Es war einmal: der Urknall. Nachdem unser Universum wohl irgendwie entstanden war und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden hatten, dass es überhaupt einen Anfang gegeben hat, fanden sie auch heraus, dass die allerersten Elemente im Universum kurz nach dem Urknall entstanden sind, vor allem Wasserstoff und Helium. Doch wie ging es dann weiter?

Nun folgt das Ende des Anfangs: Es half dabei, dem Urknall-Modell zum wissenschaftlichen Durchbruch zu verhelfen. Dabei handelt es sich um ein Überbleibsel des Urknalls, das bis heute den ganzen Kosmos durchdringt – und dessen Entdeckung absoluter Zufall war: die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• AstroGeo Podcast
• Urknall

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Das Ende des Anfangs – was vom Urknall übrigblieb erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Technische Universität Wien 17. Mai 2023.

17. Mai 2023 – Die Relativitätstheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf kosmischer Skala erklären möchte – etwa die Gravitationswellen, die bei der Kollision von schwarzen Löchern entstehen. Die Quantentheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf Teilchenskala erklären möchte – etwa das Verhalten einzelner Elektronen im Atom. Beides miteinander auf völlig zufriedenstellende Weise zu verbinden, ist aber noch nicht gelungen. Die Suche nach einer „Quantentheorie der Gravitation“ gilt als eine der großen ungelösten Aufgaben der Wissenschaft.

Das liegt unter anderem daran, dass die Mathematik auf diesem Gebiet extrem kompliziert ist, und dass es gleichzeitig extrem schwierig ist, passende Experimente durchzuführen: Man müsste Situationen schaffen, in denen sowohl Phänomene der Relativitätstheorie eine wichtige Rolle spielen, etwa eine durch schwere Massen gekrümmte Raumzeit, und gleichzeitig Quanteneffekte sichtbar werden, zum Beispiel die kombinierte Teilchen- und Wellennatur von Licht.

An der TU Wien entwickelte man dafür nun einen neuen Zugang: Mit einem sogenannten „Quantensimulator“ geht man solchen Fragen auf den Grund: Man untersucht nicht das System, über das man eigentlich etwas lernen möchte (nämlich Quantenteilchen in einer gekrümmten Raumzeit), sondern erzeugt stattdessen ein „Modellsystem“, eine einfacher zu handhabende Simulation, aus der man dann durch Analogieschlüsse etwas über das eigentlich interessante System lernen kann. Dass dieser Quantensimulator ausgezeichnet funktioniert, konnte das Team nun zeigen. Die Ergebnisse der internationalen Kooperation mit der Universität Kreta, der Nanyang Technological University und der FU Berlin wurden nun im Fachjournal PNAS publiziert.

Von einem System etwas über ein anderes lernen
Die Grundidee hinter dem Quantensimulator ist einfach: Viele Systeme in der Quantenphysik ähneln einander. Auch wenn es sich um völlig unterschiedliche Teilchensorten handelt, oder um physikalische Systeme, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, kann es sein, dass die Systeme auf tieferer Ebene denselben Gesetzen und Gleichungen gehorchen. Das bedeutet, dass man über ein bestimmtes System etwas lernen kann, indem man ein anderes System untersucht.

„Wir nehmen also ein Quantensystem, von dem wir wissen, dass wir es im Experiment sehr gut kontrollieren und anpassen können“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „In unserem Fall sind das ultrakalte Atomwolken, die von einem Atomchip mit elektromagnetischen Feldern festgehalten und manipuliert werden.“ Wenn man diese Atomwolken auf geeignete Weise anpasst, sodass sich ihre Eigenschaften in ein anderes Quantensystem übersetzen lassen, kann man aus der Vermessung des Atomwolken-Modellsystem etwas über das andere System lernen – ähnlich wie man etwa aus der Schwingung einer Masse, die an einer Metallfeder befestigt ist, etwas über die Schwingung eines Pendels an einer Schnur lernen kann: Es sind zwei verschiedene physikalische Systeme, aber das eine lässt sich in das andere übersetzen.

Der Gravitationslinsen-Effekt
„Wir konnten nun zeigen, dass sich auf diese Weise ganz eindeutig Effekte hervorrufen lassen, mit denen man die Krümmung der Raumzeit nachstellen kann“, sagt Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) – Atominstitut der TU Wien, Erstautor des aktuellen Papers. Im Vakuum des Weltraums breitet sich Licht auf einem sogenannten „Lichtkegel“ aus: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, in gleichen Zeiten bewegt sich das Licht in jede Richtung gleich weit. Wenn das Licht allerdings durch schwere Massen beeinflusst wird, etwa durch die Gravitation der Sonne, dann werden diese Lichtkegel verbogen. Die Pfade, die das Licht zurücklegt, sind in einer gekrümmten Raumzeit nicht mehr perfekt gerade. Man spricht dann von einem „Gravitationslinsen-Effekt“.

Dasselbe kann man nun auch in den Atomwolken zeigen. An Stelle der Lichtgeschwindigkeit untersucht man dort die Schallgeschwindigkeit. „Nun haben wir also ein System, in dem es einen Effekt gibt, der einer Raumzeitkrümmung beziehungsweise einer Gravitationslinse entspricht, gleichzeitig handelt es sich aber um ein Quantensystem, das man mit Quantenfeldtheorien beschreiben kann“, sagt Mohammadamin Tajik. „Auf die Weise haben wir also ein völlig neues Werkzeug, um den Zusammenhang zwischen Relativitätstheorie und Quantentheorie zu untersuchen.“

Ein Modellsystem für Quanten Phänomene in gekrümmter Raum-Zeit
Die Experimente zeigen, dass die Form der Lichtkegel, Linseneffekte, Reflexionen und andere Phänomene in diesen Atomwolken genau auf dieselbe Weise demonstriert werden können, wie man das in relativistischen kosmischen Systemen erwarten würde. Das ist nicht nur interessant, um neue Daten für theoretische Grundlagenforschung zu generieren – auch in der Festkörperphysik und bei der Suche nach neuen Materialien stößt man auf Fragen, die eine ähnliche Struktur haben und daher von solchen Experimenten beantwortet werden können.

„Wir wollen diese Atomwolken nun noch besser steuern, damit wir noch weitreichendere Daten ermitteln können. So lassen sich etwa Wechselwirkungen zwischen den Teilchen noch ganz gezielt verändern“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Auf diese Weise kann der Quantensimulator physikalische Situationen nachstellen, die so kompliziert sind, dass man sie auch mit Supercomputern nicht berechnen kann.

Der Quantensimulator wird so zu einer neuen, zusätzlichen Informationsquelle für die Quantenforschung – zusätzlich zu theoretischen Berechnungen, Computersimulationen und direkten Experimenten. Das Forschungsteam hofft, bei der Untersuchung der Atomwolken auf neue, bisher vielleicht noch völlig unbekannte Phänomene zu stoßen, die auf kosmischer, relativistischer Skala ebenso stattfinden – aber ohne einen Blick auf winzige Teilchen vielleicht nie entdeckt worden wären.

Originalpublikation
M.Tajik et al., Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator, PNAS 120 (21), 2023., https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301287120,
https://arxiv.org/abs/2209.09132,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2209.09132.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Gekrümmte Raumzeit im Quanten-Simulator erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bayreuth.

21. April 2022 – In Ultrakurzpuls-Lasern können optische Solitonen besonders enge räumliche und zeitliche Verbindungen eingehen. Diese werden auch als ultrakurze „Solitonen-Moleküle“ bezeichnet, weil sie ähnlich wie die chemisch gebundenen Atome eines Moleküls stabil aneinander gekoppelt sind. Die Forschungsgruppe in Bayreuth verwendete einen weitverbreiteten Festkörperlaser aus einem mit Titanatomen versehenen Saphirkristall, um herauszufinden, wie diese Kopplung entsteht. Zunächst bewirkt ein einzelner vorauseilender Lichtblitz, dass die Atome im Kristallgitter des Saphirs in ultraschnelle Schwingungen geraten. Diese charakteristischen Schwingungen liegen im Terahertzbereich und klingen innerhalb von wenigen Pikosekunden wieder ab (eine Pikosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde). In dieser extrem kurzen Zeitspanne ändert sich der Brechungsindex des Kristalls. Folgt nun unmittelbar ein zweiter Lichtblitz und holt den ersten ein, so spürt er diese Veränderung: Er wird von den Atomschwingungen nicht nur leicht beeinflusst, sondern auch stabil an das vorausgehende Soliton gebunden. Ein „Solitonen-Molekül“ ist geboren.

„Der von uns entdeckte Mechanismus beruht auf den physikalischen Effekten der Raman-Streuung und Selbstfokussierung. Er erklärt eine Vielzahl von Phänomenen, die der Wissenschaft seit der Erfindung von Titan-Saphir-Lasern vor über 30 Jahren Rätsel aufgegeben haben. Das besonders Spannende an der Entdeckung ist dabei, dass wir die Dynamik der Solitonen während ihrer Erzeugung im Laserresonator jetzt dazu ausnutzen können, um atomare Bindungen in Materialien extrem schnell abzutasten. Die gesamte Messung eines sogenannten Intracavity-Raman-Spektrums dauert jetzt weniger als eine Tausendstel Sekunde. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, besonders schnelle chemisch-sensitive Mikroskope zu entwickeln, mit denen Materialien identifiziert werden können. Darüber hinaus eröffnet der Kopplungsmechanismus neue Strategien, um Lichtpulse durch Atombewegungen zu steuern und umgekehrt einzigartige Materialzustände durch Lichtpulse zu erzeugen“, erklärt Juniorprofessor Dr. Georg Herink, Leiter der Studie und Juniorprofessor für Ultraschnelle Dynamik an der Universität Bayreuth.

Parallel zur Analyse experimenteller Daten ist es den Forscher*innen gelungen, ein theoretisches Modell für die Solitonendynamik zu entwickeln. Das Modell ermöglicht es, die in Experimenten gewonnenen Beobachtungen zu erklären und neuartige Effekte von Atomschwingungen auf die Dynamik von Solitonen vorherzusagen. Die Wechselwirkungen von Solitonen in optischen Systemen und ihre Anwendungen für die Hochgeschwindigkeits-Spektroskopie werden gegenwärtig im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts FINTEC an der Universität Bayreuth untersucht.

Veröffentlichung:
Alexandra Völkel, Luca Nimmesgern, Adam Mielnik-Pyszczorski, Timo Wirth, Georg Herink: Intracavity Raman scattering couples soliton molecules with terahertz phonons. Nature Communications 13, 2066 (2022).

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag Atomare Terahertz-Schwingungen lösen das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

24. März 2022 – Mit Hilfe der hochmodernen kosmologischen Simulation Thesan hat ein internationales Team von Wissenschaftlern das frühe Universum simuliert, als die ersten Sterne zu leuchten begannen. Durch die Kombination eines Modells der Galaxienentstehung mit der Interaktion von Sternenlicht mit Gas und Staub liefern die Simulationen ein Bild der kosmischen Reionisierung mit dem höchsten Detailreichtum und über das größte Raumvolumen, das je erstellt wurde.

Alles begann vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem „Urknall“. Bald darauf wurde das junge Universum kalt und dunkel – zumindest bis einige hundert Millionen Jahre später die Schwerkraft genug Materie zu den ersten Sternen und Galaxien zusammengeballt hatte. Das Licht dieser ersten Sterne erwärmte das umgebende Gas und verwandelte es in ein heißes, ionisiertes Plasma – eine wichtige Phase, die als „kosmische Reionisation“ bekannt ist und zu der komplexen Struktur führte, die wir heute im Universum sehen.

Mit einer neuen Simulation namens Thesan, die gemeinsam von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA), des MIT und der Harvard University entwickelt wurde, können Wissenschaftler nun einen detaillierten Blick darauf werfen, wie sich das Universum während dieser entscheidenden Periode entwickelt haben könnte. Thesan, benannt nach der etruskischen Göttin der Morgenröte, soll die „kosmische Morgendämmerung“ und insbesondere die kosmische Reionisation simulieren. Die Rekonstruktion dieses Zeitraums ist eine große Herausforderung, da es sich dabei um äußerst komplizierte, chaotische Wechselwirkungen handelt, unter anderem zwischen Schwerkraft, Gas und Strahlung.

„Andere Simulationen konnten bisher nicht nachvollziehen, wie Galaxien das sie umgebende Gas im jungen Universum beeinflussen“, erklärt MPA-Wissenschaftler Enrico Garaldi seine Motivation, seit drei Jahren an diesem Projekt mitzuarbeiten. „Jetzt, nach all dieser Arbeit, freue ich mich, sagen zu können, dass Thesan die erste Simulation ist, die quantitativ erklärt, wie die ersten Galaxien das Gas in ihrer Umgebung verändern.“

Die Thesan-Simulation berechnet diese Wechselwirkungen mit der höchsten Detailgenauigkeit und über das größte Volumen aller bisherigen Simulationen. Dazu kombiniert sie ein realistisches Modell der Galaxienbildung mit einem Algorithmus, der die Wechselwirkung zwischen Licht und Gas verfolgt, sowie mit einem Modell für kosmischen Staub. Thesan hat einen Umfang von 300 Millionen Lichtjahren und simuliert eine Milliarde Jahre in der Entwicklung des Universums.

Bisher stimmen die Simulationen mit den wenigen Beobachtungen überein, die Astronomen vom frühen Universum haben. In dem Maße, in dem mehr Beobachtungen aus dieser Zeit gemacht werden, zum Beispiel mit dem kürzlich gestarteten James-Webb-Weltraumteleskop, kann Thesan dazu beitragen, diese Beobachtungen in den kosmischen Kontext einzuordnen.

„Thesan fungiert als Brücke zum frühen Universum“, sagt Aaron Smith, ein NASA-Einstein-Fellow am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. „Es soll als Simulation ein ideales Gegenstück für kommende Beobachtungseinrichtungen sein, die unser Verständnis des Kosmos grundlegend verändern werden.“

Um die kosmische Reionisation vollständig zu simulieren, versuchte das Team, so viele wichtige Bestandteile des frühen Universums wie möglich einzubeziehen. Sie starteten mit einem erfolgreichen Modell der Galaxienentstehung, das ihre Gruppen zuvor entwickelt hatten, Illustris-TNG. Dann entwickelten sie einen neuen Algorithmus, der berücksichtigt, wie das Licht von Galaxien und Sternen mit dem umgebenden Gas interagiert und dieses reionisiert.

„Thesan verfolgt, wie das Licht dieser ersten Galaxien in den ersten Milliarden Jahren mit dem Gas wechselwirkt und das Universum von neutral zu ionisiert umwandelt“, sagt Rahul Kannan vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Auf diese Weise können wir dem Reionisierungsprozess automatisch folgen.“ Schließlich erstellte das Team ein Modell für den kosmischen Staub und erhielt so ein Bild mit einzigartiger Genauigkeit für das frühe Universum. Dieses Modell soll beschreiben, wie winzige Materiekörnchen die Entstehung von Galaxien im frühen, dünn besiedelten Universum beeinflussen.

Nachdem das Team somit alle Bestandteile für die Simulation beisammen hatte, entwickelte es diese Bedingungen in der Zeit vorwärts und simulierte einen Ausschnitt des Universums. Dazu nutzten die Wissenschaftler den SuperMUC-NG am LRZ in Deutschland – einen der größten Supercomputer der Welt. 60.000 Rechenkerne führten hier gleichzeitig die Berechnungen von Thesan durch, was 30 Millionen CPU-Stunden entspricht (auf einem einzelnen Desktop-Rechner hätte dies 5.700 Jahre gedauert).

Die Simulationen ergeben das detaillierteste Bild der kosmischen Reionisierung über das größte Volumen des Weltraums aller existierenden Simulationen. Einige dieser Simulationen modellieren zwar große Entfernungen, aber mit relativ geringer Auflösung, während andere, detailliertere Simulationen keine großen Volumina abdecken.

„Wir haben diese Simulation nicht nur entwickelt, um selbst das frühe Universums besser zu verstehen, sondern für die gesamte Forschungsgemeinschaft“, betont Garaldi. „Deshalb werden wir bald die Simulationsdaten veröffentlichen, damit alle sie nutzen können! Die Simulation ist so reichhaltig und komplex, dass wir viele, viele Jahre brauchen würden, um sie vollständig zu analysieren.“

Originalveröffentlichungen

1. R. Kannan, E. Garaldi, A. Smith, R. Pakmor, V. Springel, M. Vogelsberger, L. Hernquist
   Introducing the thesan project: radiation-magnetohydrodynamic simulations of the epoch of reionization
   MNRAS, Volume 511, Issue 3, April 2022, Pages 4005–4030
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.00584
2. Enrico Garaldi, Rahul Kannan, Aaron Smith, Volker Springel, Rüdiger Pakmor, Mark Vogelsberger, Lars Hernquist
   The thesan project: properties of the intergalactic medium and its connection to reionization-era galaxies
   Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 14 February 2022
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.01628
3. A. Smith, R. Kannan, E. Garaldi, M. Vogelsberger, R. Pakmor, V. Springel, L. Hernquist
   The thesan project: Lyman-α emission and transmission during the Epoch of Reionization
   MNRAS, 24 March 2022
   Source: https://arxiv.org/abs/2110.02966

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

Der Beitrag Bisher größtes und detailliertestes Modell des frühen Universums erschien zuerst auf Raumfahrer.net.