnten. Bei einem der 10 dabei zum Einsatz kommenden wissenschaftlichen Instrumente des Rovers handelt es sich um den Strahlungsdetektor RAD.

Die Aufgabe dieses unter anderem an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel entwickelten Instrumentes besteht darin, die auf dem Mars auftretenden Strahlungswerte zu ermitteln. Im Gegensatz zur Erde verfügt der Mars über kein relevantes Magnetfeld. Dies hat zur Folge, dass die aus dem Weltall einfallende Strahlung die ungeschützte Planetenoberfläche nahezu vollständig erreicht.

Diese Strahlung besteht zum einen aus der galaktischen kosmischen Strahlung (GCR), welche ihren Ursprung außerhalb unseres Sonnensystems hat und zum Beispiel durch Sternexplosionen – sogenannte Supernovas – freigesetzt wird. Zum anderen besteht sie aus der solaren Strahlung, welche bei bestimmten physikalischen Prozessen auf der Sonne freigesetzt wird. Diese Sonnenwinde sind auf der Erde unter anderem für die Entstehung der Polarlichter verantwortlich. Des weiteren beinhaltet die den Mars treffende Strahlung eine sekundäre Strahlungskomponente, welche durch eine Wechselwirkung der galaktischen Strahlung und der solaren Strahlung mit der Marsatmosphäre und der Oberfläche des Planeten entsteht.

Messungen auf dem Weg zum Mars
Allerdings begann das RAD-Instrument nicht erst nach der erfolgreichen Landung des Rovers auf dem Mars mit seiner Arbeit. Der Strahlendetektor nahm den Betrieb vielmehr bereits kurz nach dem Start am 6. Dezember 2011 auf und war das einzige Instrument an Bord von Curiosity, welches bereits während des Fluges zum Mars wissenschaftliche Daten lieferte. Hierbei wurden bis zum 14. Juli 2012 alle 24 Stunden wissenschaftliche Daten des Instruments an das in Pasadena/Kalifornien befindliche Kontrollzentrum der Mission übermittelt. Die dabei gewonnenen Messresultate werden Auswirkungen auf die für die Zukunft geplanten Marsmissionen haben, bei denen dann auch Menschen die Oberfläche des Roten Planeten betreten werden.
Welche Strahlenbelastung wird die Besatzung eines Raumschiffs bei einem Flug zum Mars voraussichtlich ausgesetzt sein und welche Maßnahmen sind erforderlich, um diese Strahlendosis möglichst gering zu halten? Diese Fragen hoffen die Wissenschaftler mit den Daten des RAD-Instrumentes beantworten zu können.

„Das RAD ist [in der Missionsphase des Fluges zum Mars] vergleichbar mit einem Stellvertreter für einen Astronauten in einem Raumschiff auf dem Weg zum Mars“, so die Erklärung von Dr. Donald Hassler vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado, dem für das RAD-Instrument hauptverantwortlichen Wissenschaftler. „Das Gerät befindet sich tief im Inneren der Raumsonde, vergleichbar mit der Position eines Astronauten bei einer bemannten Mission. Zu sehen, wie die Raumsonde das Strahlungsfeld beeinflusst, wird uns wichtige Informationen darüber liefern, wie man ein Raumschiff für eine zukünftige Reise zum Mars am besten konstruieren muss.“

Am gestrigen Tag gab die NASA im Rahmen einer Pressekonferenz erste Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument bekannt.

„Zum ersten Mal konnte damit die Strahlung im Inneren einer Raumsonde im interplanetaren Raum zwischen Erde und Mars gemessen werden“, so Dr. Günther Reitz, Wissenschaftler am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Bisher hatten wir nur Modellrechnungen. Nun haben wir echte Daten, welcher Strahlungsdosis ein Astronaut bei seiner Reise zum Mars ausgesetzt wäre.“

Die Messungen zeigten, dass das Instrument – und somit ein Astronaut – auf dem Weg zum Mars jeden Tag im Durchschnitt einer Strahlungsdosis von 1,8 Millisievert ausgesetzt wurde. Unter der schützenden Hülle der Erdatmosphäre beträgt die jährliche Strahlendosis durch kosmische Strahlung dagegen lediglich 0,3 Millisievert. Zusätzlich zu der permanenten galaktischen Strahlung zeichnete das Gerät während der interplanetaren Reise auch die Strahlung von fünf Sonnenstürmen auf. Diese Stürme erwiesen sich als ein Glücksfall für die beteiligten Wissenschaftler, welche somit bereits in der Flugphase zum Mars ein breites Strahlungsspektrum erfassen konnten und dadurch auch wertvolle Daten über den Einfluss von Sonnenstürmen auf die Strahlenexposition erhielten. „Wir freuen uns über jeden solaren Sturm, denn der bringt noch zusätzlich Würze in die Suppe“, so Dr. Günther Reitz.

Erkenntnisse für eine bemannte Langzeitmission zum Mars
Im Rahmen ihrer Studien berechneten die beteiligten Wissenschaftler von der NASA, dem SwRI, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (CAU) die Gesamtstrahlenbelastung, welcher ein Astronaut auf einer 360 Tage dauernden Hin- und Rückreise zum Mars ausgesetzt sein würde. Diese beträgt – eine vergleichbare Reisedauer, Raumschiffabschirmung und Sonnenaktivität vorausgesetzt – ungefähr 0,66 Sievert. Eine Strahlendosis von einem Sievert geht nach heutigen Erkenntnissen mit einem um fünf Prozent erhöhten Risiko für eine tödliche Krebserkrankung einher.

„Damit liegt die Belastung noch unter der Grenze von ungefähr 0,8 Sievert, der Astronauten in ihrer gesamten Laufbahn ausgesetzt sein dürfen. Bemannte Missionen sind also machbar, jedoch nicht unkritisch“, so Professor Robert Wimmer-Schweingruber von der Christian-Albrechts-Universität in Kiel, dessen Arbeitsgruppe das Messgerät baute. „Diese Strahlungsdosis ist vergleichbar mit einer Ganzkörper-CT, welche alle fünf oder sechs Tage wiederholt wird“, ergänzt Cary Zeitlin vom SwRI.

Die ermittelten 1,8 Millisievert pro Tag ergeben sich hauptsächlich durch die permanent vorhandene hochenergetische galaktische Teilchenstrahlung. Die von der Sonne ausgehende Strahlung war dagegen während des Fluges von Curiosity zu Mars für lediglich etwa drei bis fünf Prozent der gemessenen Strahlenwerte verantwortlich. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Sonne während des 253 Tage dauernden Fluges zum Mars eine relativ geringe Aktivität zeigte. Bei einer bemannten Marsmission müsste zudem noch die Zeit berücksichtigt werden, welche die Astronauten auf der Marsoberfläche verbringen und während der sie ebenfalls einer erhöhten Strahlungsdosis ausgesetzt sein werden. Aber auch über diese Werte liefert das RAD-Instrument weitere Daten. Seit der Landung von Curiosity ist das Strahlungsmessgerät fast rund um die Uhr in Betrieb und ermittelt in regelmäßigen Abständen entsprechende Daten.

Die Strahlungsbelastung bei einem bemannten Flug zum Mars liegt somit nahe an den allgemein akzeptierten Grenzwerten der Raumfahrtorganisationen und entspricht in etwa der durchschnittlichen Belastung, welcher ein Mensch während seines gesamten Lebens auf der Erde ausgesetzt ist. „Die von uns gemessene Strahlenbelastung liegt an der Grenze zu dem, was bei der NASA und anderen Weltraumbehörden als die Obergrenze für ein akzeptables Risiko für Raumfahrer angesehen wird. Diese Grenzen sind jedoch abhängig von unserem Verständnis von dem mit der Exposition von kosmischen Strahlen verbundenen Gesundheitsrisiko. Und dieses Verständnis ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt immer noch ziemlich begrenzt“, so Cary Zeitlin. Vor der Durchführung einer bemannten Marsmission ist deshalb in erster Linie zunächst einmal noch ein besseres Verständnis des gesundheitlichen Risikos nötig, welches mit derart hohen Belastungen verbunden ist.

Unabhängig davon, so die allgemeine Einschätzung, müsste ein Raumschiff, welches Astronauten zum Mars transportiert, über eine entsprechende Abschirmung gegen die kosmische Strahlung verfügen. Nur so kann die Strahlenbelastung auf einen Wert gesenkt werden, welcher das gesundheitliche Risiko zukünftiger Marsbesucher minimiert. Aufgrund der Daten des RAD-Instrumentes können entsprechende Schutzmaßnahmen bei der Konstruktion des Raumschiffes, welches Menschen zum Mars transportieren wird, berücksichtigt werden.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse der Strahlungsmessungen durch das RAD-Instrument wurden am heutigen Tag von Cary Zeitlin et al. unter dem Titel „Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory“ in der Fachzeitschrift „Science“ publiziert.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist als Partner der NASA an der Curiosity-Mission beteiligt. Es förderte die Entwicklung der Sensoreinheit des RAD-Instruments an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel und am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR in Köln. Die Entwicklung der Sensoren erfolgte in enger Kooperation mit der in München ansässigen Firma Kayser-Threde. Die Entwicklung wurde zudem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Die finanzielle Gesamtsumme des Kieler Projektes beläuft sich auf rund 1,3 Millionen Euro. Für die Entwicklung der Elektronikeinheit des RAD war dagegen das SwRI verantwortlich. Der Betrieb des Instruments erfolgt durch ein internationales Wissenschaftler-Team, an dem Mitarbeiter des DLR, der CAU und des SwRI beteiligt sind.
Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 291 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von etwa 740 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. In diesem Zeitraum haben die Kamerasysteme des Rovers bisher 55.197 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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• Aktuelle Diskussion zu Curiosity

Fachartikel von Cary Zeitlin et al.:

• Measurements of Energetic Particle Radiation in Transit to Mars on the Mars Science Laboratory (Abstract, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Max-Planck-Institut für Astronomie.

Im Jahr 1006 leuchtete am Südhimmel eine Supernova auf, welche in der Folgezeit heller als der Planet Venus wurde. Dieses seltene Ereignis konnte damals an vielen Orten auf der Erde beobachtet werden, zumal der neue Stern im Maximum seiner Helligkeit nachts Schatten warf und sogar am Taghimmel sichtbar blieb. Jedoch erst durch den Einsatz moderner Beobachtungsinstrumente konnte der genaue Ort dieser Supernova, welche von den Astronomen die Bezeichnung SN 1006 erhielt, im Sternbild Lupus (der Wolf) identifiziert werden. An dieser Stelle wurde eine leuchtende Schale aus expandierender Materie entdeckt, welche den Überrest der gewaltigen Sternexplosion darstellt.

Supernovae sind gigantische Sternexplosionen, die sich am Ende des „Lebens“ eines bestimmten Sterntyps ereignen. Dabei werden große Teile der Sternatmosphäre oder gleich die gesamte Sternmaterie nach außen geschleudert und bilden einen Supernovaüberrest, welcher sich im Laufe der Zeit immer weiter ausdehnt. In den Bereichen, an denen das herausgeschleuderte Material auf die umgebende interstellare Materie trifft, bilden sich Schockwellen aus. Hierbei handelt es sich um Regionen, in denen sich Dichte und Temperatur abrupt verändern – ähnlich den Schockwellen eines Überschnallknalls, der zu hören ist, wenn ein Flugzeug die Schallmauer durchbricht.

Schon seit langem vermuten Astronomen und Astrophysiker, dass die Überreste solcher Supernovae mit der kosmischen Strahlung in Zusammenhang stehen. Hierbei handelt es sich um hochenergetische Teilchen, welche aus den Tiefen des Weltraums kommend auf die Erdatmosphäre treffen. Die energiereichsten Teilchen der im Jahr 1912 von dem österreichisch-amerikanischen Physiker Victor Franz Hess entdeckten kosmischen Strahlung stammen von außerhalb unseres Sonnensystems, und für einige davon werden als Quelle die besagten Supernovaüberreste angenommen. Die Details dieses Prozesses sind jedoch immer noch rätselhaft.

Ein von Sladjana Nikolić vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg geleitetes Astronomenteam hat jetzt mit dem Instrument VIMOS am Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile den Supernova-Überrest SN 1006 genauer als jemals zuvor unter die Lupe genommen. Durch ihre Beobachtungen wollten die Astronomen analysieren, was genau in dem Bereich geschieht, an der das bei der Supernova mit hoher Geschwindigkeit herausgeschleuderte Material auf die im Vergleich dazu nahezu stillstehende interstellare Materie trifft. Die sich dort bildenden, expandierenden und zugleich hochenergetischen Schockwellen könnten als eine Art „kosmischer Teilchenbeschleuniger“ an der Erzeugung der kosmischen Strahlung beteiligt sein.

Im Rahmen der Studie gelang es dem Team erstmals, Informationen zur Materie im Schock zu sammeln und diese dabei nicht nur an eine Stelle der Schockfront zu vermessen, sondern vielmehr eine vollständige Karte zu erstellen, auf der die Eigenschaften des Gases und dessen räumliche Variationen verzeichnet sind. Daraus ergaben sich für die Astronomen wichtige Hinweise auf eine mögliche Lösung des Rätsels der kosmischen Strahlung.

Zur Überraschung der beteiligten Wissenschaftler ergaben sich bei den Untersuchungen Anzeichen für eine große Anzahl von sich schnell bewegenden Protonen im Gas der Schockregion. Bei diesen suprathermischen Protonen handelt es sich noch nicht um die kosmische Strahlung selbst, sondern vielmehr um Vorläuferteilchen (engl. „seed particles“), welche erst noch durch Wechselwirkungen mit der Schockfront auf die erforderlichen hohen Energien beschleunigt werden müssen, um als kosmische Teilchenstrahlung in den umgebenden Weltraum entweichen zu können.

„Dies ist das erste Mal, dass wir die physikalischen Prozesse in und um die Schockregion genauer untersuchen konnten. Wir haben dabei Hinweise auf die Existenz einer erwärmten Region direkt vor der Schockwelle gefunden, wie sie den gängigen Modellen nach notwendig ist, damit überhaupt kosmische Teilchenstrahlung entstehen kann. Außerdem wurde diese Region offenbar auf genau jene Weise erwärmt, wie man es erwarten würde, wenn dort Protonen existieren, welche die Energie aus direkt hinter der Schockfront gelegenen Regionen in die Bereiche direkt vor dem Schock transportieren“, so Sladjana Nikolić.

Die Untersuchung basiert auf Analysen, die Sladjana Nikolić im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Astronomie und der Universität Heidelberg durchführte. Bei der Studie wurde erstmals der Integralfeld-Spektrograf VIMOS des VLT verwendet, um die Eigenschaften einer Supernova-Schockfront derart detailliert zu untersuchen. In der „Integral Field Unit“ des VIMOS wird das Licht, welches auf jeden Pixel fällt, in seine einzelnen Spektralfarben zerlegt. Jedes dieser Spektren wird dabei von dem Instrument registriert. Bei der anschließenden Analyse können so zum Beispiel räumlich aufgelöste Karten der Geschwindigkeitsverteilung oder der chemischen Zusammensetzung des beobachteten Objekts gewonnen werden.

Sladjana Nikolić und ihre Kollegen nutzten den VIMOS-Spektrografen, um für mehr als 100 Punkte in einem kleinen Teilbereich der Schockfront der Supernova SN1006 gleichzeitig die Lichtzusammensetzung (das Spektrum) zu bestimmen. Die rund 18 Monate dauernde Analyse der Daten ergab detaillierte Informationen insbesondere über die Temperaturen vor und hinter der Schockfront.

Das Team beabsichtigt, diese Methode jetzt auch bei zukünftigen Untersuchungen von anderen Supernovaüberresten anzuwenden. Hierdurch erhoffen sich die Astronomen eine Vielzahl weiterer Erkenntnisse darüber, wie Supernovaüberreste kosmische Teilchen beschleunigen können.

„Diese neuartige Beobachtungstechnik könnte sich als ein Schlüssel erweisen um herauszufinden, wie Supernova-Überreste kosmische Strahlung erzeugen“, so Glenn van de Ven vom Max-Planck-Institut für Astronomie, einer der beteiligten Wissenschaftler. Kevin Heng von der Universität Bern – ein weiteres Teammitglied – ergänzt: „Wir sind besonders stolz darauf, dass wir die Integralfeldspektroskopie in eher unorthodoxer Weise eingesetzt haben – üblicherweise beobachtet man damit weit entfernte Galaxien. Die Genauigkeit, die wir dabei erreicht haben, stellt alle vorangehenden Studien in den Schatten.“

„Das hier war ein Pilotprojekt. Das Licht, das wir von dem Supernovaüberrest auffangen, ist ungleich schwächer als bei den üblichen Zielobjekten für solche Instrumente. Jetzt, wo wir wissen, was machbar ist, sind eine Vielzahl interessanter Nachfolgeprojekte in den Bereich des Möglichen gerückt“, so Sladjana Nikolić.

Die hier vorgestellten Ergebnisse von Sladjana Nikolić et al. wurden am 14. Februar 2013 unter dem Titel „An Integral View of Fast Shocks around Supernova 1006“ in der Online-Version der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

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• Supernovae
• Kosmische Strahlung

Fachartikel von Sladjana Nikolić et al.:

• An Integral View of Fast Shocks around Supernova 1006 (Abstract, engl.)

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Ahmed et al. (2009), Kosmologs, New Scientist, Drillingsraum.de. Vertont von Peter Rittinger.

In ihrem Experiment im Soudan Underground Laboratory zeigten Forscher aus den USA, Kanada und der Schweiz, dass Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und Atomkernen messbar sind. Sie berichteten am 17. Dezember zeitgleich auf mehreren Vorträgen sowie in einer Veröffentlichung von ihren Ergebnissen.

Im Berg ist es dunkel

Es ist eines der Grundgesetze der modernen Physik: Je kleiner das zu untersuchende Phänomen, umso größer der erforderliche technische Aufwand. Davon können die Physiker um Z. Ahmed am Experiment Cryogenic Dark Matter Search (CDMS II) ein Lied singen. Sie mussten rund 800 Meter unter die Erde gehen. Hier suchen sie nach den unscheinbarsten und scheusten Mitgliedern des Teilchenzoos. Viele natürliche Prozesse erzeugen Störeffekte, denen man zu entkommen versucht. Das Gestein schirmt das Experiment vor kosmischer Strahlung ab. Durch radioaktive Zerfälle erzeugt es selbst einen Strahlungshintergrund, vor dem man sich erneut gut abschirmen muss.

Blickt man hinter den aufwendigen Schutzmantel, steht man vor dem Kryostaten: Platten aus abwechselnd hochreinem Silizium und Germanium werden auf 40 Millikelvin gekühlt, vierzig Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Wären die Kristalle zu warm, würden die Atome hin und her schwingen. Hier aber sollen sie von Dunkler Materie in Schwingung versetzt werden, um damit ein fundamentales Problem der Astrophysik zu erklären.

Eine Masse, die alles zusammenhält
In den 1930er Jahren entdeckten Astronomen, dass Galaxienhaufen nicht durch ihre eigene Masse zusammengehalten werden können. Andere Unstimmigkeiten wurden in Galaxien beobachtet, deren Sterne sich zu schnell um ihr Massezentrum bewegten. Die logische Grundannahme der Wissenschaftler schien widerlegt, dass sich das Gros der Masse des Universums in den gut zu beobachtenden Sternen befindet. Auch nicht leuchtende Körper wie ausgebrannte Sterne, Planeten und Staubteilchen machen nur einen Bruchteil der Masse aus, die mit ihrer Gravitationswirkung die gewöhnliche Materie zusammen hält.

Was aber hält das Universum zusammen? Einen größeren Teil dürfte die Dunkle Materie auf die Waage bringen. Der Begriff (Nomen est omen) bezeichnet ein oder mehrere Teilchen, die kaum mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, elektrisch neutral sind und zu den Schwergewichten des Teilchenzoos gehören. Physiker erwarten eine Ruhemasse von zwei Goldatomen. Der Spitzname WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ist gleichsam diffus, wimp bedeutet auch Schwächling.
Ein scheues WIMP

„Das Wort WIMP ist zunächst mal ein generischer Name für ein schwach wechselwirkendes, schweres Teilchen“, erklärte Prof. Josef Jochum, Teilchenphysiker an der Universität Tübingen, in einem Interview mit Drillingsraum.de. „Das sagt für einen Physiker noch nichts über die Natur dieses Teilchens aus, es sind einfach die Eigenschaften, die es haben müsste, um die Dunkle Materie zu erklären. Es muss schwer sein, schwerer als die bisher bekannten elementaren Teilchen, und es darf maximal schwach wechselwirken.“ Auch die Physiker am CDMS-II-Experiment gehen davon aus, dass selbst Schwächlinge wie das WIMP ein bisschen interagieren können. Unter den vier Naturkräften, der elektromagnetischen, der starken und schwachen Kernkraft sowie der Gravitation kommt nur die schwache Kernkraft als Belastungszeuge infrage. Die schwache Kernkraft ist für Wechselwirkungen innerhalb des Atomkerns verantwortlich. Sie spielt immer dann eine Rolle, wenn verschiedenartige Kernbausteine miteinander interagieren. Dafür müssen sie sich dicht auf den Pelz rücken: Erst in den extrem dicht gepackten Atomkernen kann die schwache Kernkraft wirken.

Die Nadel im Heuhaufen
Wie bekommt man den Schwächling WIMP dicht an einen Atomkern heran? Nur mit Geduld. Massereiche WIMPs durchdringen uns und jede „normale“ Materie. Nur sehr selten stoßen sie mit einem Atomkern zusammen. In diesem Moment fängt der Kern an zu schwingen. Das lässt sich nur beobachten, wenn es gelingt, alle Störeffekte effektiv auszublenden oder herauszurechnen.

Für ihre Ergebnisse verarbeiteten Z. Ahmed und seine Kollegen Daten, die sie zwei Jahre lang gesammelt hatten. Theoretisch hätten in dieser Zeit 0,8 Stöße mit WIMPs detektiert werden müssen. Die Forscher entdeckten sogar zwei, also eigentlich zu viele. Das kann bedeuten, dass ihre Annahmen nicht stimmen oder einer der Treffer ein Fehlalarm ist. Vor allem sind zwei Messpunkte nicht wissenschaftlich relevant. Dies stellen die Forscher klar. Erst wenn sie eine ausreichende Zahl an Messdaten beisammen hätten, dürfe man sicher sein, das WIMP tatsächlich gefunden zu haben. Dafür wollen sie ihr Experiment zur SuperCDMS ausbauen, die ab Mitte 2010 dreimal genauer nach Stößen fahnden soll.

Bis es soweit ist, hofft das Forscherteam auf die Kollegen. Dabei schauen sie besonders zum Weltraumteleskop PAMELA, das galaktische Dunkle Materie im Visier hat, und nach Genf. Am erst im Dezember 2009 angefahrenen europäischen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) könnten bei der Kollision von Protonen auch WIMPs entstehen.

Raumcon:

• Dunkle Materie
• PAMELA / Resurs-DK auf Sojous U

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA / JPL.

Nach dem Rechnerneustart wurde der MRO automatisch in einen Zustand eingeschränkter Aktivität, den sogenannten Sicherheitsmodus, versetzt, so wie es die Programmierung der den Mars seit dem 10. März 2006 umkreisenden Raumsonde vorsieht. Wie das Jet Propulsion Laboratory (JPL) aus Pasadena, Kalifornien am 25. Februar 2009 mitteilte, gab es anschließend keinen weiteren Neustart.

Zum Raumfahrzeug besteht Verbindung, und das Kontrollzentrum ist in der Lage, es zu steuern. Ohne Schwierigkeiten war es möglich, die Datenrate der Kommunikation mit dem MRO nach dem Rechnerneustart von einem automatisch gewählten niedrigen Wert wieder heraufzuschalten. Die zwei Akkumulatoren mit Nickelmetallhydrid-Zellen sind ausreichend geladen, und die Solarpaneele erzeugen Strom. Behutsam und vorsichtig soll der normale Betriebszustand wieder hergestellt werden, was einige Tage in Anspruch nehmen wird. In der kommenden Woche soll der MRO wieder wie gewohnt eingesetzt werden können, um die Marsoberfläche zu kartieren, nach Eis und Wasser zu suchen und als Relaisstation für Marslander und Rover zu arbeiten.

Ein möglicherweise falscher Messwert im Stromversorgungssystem des MRO könnte den Rechnerneustart ausgelöst haben. Die Telemetrie-Daten der Sonde zeigen einen kurzeitigen Anstieg des Stromverbrauchs. Zwischen 200 Nanosekunden und 41 Sekunden könnte der Zustand angehalten haben. Als eine mögliche Ursache für eine wahrscheinlich falsche Spannungsmessung kommt kosmische Strahlung in Frage, die, wenn sie mindestens 9 Mikrosekunden angehalten hat, den Neustart hätte initiieren können.

Der Neustart fand am 23. Februar 2009 um 13:25 Uhr MEZ statt, als sich der MRO von der Erde aus betrachtet hinter dem Mars befand. Seit seinem Start ins All am 12. August 2005 hat sich der MRO bereits vier Mal in den Sicherheitsmodus versetzt. Die Symptome des aktuellen Ereignisses ähneln nach aktuellem Kenntnisstand aber nicht denen der früheren Ereignisse.

Update 4. März 2009:
Die NASA berichtete am 3. März 2009, dass man die volle Einsatzbereitschaft des MRO wiederhergestellt habe. Am 2. März 2009 seien die wissenschaftlichen Instrumente durch Kommandos vom Boden eingeschaltet worden, am 3. März 2009 sollen die Instrumente wieder ihre üblichen Beobachtungen aufgenommen haben, nachdem sie ihre jeweiligen Betriebsparameter erreicht hatten.

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