Quelle: TU Graz 25. Januar 2023.

25. Januar 2023 – Europa erlebt seit Jahren eine schwere Dürre. Auf dem gesamten Kontinent ist der Grundwasserspiegel seit 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen zeitweilig ein anderes Bild vermitteln.

Den Beginn dieser angespannten Situation belegt eine Publikation von Eva Boergens in Geophysical Research Letters (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL087285) aus dem Jahr 2020. Darin stellte sie fest, dass es in den Sommermonaten 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Zentraleuropa gab. Seit damals gab es keinen signifikanten Anstieg der Grundwasserspiegel, die Pegel sind konstant niedrig. Das zeigen Datenauswertungen von Torsten Mayer-Gürr und Andreas Kvas vom Institut für Geodäsie an der TU Graz. Sie beobachteten im Rahmen des EU-Projekts Global Gravity-based Groundwater Product (G3P) mittels Satellitengravimetrie die weltweiten Grundwasservorkommen und dokumentierten deren Veränderungen in den vergangenen Jahren.

Weitreichende Folgen
Die Auswirkungen dieser langanhaltenden Dürre waren in Europa im Sommer 2022 evident. Trockene Flussbetten, stehende Gewässer, die zusehends verschwanden und damit einhergehend zahlreiche Auswirkungen auf Natur und Mensch. Nicht nur, dass zahlreiche Wasserlebewesen ihren Lebensraum verloren und trockene Böden der Landwirtschaft viele Probleme bereiteten, auch die Energieknappheit in Europa hat sich dadurch verschärft. Für Atomkraftwerke in Frankreich fehlte das Kühlwasser, um genügend Strom erzeugen zu können und Wasserkraftwerke konnten ohne ausreichend Wasser ihre Funktion ebenfalls nicht erfüllen.

Grundwassermessung aus dem Weltall
Wie können die Geodätinnen und Geodäten an der TU Graz mit Daten aus dem Weltall genaue Aussagen über die Grundwasserspeicher tätigen? Kernstück des Projekts G3P sind Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die in einer polaren Umlaufbahn in knapp 490 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Wichtig ist der Abstand zwischen den Satelliten von rund 200 Kilometern: Der hintere darf den vorderen nicht einholen, weswegen sie in Anlehnung an die Cartoon-Figuren auch die Bezeichnung Tom und Jerry erhalten haben.

Die Distanz zwischen den Satelliten wird laufend genau gemessen. Fliegen sie über einen Berg, dann ist der vordere Satellit aufgrund der erhöhten Masse unter ihm zunächst einmal schneller als der hintere. Hat er den Berg passiert, bremst er wieder leicht ab, dafür beschleunigt der hintere Satellit, sobald er den Berg erreicht. Sind beide jenseits des Berges, relativiert sich die Geschwindigkeit wieder. Diese Distanzänderungen über großen Massen sind die Hauptmessgrößen für die Bestimmung des Erdschwerefeldes und werden mikrometergenau bestimmt. Zum Vergleich: Ein Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick.

Monatliche Schwerekarte der Erde
Das alles geschieht bei einer Fluggeschwindigkeit von rund 30.000 km/h. So schaffen die beiden Satelliten 15 Erdumläufe am Tag, womit sie nach einem Monat eine komplette Abdeckung der Erdoberfläche erreichen. Das bedeutet wiederum, dass die TU Graz jeden Monat eine Schwerekarte der Erde liefern kann. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit etwa eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann Schwerefeldkarten.“, sagt Torsten Mayer-Gürr.

Masse minus Masse ergibt Masse
Mit der Schwerekarte ist die Menge des Grundwassers allerdings noch nicht ermittelt. Denn die Satelliten zeigen alle Massenänderungen an und machen keinen Unterschied zwischen Meer, Seen oder Grundwasser. Dafür braucht es die Kooperation mit allen anderen Partnern des EU-Projekts G3P. Torsten Mayer-Gürr und sein Team liefern die Gesamtmasse, davon werden dann die Massenänderungen in den Flüssen und den Seen abgezogen, die Bodenfeuchte, der Schnee und das Eis wird ebenfalls subtrahiert und letztendlich bleibt das Grundwasser übrig.

Für jede dieser anderen Massen gibt es eigene Expertinnen und Experten, die hier ihre Daten einbringen. Diese sitzen neben Österreich (TU Graz, TU Wien, Earth Observation Data Center EODC) in Deutschland (GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam), der Schweiz (Universität Bern, Universität Zürich), Frankreich (Collection Localisation Satellites CLS, Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales LEGOS, Magellium), Spanien (FutureWater), Finnland (Finnish Meteorological Institute) und in den Niederlanden (International Groundwater Resources Assessment Centre IGRAC).

Europa hat ein Wasserproblem
Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit zeigt, dass die Wassersituation in Europa mittlerweile sehr prekär geworden ist. Torsten Mayer-Gürr hatte dies in so einem Ausmaß nicht erwartet. „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser hier in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland oder Österreich. Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, erklärt er. Aus seiner Sicht ist es zunächst einmal notwendig, die sich fortsetzende Dürre auch mit Daten belegen zu können und fortlaufende Satellitenmission dazu im All zu haben.

Die europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-Pendant NASA werden diese Forschungen mit dem Projekt MAGIC (Mass-change And Geoscience International Constellation) fortsetzen. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz wieder mit an Bord sein.

Weitere Informationen zur Satellitengeodäsie im Artikel „Katze jagt Maus im All“:
https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/tu-graz-screenshots/einzelansicht/article/katze-jagt-maus-im-weltall/

Informationen zum Projekt G3P:
https://www.g3p.eu/

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• Klimawandel

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Quelle: ESA 23. November 2022.

Auf der am 22. und 23. November in Paris abgehaltenen ESA-Ratstagung auf Ministerebene haben die Minister der ESA-Mitgliedstaaten, der assoziierten Mitglieder und der kooperierenden Staaten gemeinsam die Stärkung der Ambitionen Europas in der Raumfahrt beschlossen, wodurch kontinuierliche gemeinschaftliche Anstrengungen im Dienste der europäischen Bürger gewährleistet werden.

Die Minister bestätigten, dass ein eigenständiger Zugang Europas zum Weltraum unerlässlich ist, um den Nutzen der Raumfahrt für das Leben auf der Erde – einschließlich der Überwachung und Eindämmung des Klimawandels, sicherer Kommunikation und Navigation unter europäischer Kontrolle und rascher und resilienter Krisenbewältigung – sicherzustellen.

Mit seinem Engagement für die künftige Weltraumexploration hat sich Europa zudem verpflichtet, das wissenschaftliche Verständnis zu erweitern, sein Potenzial auszuschöpfen und seine Fähigkeiten über Generationen hinweg zu erhalten. Die ESA setzt sich für die Gewährleistung der Sicherheit grundlegender weltraumgestützter Dienste und eines verantwortungsvollen Managements der Erdumlaufbahn ein.

ESA-Generaldirektor Josef Aschbacher: „In wirtschaftlichen Krisenzeiten ist es wichtig, mit Bedacht in Branchen zu investieren, die Arbeitsplätze und Wohlstand in Europa schaffen. Mit diesen Investitionen bauen wir ein Europa auf, dessen Raumfahrtagenda seine politische und künftige wirtschaftliche Stärke widerspiegelt. Wir fördern die Raumfahrt in Europa und läuten eine neue, von Ambitionen, Entschlossenheit, Stärke und Stolz geprägte Ära ein. Klima und Nachhaltigkeit sind hierbei auch weiterhin die höchste Priorität der ESA, unsere Wissenschaft und Exploration werden die nächste Generation inspirieren, und wir werden einen Ort schaffen, an dem europäische Raumfahrtunternehmen gedeihen.“

Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz, erklärte als Vorsitzender des ESA-Rates auf Ministerebene: „Auf der heutigen ESA-Ratstagung auf Ministerebene haben wir gemeinsam mit allen Ministern der ESA-Mitgliedstaaten eine weitere Etappe zur Stärkung der europäischen Weltrauminfrastruktur erreicht, auf die sich alle Bürger täglich stützen und die von Klimaüberwachungssatelliten über Navigation bis zu Telekommunikation reicht.

Zudem haben wir eine Reihe wichtiger Vorhaben genehmigt, die unsere Umlaufbahnen schützen, junge Menschen inspirieren, kleinen und großen Unternehmen Erfolgschancen in Europa bieten und unseren Ruf als Hightech-Region, die für Talente attraktiv ist, weiter stärken. Durch gemeinsames Handeln können wir insbesondere in schwierigen Zeiten sicherstellen, dass Europa in Wissenschaft, Technologie und Nachhaltigkeit auch weiterhin führend bleibt.“

Klimapolitik bleibt hohe Priorität der ESA-Mitgliedstaaten
Die Minister kamen überein, dem Erdbeobachtungsprogramm der ESA 2,7 Mrd. Euro zuzuweisen. Dies umfasst Mittel für das weltweit führende Geowissenschafts-, Forschungs- und Entwicklungsprogramm der ESA, FutureEO, in dessen Rahmen Innovationen genutzt und bahnbrechende Missionen entwickelt sowie innovative Wege für den Einsatz von Erdbeobachtungsdaten gefördert werden.

Dabei haben sie sich zu Folgendem verpflichtet: dem weiteren Ausbau der Kontinuität der Weltraumkomponente des Copernicus-Programms auf der Grundlage neu ermittelten Bedarfs, der operationellen Mission „Aeolus-2″ zur Messung der globalen Windgeschwindigkeiten und Verbesserung der Wettervorhersage, der verstärkten Überwachung neuer essenzieller Klimavariablen und der Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, der Initiative „InCubed-2″ zur Unterstützung der Kommerzialisierung in der Erdbeobachtungsindustrie, der Entwicklung eines digitalen Zwillings der Erde unter Nutzung von Hochleistungs- und Cloud-Computing oder künstlicher Intelligenz, der weiteren Entwicklung der Mission „TRUTHS“, mit der die gegenseitige Kalibrierung von Daten verschiedener Klimamissionen, die kritischen Modellen zugrunde liegen, sichergestellt wird, der Ausweitung der von Dritten finanzierten Erdbeobachtungsmissionen und der Sicherung grundlegender langfristiger Klimadaten.

Sie gaben grünes Licht für zwei ehrgeizige Missionen: die nächste ESA-Erdforschungsmission „Harmony„, die die Bereitstellung innovativer Daten zur Beantwortung kritischer Fragen im Zusammenhang mit Meeres-, Eis- und Landveränderungen verspricht, die sich unmittelbar auf die Risikoüberwachung, Wasser- und Energieressourcen, die Ernährungssicherheit und den Klimawandel auswirken, sowie die Gravitationsmission „MAGIC“ zur Beobachtung des Wasservolumens in Ozeanen, Eisschichten und Gletschern für ein besseres Verständnis der Veränderungen des Meeresspiegels sowie die Verbesserung des Wassermanagements.

Wissenschaft festigt weltweite Führungsrolle
Mit einem Haushalt von 3,2 Mrd. Euro für das Wissenschaftliche Programm führt die ESA die Missionen ihres Programms „Kosmische Vision“ durch und bereitet zugleich das neue Weltraumwissenschaftsprogramm „Voyage 2050″ vor, das die Vision der ESA auf dem Gebiet der Wissenschaft im Zeitraum 2035–2050 definiert. Die Mitgliedstaaten bestätigten die weltweit führende Rolle des Wissenschaftlichen Programms, räumten jedoch ein, dass die schwierige Wirtschaftslage das Potenzial für umfangreiche Mittelerhöhungen untergräbt.

Mit „JUICE“ und „Euclid“ sind zwei ehrgeizige Missionen, die Europas Führungsrolle und Zusammenarbeit verkörpern, im Jahr 2023 pünktlich zum Start bereit. „JUICE“ wird Jupiter und seine ozeanhaltigen Eismonde erforschen und untersuchen, wo sonst im Sonnensystem Leben entstanden sein könnte. Mit „Euclid“ wird ein Großteil des Universums kartiert, wobei Milliarden von Galaxien in über 10 Milliarden Jahren kosmischer Zeit beobachtet werden, um die Geheimnisse der rätselhaften Dunkelmaterie und dunklen Energie zu entschlüsseln, die zusammen 95 % des Universums ausmachen.

Mit den bereitgestellten Finanzmitteln wird die Entwicklung der weltweit führenden ESA-Missionen „Plato“ und „Ariel“ zur Untersuchung extrasolarer Planeten fortgesetzt, die 2026 bzw. 2029 gestartet werden sollen. Im Rahmen von „Ariel“ wird die neue schnelle ESA-Mission „Comet Interceptor“ gestartet, die drei Raumfahrzeuge umfasst und als erste Mission überhaupt zu einem völlig unberührten Kometen – einem interstellaren Gegenstand, dessen Reise in das innere Sonnensystem gerade erst begonnen hat – aufbrechen wird.

Stärkung des Explorationsprogramms der ESA und Bestätigung des Rovers „Rosalind Franklin„
Die Exploration des Weltraums bietet eine einzigartige Kombination aus bahnbrechender Wissenschaft, technologischer Innovation und Inspiration für die nächste Generation. Die Minister genehmigten 2,7 Mrd. Euro für die nächste Phase des neuen Weltraumexplorationsprogramms der ESA, „Terrae Novae“, das sich auf die drei Ziele niedrige Erdumlaufbahn, Mond und Mars konzentriert. „Terrae Novae“ stellt den Beginn von Europas Reise in das Sonnensystem mit Robotern als Wegbereiter und Kundschafter dar.

Die Minister beschlossen ferner, die europäische Beteiligung an der Internationalen Raumstation bis 2030 zu verlängern, wodurch ESA-Astronauten auch weiterhin die Möglichkeit haben, an Bord des europäischen Forschungslabors Columbus in der Erdumlaufbahn zu arbeiten.

Das nächste Ziel ist der Mond, wobei mit Europas großem Logistiklandegerät „Argonaut“ als wichtigstem neuen genehmigten Bestandteil in den 2030er Jahren regelmäßig wissenschaftliche Nutzlasten und Fracht zum Mond transportiert werden können. Die Minister kamen zudem überein, die Arbeiten am nächsten Los europäischer Versorgungsmodule einzuleiten. Mit diesen Bestandteilen wird Europas wesentliche Rolle beim Artemis-Programm gestärkt, wobei auch Flüge von drei ESA-Astronauten zum Lunar Gateway vorgesehen sind, und die Exploration der Mondoberfläche gefördert, wodurch die Möglichkeit für einen ESA-Astronauten eröffnet wird, einen Fuß auf die Mondoberfläche zu setzen. Die ESA wird die Arbeiten an ihren Bestandteilen für das Gateway fortsetzen und auch die Entwicklung internationaler Monddienste mit dem Satelliten „Lunar Pathfinder“ weiter unterstützen.

Mit Blick auf die Exploration des Mars und intensiver Unterstützung der Wissenschaftskreise wurde der Beschluss gefasst, ein europäisches Landegerät zu bauen, mit dem der Rover „Rosalind Franklin“ auf die Marsoberfläche gebracht werden soll, um zu untersuchen, ob in den alten Seen des Roten Planeten Spuren von Leben zu finden sind.

Für die Zusammenarbeit der ESA mit der NASA bei der Rückführung von Mars-Bodenproben wurde die nächste Etappe des kühnen Plans zur ersten Rückführung von Bodenproben von einem anderen Planeten bestätigt. Nach dem jüngsten Abschluss der Entwurfsarbeiten wird die vollständige Entwicklung des riesigen Rückflugorbiters und des komplexen Probentransferarms für das Landegerät zur Einholung von Bodenproben in Angriff genommen. Die ersten Mars-Bodenproben wurden vor kurzem vom Rover „Perseverance“ aufgenommen.

Stärkung von Konnektivität, Sicherheit und Nachhaltigkeit aus dem Weltraum
Rund 1,9 Mrd. Euro wurden für die Verbesserung des Lebens auf der Erde durch eine ständig und überall verfügbare Konnektivität bereitgestellt. Der größte Teil wird für das ESA-Programm für fortgeschrittene Forschung zu Telekommunikationssystemen (ARTES) aufgewandt, mit dem Innovationen in der europäischen Raumfahrtindustrie gefördert werden sollen, um Unternehmen auf dem hart umkämpften Weltmarkt für Telekommunikationssatelliten und deren Anwendungen zum Erfolg zu verhelfen.

Der erste Schritt für die Errichtung eines Systems für sichere Konnektivität unter Federführung der EU wurde mit der Finanzierung eines neuen ESA-Programms getan. Nach festen Beitragszusagen in Höhe von 35 Mio. Euro für die erste Phase kann die ESA vorbereitende Tätigkeiten einleiten, die in der Entwicklung und Validierung einer europäischen Satellitenkonstellation für sichere Konnektivität münden werden. Die zweite Phase mit einem Mittelvolumen von 685 Mio. Euro soll 2023 bestätigt werden.

Weitere finanzierte Pläne umfassen das ESA-Programm Moonlight, mit dem private europäische Raumfahrtunternehmen durch die Errichtung einer Satellitenkonstellation in der Mondumlaufbahn dazu ermutigt werden sollen, Mondtelekommunikations- und -navigationsdienste anzubieten, sowie ein neues Programm für weltraumgestützte zivile Sicherheit, das schnelle und resiliente weltraumgestützte Maßnahmen für ein Krisenmanagement in Echtzeit im Dienste der europäischen Bürger umfasst.

Künftige Navigationstechnologien erhalten grünes Licht
Auf der Grundlage der von ihr bei der Entwicklung von Galileo und des Europäischen Geostationären Navigationsüberlagerungsdienstes für die Europäische Kommission gewonnenen Erfahrungen wird das Programm FutureNAV der ESA gestatten, künftigen Tendenzen und dem Bedarf der Satellitennavigation in den Bereichen Ortung, Navigation und Zeitgebung gerecht zu werden und Europa damit auch weiterhin eine Führungsrolle bei der Satellitennavigationstechnologie zu ermöglichen. Die nächsten Schritte umfassen eine orbitale Demonstration von Navigationssatelliten in niedriger Erdumlaufbahn sowie eine Einzelsatellitenmission mit der Bezeichnung „GENESIS“ zur Erzielung einer bislang unerreichten Vermessung der Erde und verbesserter Ortungsleistungen.

Das Budget für die Navigation ist somit auf 351 Mio. Euro gestiegen. Darüber hinaus wird das ESA-Programm für Innovationen und Unterstützung im Bereich der Navigation weiterhin die Entwicklung innovativer Ortungs-, Navigations- und Zeitgebungstechnologien und die Kommerzialisierung in Europa, dem größten und weiter stetig wachsenden nachgelagerten Raumfahrtmarkt, fördern.

Weltraumsicherheit für fortschrittliche Missionen und Technologien
Mit einem Haushalt von 731 Mio. Euro wird das Programm für Weltraumsicherheit seine Anstrengungen zum Schutz der Erde vor Gefahren aus dem Weltraum weiter verstärken können – mit „Vigil“ zur Überwachung der Sonnenaktivität, der Sonde „Hera“ zur detaillierten Untersuchung des Asteroiden Dimorphos nach einem Einschlag und der ersten Entfernung von Raumfahrtrückständen aus der Umlaufbahn, die für 2026 geplant ist.

Das Programm wird ferner einen wertvollen neuen Markt für die orbitale Wartung erschließen und Technologien zur Gewährleistung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft im Weltraum entwickeln.

Raumtransport wird solider und ökologisch nachhaltiger
Der ESA-Haushalt für den Raumtransport wurde auf 2,8 Mrd. Euro erhöht. Die ESA wird ihre Träger Ariane-6 und Vega-C weiter stärken, die Entwicklung des wiederverwendbaren „Space Rider“ abschließen, der mehr als zwei Monate in der niedrigen Erdumlaufbahn verbringen kann, bevor er zur Überholung zur Erde zurückkehrt, und ein System zur Gewinnung von grünem Wasserstoff zur Treibstoffversorgung der Ariane-Träger in Europas Raumflughafen in Französisch-Guayana entwickeln, wobei das Ziel ist, bis 2030 die Kohlenstoffe aus der Wasserstoffproduktion zu verbannen. Sie wird weiterhin kritische Technologien als Grundlage europäischer Kapazitäten ausreifen, gleichzeitig den Anforderungen in Bezug auf ökologische Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz gerecht werden und Vorbereitungstätigkeiten für den Aufbau bemannter Raumtransportkapazitäten in die Wege leiten. Ferner wird die ESA ihr Programm „Boost!“ ausbauen, das Raumfahrtunternehmen bei der kommerziellen Umsetzung ihrer Raumtransportvorhaben unterstützt.

Neudimensionierung der europäischen Technologien und Förderung der Kommerzialisierung
Der ESA-Haushalt für den Technologiebereich wurde auf 542 Mio. Euro aufgestockt. Die Minister haben die Inangriffnahme eines neuen ESA-Programms namens „ScaleUp“ zur Unterstützung der Kommerzialisierung der Raumfahrt und der Entwicklung des NewSpace-Sektors in Europa beschlossen. Die ESA wird mit europäischen Raumfahrtunternehmen zusammenarbeiten, um mithilfe der Bestandteile „Entwicklung“, „Herstellung“ und „Flug“ ihres Allgemeinen Programms für Begleitende Technologie (GSTP) neue Technologien auf ein für die Raumfahrt und den offenen Markt geeignetes Niveau zu bringen. Die ESA wird ihre unabhängige und zuverlässige Kapazität für den Start aller Arten von Missionen weiter ausbauen, indem sie in neue, von der europäischen Industrie entwickelte Multimissionsinfrastrukturen und Bodensegmentkapazitäten der nächsten Generation investiert.

Mit ihrem Scale-Up-Programm wird die ESA außerdem darauf hinarbeiten, Europa durch die Bereitstellung von Gründerzentren, Geschäfts-Acceleratoren sowie Diensten für den Transfer von geistigem Eigentum und Technologien an neue Unternehmen zu einem Drehkreuz für die Kommerzialisierung der Raumfahrt zu machen und gleichzeitig sicherzustellen, dass Geschäftsideen auf neuen Märkten Fuß fassen und private und institutionelle Investitionen anziehen.

Die vollständige Liste der auf der ESA-Ratstagung auf Ministerebene 2022 gefassten Beschlüsse einschließlich der genauen Höhe ihrer Finanzierung durch jeden Mitgliedstaat ist den folgenden Vorlagen zu entnehmen: Entschließung Nr. 1, Entschließung Nr. 2, Entschließung Nr. 4, Übersichten, Präsentation des Generaldirektors.

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• ESA Ministerratskonferenz 2022 Paris
• ESA

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Quelle: TU Dortmund.

19. April 2022 – Es handelt sich dabei um die erste Nova, bei der solch energiereiche Strahlungen nachgewiesen wurden. Das Ereignis könnte neue Erkenntnisse über diese Art von Explosionen und die mögliche Rolle liefern, die sie bei der Erzeugung der mysteriösen hochenergetischen kosmischen Strahlung spielen, die unsere Milchstraße durchdringt. Die Ergebnisse der Forscher*innen wurden jüngst in der renommierten Fachzeitschrift Nature Astronomy publiziert.

Wenn ein Stern stirbt, dehnt er sich zunächst zu einem Roten Riesenstern aus und kollabiert dann zu einer Sternenleiche, einem Weißen Zwerg. Dieser besteht aus einem sehr dichten Material: ein Teelöffel davon würde etwa eine Tonne wiegen. Unter bestimmten Umständen können diese Sternleichen noch einmal gigantische Explosionen hervorrufen: Wenn der Weiße Zwerg einen Begleiter hat, der seinerseits in die Phase des Roten Riesen übergeht, kann der Wasserstoff aus den ausgedehnten äußeren Schichten des Riesen der enormen Anziehungskraft des dichten Zwergs erliegen und sich auf dessen Oberfläche ansammeln. Der „tote“ Stern entzieht dem aktiven Stern also Gas und wird deshalb auch „Vampirstern“ genannt. Vereinzelt kann es in solchen Systemen sogar zu Kernexplosionen auf der Oberfläche kommen, die einen Großteil des Wasserstoffs und der Fusionsprodukte ins All schleudern. Da die Explosion extrem hell ist, wird der Vorgang auch „stella nova“ (neuer Stern, kurz „Nova“) genannt. In manchen Fällen wiederholt sich der Gastransfer und damit auch der Nova-Ausbruch. Das wird als wiederkehrende Nova bezeichnet.

Extrem energiereiche Gammastrahlen
Eine dieser wiederkehrenden Novae ist das Objekt RS Ophiuchi in unserer Milchstraße, für das die nächste Explosion im vergangenen Jahr erwartet worden war. Am 8. August 2021 konnten Teleskope dann tatsächlich das Licht der Explosion entdecken. Einen Tag später richteten Astronom*innen der MAGIC-Kollaboration, einem internationalen Zusammenschluss von rund 160 Wissenschaftler*innen, ihre Teleskope auf die laufende Eruption aus. Bei den Teleskopen handelt es sich um ein System aus zwei bildgebenden Luft-Tscherenkov-Teleskopen mit 17 m Durchmesser. Dank der guten Beobachtungsbedingungen auf La Palma und der einzigartigen Empfindlichkeit des MAGIC-Systems konnten bei der Nova extrem energiereiche Gammastrahlen nachgewiesen werden, die auf Beschleunigungen von Protonen zurückgeführt werden konnten. „Die Beobachtung von Himmelsobjekten bei derartig großen Energien öffnet einzigartige Fenster ins extreme Universum. Wir können so die Prozesse, bei denen im Universum Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die deutlich größer sind als in irdischen Experimenten, im Detail studieren“, erklärt Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik und Mitglied im Lenkungsausschuss der MAGIC-Kollaboration.

Novaausbrüche sind für sich genommen weniger energiereich als ihre Schwestern – Supernovae, bei denen ein ganzer Stern in einer Explosion zerrissen wird – kommen aber viel häufiger vor. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Großteil der hochenergetischen kosmischen Strahlung, die die Milchstraße durchdringt, zwar wahrscheinlich aus anderen Quellen stammt, dass aber Novae anscheinend überraschend effizient lokale Regionen mit einer Überdichte an kosmischer Strahlung in ihrer Nachbarschaft erzeugen. Um solche explosiven Ereignisse vollständig zu verstehen, sind weitere Beobachtungen erforderlich. Die Arbeitsgruppen an der TU Dortmund beteiligen sich daran insbesondere mit Detektorsimulationen sowie der Entwicklung von intelligenter Analysesoftware. Seit Januar 2022 widmen sich außerdem Forschende der TU Dortmund, der Ruhr-Uni Bochum und der Universität Wuppertal im Sonderforschungsbereich (SFB) 1491 dem Verständnis der Vorgänge bei der kosmischen Wechselwirkung von verschiedenen Materieformen. „Erst das interdisziplinäre Zusammenspiel aus Teilchenphysik, Astrophysik, Plasmaphysik und Datenwissenschaften macht fundamentale Durchbrüche möglich“, sagt Prof. Wolfgang Rhode, Professor für Astroteilchenphysik an der TU Dortmund und Co-Sprecher des SFB 1491.

Originalpublikation:
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

Der Beitrag Heftige Explosion auf „Vampirstern“ erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

14. April 2022 – Licht an, Licht aus – so könnte man das Verhalten der Nova beschreiben, die auf den Namen RS Ophiuchi (RS Oph) hört. Alle etwa 15 Jahre kommt es im Sternbild des Schlangenträgers zu einer dramatischen Explosion. Geburtsort einer Nova sind Systeme, in denen zwei sehr unterschiedliche Sterne in einer parasitären Paarbeziehung leben: Ein weißer Zwerg, ein kleiner, ausgebrannter und ungeheuer dichter Stern – ein Teelöffel seiner Materie wiegt ungefähr 1 Tonne – umkreist einen roten Riesen, einen alten Stern, der bald verglühen wird.

Der sterbende Riesenstern füttert den Weißen Zwerg mit Materie: Er stößt seine äußere Wasserstoffschicht ab, das Gas strömt auf den nahen Weißen Zwerg. Dieser Materiefluss hält an, bis der Winzling sich „überfrisst“ und zu heiß wird. Die Temperatur und der Druck in den neu gewonnen Sternhüllen sind dann so groß, dass sie in einer gigantischen thermonuklearen Explosion weggeschleudert werden. Der Zwergstern bleibt dabei erhalten und der Kreislauf beginnt von Neuem – bis sich das Spektakel wiederholt.

Explosion im hohen Energiebereich
Dass bei solchen Explosionen hohe Energien im Spiel sind, war vermutet worden. Die beiden MAGIC-Teleskope zeichneten Gammastrahlen mit dem Wert von 250 Gigaelektronenvolt (GeV) auf, mit die höchsten Energien, die je bei einer Nova gemessen wurden. Zum Vergleich: Die Strahlung ist hundert Milliarden Mal energiereicher als das sichtbare Licht.

MAGIC beobachtete die Nova nach Meldungen von Instrumenten, die auf andere Wellenlängen spezialisiert sind. „Der dramatische Ausbruch der Nova RS-Oph zeigt, dass sich die kurze Reaktionszeit der MAGIC-Teleskope auszahlt: Sie brauchen höchstens 30 Sekunden, um sich auf ein neues Ziel auszurichten“, sagt David Green, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und einer der Autoren der Beitrags.

Nach der Explosion breiteten sich mehrere Stoßfronten im Sternwind des Roten Riesen und im interstellaren Medium aus, welches das Doppelstern-System umgibt. Diese Schockwellen sind ein natürlicher Teilchenbeschleuniger, also ein riesiges Kraftwerk, das Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringt. Die kombinierten Messdaten legen nahe, dass die Gammastrahlen von energiereichen Protonen, Kernen von Wasserstoffatomen, ausgehen.

Beschleunigte Protonen Teil der kosmischen Strahlung
„Damit kommen Nova-Ausbrüche auch als Quelle für die kosmische Strahlung in Frage“, erklärt David Green. „Allerdings spielen sie dabei eher die Rolle von Lokalmatadoren. Das heißt, sie tragen nur in ihrer unmittelbaren Umgebung zur kosmischen Strahlung bei. Die Hauptakteure der kosmischen Strahlung sind Supernova-Überreste. Die Schockwellen, die von dieser Art Sternexplosion ausgehen, sind bedeutend heftiger als bei einer Nova.“

Um das komplizierte Zusammenspiel von energiereichen Himmelsereignissen und dem interstellaren Medium in der Milchstraße vollständig zu verstehen, brauchen wir weitere Beobachtungen wie die aktuell veröffentlichten. Die MAGIC-Kollaboration wird daher auch in Zukunft Ausschau nach „unruhigen“ Objekten in unserer Galaxie – und darüber hinaus – halten.

Publikation
Proton acceleration in thermonuclear nova explosions revealed by gamma rays
The MAGIC Collaboration
Nature Astronomy
DOI: 10.1038/s41550-022-01640-z
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01640-z

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik.

Der Gammablitz, den die beiden MAGIC-Teleskope am 14. Januar 2019 aufzeichneten, war spektakulär: Noch nie haben Astrophysiker einen Gammablitz mit so hoher Energie erfasst – hunderte von Milliarden mal stärker als die von sichtbarem Licht. Dabei fing MAGIC den Gammablitz erst ein, als dieser bereits nachglühte, also seine Energie schwächer wurde. Daraus schließen die Wissenschaftler*innen, dass im Afterglow von Gammablitzen andere physikalische Mechanismen am Werk sind als bisher angenommen.

Mit der Beobachtung von GRB 190114c, so die astrophysikalische Bezeichnung, konnte der MAGIC-Forschungsverbund nachweisen, was Astrophysiker*innen lange vermutet hatten: Dass Gammablitze im Teraelektronenvolt (TeV)-Bereich leuchten – dem allerhöchsten Energiebereich (1).

Für etwa 30 Sekunden war das Nachglühen (Afterglow) des Gammablitzes mehr als 100 Mal so stark wie der Krebsnebel, die hellste bekannte Quelle in unserer Galaxie. Danach schwächte sich das Signal relativ schnell ab. Schon nach einer halben Stunde konnte MAGIC keine Emissionen mehr messen.

Schnell am richtigen Ort
Das Energiemonster wurde zunächst von den Satelliten Swift und Fermi gesichtet. Nach 22 Sekunden alarmierten die beiden Späher der US-Raumfahrtbehörde NASA verschiedene Teleskope, darunter auch das MAGIC-Duo auf La Palma mit jeweils 17 Metern Spiegel-Durchmesser.

Gammablitze von der Erde aus anzupeilen ist eine schwierige Aufgabe, wie Razmik Mirzoyan, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und Sprecher des MAGIC-Forschungsverbundes, erklärt: „Diese Objekte können jederzeit irgendwo am Himmel aufleuchten – und rasch wieder verschwinden. Deswegen setzen die MAGIC-Teleskope auf ein vollautomatisiertes System, um Satellitensignale zu verarbeiten.“

Wenn ein Himmelskörper von ihrem Standort aus zu sehen ist, lassen sich die Teleskope mit einem leistungsstarken Antrieb sehr schnell in Position bringen. „Trotz ihres Gewichts von jeweils 64 Tonnen können die Teleskope in kürzester Zeit auf neue Himmelsziele einschwenken – beim aktuellen Gammablitz waren es nur 27 Sekunden nach dem ersten Alarm“, sagt Mirzoyan.

Nur wenige Stunden später begannen mehr als zwei Dutzend weitere Instrumente damit, das Himmelsereignis zu verfolgen. Mit Beobachtungen vom Radiofrequenz-Bereich bis hin zu Gammastrahlen haben Wissenschaftler*innen jetzt ein detailreiches Bild von diesem Gamma-Ausbruch. Mithilfe optischer Teleskope ließ sich auch die Entfernung von GRB190114c taxieren: Für kosmische Maßstäbe ereignete sich der Gammablitz sozusagen „um die Ecke“ in einer etwa 4,5 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie

Was treibt die Energie auf Rekordwerte?
Auch 50 Jahre nach ihrer ersten Beobachtung ist unklar, welche physikalischen Prozesse sich bei Gammablitzen abspielen. Dass Gammablitze derart energiereiche Photonen aussenden, hatten einige theoretische Modelle vorhergesagt; der Nachweis war aber bis zur aktuellen Entdeckung ausgeblieben. Doch welcher Mechanismus ist dafür verantwortlich?

Gammablitze strahlen in unterschiedlichen Energiebereichen. Die bisher beobachteten energieärmeren Emissionen im Nachglühen führen Wissenschaftler*innen auf die Synchrotronstrahlung zurück. Sie entsteht, wenn sich energiereiche Elektronen schnell durch ein Magnetfeld bewegen. Dieser Mechanismus kommt allerdings für die beobachtete Rekordstrahlung nicht infrage – es muss also einen anderen Motor geben. Eine Möglichkeit wäre der inverse Compton-Prozess. Dabei übertragen energiereiche Elektronen ihre Energie auf energiearme Photonen. Die Lichtteilchen kommen so auf Energien im TeV-Bereich.

Die aktuellen Messdaten bei verschiedenen Wellenlängen (Multi-Wavelength-Beobachtungen) liefern wichtige Hinweise, um die physikalischen Prozesse hinter den Gammablitzen zu entschlüsseln. Außerdem haben MAGIC-Wissenschaftler*innen inzwischen frühere Gammablitz-Beobachtungen genauer unter die Lupe genommen.

Dabei stellten sie fest, dass GRB 190114c – außer seiner relativen Nähe zu unserem Sonnensystem – kein Einzelfall ist. „Möglicherweise ist unsere Entdeckung nur ein erstes Indiz dafür, dass alle Gammablitze Strahlung auf höchstem Energieniveau aussenden“, so Mirzoyan. „Wir hoffen daher, viele weitere Gammablitze mit einer Energie im Teraelektronenvolt-Bereich zu entdecken, um mehr über diese faszinierenden Himmelsobjekte zu erfahren.“

(1) Die höchste Energie, die wir kennen, geht von Gammastrahlen aus. Sie bilden die energiereichste Strahlung im elektromagnetischen Spektrum, zu dem auch Röntgenstrahlen, UV-Licht, sichtbares Licht und Mikrowellen und Radiowellen zählen. Gammastrahlen haben eine Energie zwischen 100 Gigaelektronenvolt und 100 Teraelektronenvolt.

Publikationen:

• Teraelectronvolt emission from the γ-ray burst GRB 190114C – MAGIC Collaboration (V. A. Acciari, S. Ansoldi, L. A. Antonelli, A. Arbet Engels, D. Baack, A. Babić, et al.) (Nature, 21. November 2019)
• Observation of inverse Compton emission from a long γ-ray burst – MAGIC Collaboration (MAGIC Collaboration, P. Veres, P. N. Bhat, M. S. Briggs, W. H. Cleveland, et al.) (Nature, 21. November 2019)

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: TU Dortmund.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der MAGIC-Kollaboration haben erstmals mit bodengebundenen Teleskopen höchstenergetische Strahlung von einem Gammastrahlenausbruch nachgewiesen. Damit gelang der Beweis physikalischer Theorien. An der Entdeckung waren auch Forscherinnen und Forscher der TU Dortmund maßgeblich beteiligt. Über ihre Erkenntnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift Nature.

Gammastrahlenausbrüche (GRBs) sind rätselhafte kurze, aber helle Ereignisse, die etwa einmal pro Tag plötzlich am Himmel erscheinen. Man nimmt an, dass einige davon das Ergebnis der Explosion massereicher Sterne am Ende ihres Lebens sind – und damit sozusagen die Geburtsschreie von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Sie zeichnen sich durch einen anfänglich sehr hellen Blitz aus, der als prompte Emission bezeichnet wird und dessen Dauer zwischen einem Bruchteil einer Sekunde und Hunderten von Sekunden liegt. Darauf folgt das sogenannte Nachleuchten, eine schwächere, aber etwas länger anhaltende Lichtemission über einen weiten Wellenlängenbereich, die mit der Zeit verblasst. Die MAGIC–Teleskope haben nun die höchstenergetischen jemals von der Explosion massereicher Sterne empfangenen Photonen – also das, woraus elektromagnetische Strahlung besteht – nachgewiesen.

Dieser Durchbruch liefert entscheidende neue Erkenntnisse für das Verständnis der immer noch rätselhaften physikalischen Prozesse, die für die GRBs verantwortlich sind. Am 14. Januar 2019 wurde ein GRB von zwei Satellitenobservatorien entdeckt: dem Neil-Gehrels-Swift-Observatorium und dem Fermi Weltraumteleskop der NASA. Das Ereignis erhielt nach dem Entdeckungsdatum den Namen GRB 190114C. Innerhalb von 22 Sekunden wurden die Koordinaten des Gammastrahlenausbruchs am Himmel als elektronischer Alarm an Astronomen weltweit verteilt, darunter an die MAGIC-Kollaboration, die zwei Gammastrahlen-Teleskope mit einem Durchmesser von 17 Metern auf La Palma, Spanien, betreibt. Da GRBs an unvorhersehbaren Stellen am Himmel erscheinen und dann schnell verblassen, erfordert ihre Beobachtung durch so große Teleskope wie MAGIC eine ausgefeilte Strategie.

„Ein automatisches System verarbeitet in Echtzeit die GRB-Warnungen von Satelliteninstrumenten und lässt die MAGIC-Teleskope schnell auf die Himmelsposition des GRB umschwenken“, sagt Prof. Wolfgang Rhode von der TU Dortmund. Die Teleskope wurden extra für die Jagd nach GRBs so konzipiert, dass sie sehr leicht und daher schnell drehbar sind: Trotz des Gewichts von je 64 Tonnen können sie sich in nur etwa 25 Sekunden um 180 Grad drehen. Daher konnte MAGIC im Fall von GRB 190114C die Beobachtung nur 50 Sekunden nach Beginn des GRB starten.

Die Analyse der Daten für die ersten zehn Sekunden zeigt, dass die Emission von Photonen des Nachleuchtens bis zu Energien reicht, die Billionen Mal größer sind als die des sichtbaren Lichts. Während dieser Zeit war GRB 190114C in diesem Energiebereich das mit Abstand hellste Objekt am gesamten Himmel. Wie bei GRB-Nachleuchten erwartet, verblasste die Emission. Die letzten Photonen von dem Objekt wurden eine halbe Stunde später von MAGIC gesehen.

Die Dortmunder Arbeitsgruppe ist insbesondere auf schnelle und effiziente Analysen und auf das Erstellen der für die Auswertung der Daten notwendigen Simulationen spezialisiert. Dies zahlte sich aus, denn nach sorgfältiger Überprüfung der Daten konnten die MAGIC-Resultate bereits wenige Stunden nach dem Ereignis der weltweiten Forschungsgemeinschaft mitgeteilt werden. Dies ermöglichte eine umfangreiche Kampagne von Nachbeobachtungen des GRB 190114C durch mehr als zwei Dutzend Observatorien oder Instrumente. Diese lieferten ein vollständiges Bild dieses GRB vom Radiobereich bis zur Gammastrahlung. Insbesondere optische Beobachtungen erlaubten eine Messung der Entfernung zum GRB 190114C. Sie beträgt rund fünf Milliarden Lichtjahre.

Photonen mit der höchsten Energie aus einem neu entdeckten Emissionsprozess
Obwohl die Hochenergie-Emission im Nachleuchten des GRBs in einigen theoretischen Studien vorhergesagt worden war, gestaltete sich die Jagd danach sehr schwierig und erforderte einen jahrelangen Prozess der stetigen Verbesserung der Strategien und der Effizienz der MAGIC-Teleskope. Der wissenschaftliche Lohn dieser geduldigen Arbeit ist jedoch beträchtlich: „Unsere Messungen legen nahe, dass die Hochenergie-Gammastrahlung des Nachleuchtens möglicherweise von einem anderen Prozess stammt als die Emission bei niedrigeren Energien“, erklärt Dr. Dominik Elsässer, der ebenfalls an der TU Dortmund an MAGIC beteiligt ist. „Wir vermuten, dass energiereiche Elektronen ihre Energie durch die sogenannte inverse Compton–Streuung auf Photonen übertragen und so die von MAGIC gemessene Leuchtkraft entsteht. Um diesen Verdacht zu erhärten oder aber zu entkräften, benötigen wir Beobachtungen, die über den elektromagnetischen Spektralbereich hinausgehen.“

So bleiben also auch nach mehr als 50 Jahren seit ihrer Entdeckung viele Rätsel der GRBs weiterhin ungelöst. Dies gilt insbesondere für die Frage, ob einige von ihnen auch energiereiche Neutrinos erzeugen. Das sind jene geisterhaften Elementarteilchen, nach denen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Wolfgang Rhode mit dem IceCube-Detektor am Südpol der Erde fahnden. „Die MAGIC–Resultate ermutigen uns, die Methoden weiter zu verfeinern und die Experimente auszubauen. Durch die Fortsetzung der für solche internationalen Forschungsprojekte sehr wichtigen Unterstützung des Landes NRW und des Bundes hoffen wir, den Weg für ein viel tieferes Verständnis dieser faszinierenden kosmischen Explosionen ebnen zu können“, schließt Rhode.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Quelle: DESY.

Die stärksten Explosionen des Universums strahlen noch energiereicher als bislang bekannt: Zwei internationale Teams haben mit Spezialteleskopen die energiereichstenGammastrahlen von sogenannten Gamma-Ray Bursts registriert, die jemals gemessen wurden. Sie besitzen rund 100 Milliarden Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der H.E.S.S.- und der MAGIC-Teleskope stellen ihre Beobachtungen in unabhängigen Veröffentlichungen im Fachjournal „Nature“ vor. Es handelt sich um die ersten Nachweise von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Gammastrahlenteleskopen. DESY ist an beiden Observatorien maßgeblich beteiligt, die federführend von der Max-Planck-Gesellschaft betrieben werden.

Gamma-Ray Bursts (GRBs) sind plötzliche, kurze Ausbrüche von Gammastrahlung im Kosmos, die sich etwa einmal pro Tag irgendwo im sichtbaren Universum ereignen. Die Gammablitze stammen nach aktuellem Wissen von kollidierenden Neutronensternen oder aus Supernova-Explosionen von Riesensonnen, die zu einem Schwarzen Loch kollabieren. „Gammablitze sind die stärksten bekannten Explosionen im Universum und setzen typischerweise in wenigen Sekunden mehr Energie frei als unsere Sonne in ihrer gesamten Lebensdauer – sie können durch nahezu das gesamte sichtbare Universum leuchten“, sagt David Berge, Leiter der Gammastrahlenastronomie bei DESY.

Entdeckt wurde das kosmische Phänomen Ende der 1960er Jahre zufällig von Satelliten zur Überwachung des Atomteststopp-Abkommens auf der Erde. Seitdem untersuchen Astronomen die Gammastrahlenausbrüche mit Satelliten vom Erdorbit aus. Mit erdgebundenen Teleskopen ließen sich die Gammaquanten der Blitze bislang nicht beobachten, weil die Erdatmosphäre sie normalerweise schluckt.

Astronomen haben Spezialteleskope entwickelt, die das schwache, bläuliche Cherenkov-Licht registrieren, das kosmische Gammastrahlung in der Erdatmosphäre erzeugt. Diese Instrumente können jedoch nur sehr energiereiche Gamma-Photonen nachweisen, die Helligkeit von Gamma-Ray Bursts fällt aber mit steigender Energie steil ab. Cherenkov-Teleskope haben zwar zahlreiche Quellen kosmischer Gammastrahlung bei sehr hohen Energien identifiziert, ein Gamma-Ray Burst war bislang jedoch nicht darunter. Satelliten dagegen sehen zwar regelmäßig Gammablitze, haben aber viel zu kleine Detektorflächen, um für die sehr geringe Helligkeit der Gammastrahlenausbrüche bei sehr hohen Energien empfindlich zu sein. Daher war es bislang unklar, ob die Monster-Explosionen auch noch Gammastrahlung bei sehr hohen Energien aussenden.

Forscher haben seit vielen Jahren versucht, Gammablitze mit Cherenkov-Teleskopen zu erwischen. Zwischen Sommer 2018 und Januar 2019 haben nun gleich zwei internationale Teams, beide mit DESY-Beteiligung, erstmals Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts mit erdgebundenen Teleskopen nachgewiesen. Am 20. Juli 2018 konnte das 28-Meter-Gammastrahlenteleskop des High-Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia das schwache Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs mit der Katalognummer GRB 180720B beobachten. Am 14. Januar 2019 registrierten die Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) Teleskope auf der Kanareninsel La Palma helle Gammastrahlung aus der frühen Phase von GRB 190114C.

Beide Beobachtungen waren durch Gammastrahlen-Satelliten der US-Raumfahrtbehörde NASA ausgelöst worden, die den Himmel nach Gammablitzen absuchen und automatische Benachrichtigungen an Observatorien wie H.E.S.S. und MAGIC verschicken. „Wir konnten so schnell auf die Herkunftsregion schwenken, dass wir nur 57 Sekunden nach dem ursprünglichen Nachweis der Explosion mit der Beobachtung beginnen konnten“, berichtet DESY-Forscher Cosimo Nigro, der zu dieser Zeit die Beobachtungsschicht leitete. „In den ersten 20 Minuten der Beobachtung haben wir rund tausend Photonen von GRB 190114C registriert.“

MAGIC beobachtete Gammaquanten mit Energien zwischen 200 und 1.000 Milliarden Elektronenvolt (0,2 bis 1 Tera-Elektronenvolt). „Dies sind bei weitem die höchstenergetischen Photonen, die jemals von einem Gamma-Ray Burst entdeckt worden sind“, sagt die Leiterin der MAGIC-Gruppe bei DESY, Elisa Bernardini. Zum Vergleich: Sichtbares Licht liegt im Energiebereich von etwa 1 bis 3 Elektronenvolt.

Die frühe Entdeckung ermöglichte, die weltweite Astronomengemeinde schnell zu informieren. Daraufhin haben mehr als 20 andere Teleskope in zahlreichen Wellenlängenbereichen einen genaueren Blick auf das Objekt geworfen. So ließen sich Details der physikalischen Mechanismen entschlüsseln, die für die Strahlung der höchsten Energien verantwortlich sind und von den Forscherinnen und Forschern des MAGIC-Konsortiums in einem zweiten Fachaufsatz in „Nature“ beschrieben werden. Die Nachbeobachtungen bestimmten auch die Entfernung von GRB 190114C zu mehr als vier Milliarden Lichtjahren. Sein Licht war also mehr als vier Milliarden Jahre zu uns unterwegs und damit rund ein Drittel des Alters des Universums.

GRB 180720B war mit einer Distanz von sechs Milliarden Lichtjahren noch weiter entfernt. Dennoch ließ sich seine Gammastrahlung im Bereich von 100 bis 440 Milliarden Elektronenvolt auch lange nach dem ursprünglichen Blitz nachweisen. „Überraschenderweise konnte das H.E.S.S.-Teleskop noch zehn Stunden nach der ersten Satellitenbeobachtung der Explosion einen Überschuss von 119 Gammaquanten aus der Richtung des Ausbruchs registrieren“, sagt der Leiter der H.E.S.S.-Gruppe bei DESY, Stefan Ohm.

„Der Nachweis kam recht unerwartet, da Gammastrahlenausbrüche schnell an Helligkeit verlieren. Sie besitzen zwar ein Nachglühen, das noch Stunden oder manchmal sogar Tage in vielen Wellenlängenbereichen von Radiowellen bis zur Röntgenstrahlung beobachtet werden kann, aber nie zuvor in der sehr energiereichen Gammastrahlung nachgewiesen wurde“, erläutert DESY-Theoretiker Andrew Taylor, der an der H.E.S.S.-Analyse beteiligt war. „Dieser Erfolg ist auch einer verbesserten Nachbeobachtungsstrategie zu verdanken, bei der wir uns auch auf spätere Zeiten nach dem eigentlichen Sternkollaps konzentrieren.“

Der Nachweis von Gammastrahlenausbrüchen bei sehr hohen Energien liefert wichtige neue Einblicke in die gigantischen Explosionen. „Indem wir festgestellt haben, dass Gamma-Ray Bursts Photonen mit Energien produzieren, die hundertmilliardenfach höher sind als sichtbares Licht, wissen wir jetzt auch, dass sie in der Lage sind, Partikel innerhalb der Explosionswolke hocheffizient zu beschleunigen“, sagt DESY-Forscherin Konstancja Satalecka, eine der MAGIC-Koordinatorinnen für die Suche nach Gammastrahlenausbrüchen. „Außerdem stellt sich heraus, dass uns bisher etwa die Hälfte ihres Energiebudgets entgangen ist. Denn unsere Messungen zeigen, dass die im Bereich der sehr energiereichen Gammastrahlung freigesetzte Energie vergleichbar ist mit der Energie, die bei allen anderen Wellenlängen zusammen abgestrahlt wird. Das ist bemerkenswert!“

Die Erzeugung dieser sehr energiereichen Gammastrahlung physikalisch zu erklären, ist eine Herausforderung. Beide Teams gehen von einem zweistufigen Prozess aus: Zunächst werden schnelle elektrisch geladene Teilchen in den starken Magnetfeldern der Explosionswolke abgelenkt und senden dabei sogenannte Synchrotronstrahlung aus, wie sie sich durch den gleichen Prozess auch in irdischen Teilchenbeschleunigern – etwa bei DESY – erzeugen lässt. Allerdings kann diese Synchrotronstrahlung nur unter Extrembedingungen die beobachteten sehr hohen Energien erreichen. Stattdessen nehmen die Forscherinnen und Forscher an, dass diese Photonen in einem zweiten Schritt wiederum mit den schnellen elektrisch geladenen Teilchen zusammenstoßen und dadurch auf die beobachtete sehr hohe Energie gebracht werden. Diesen zweiten Schritt nennen Wissenschaftler inverse Compton-Streuung.

„Die beiden Instrumente haben zum ersten Mal Gammastrahlung von Gamma-Ray Bursts vom Erdboden aus gemessen“, fasst Berge zusammen. „Diese beiden bahnbrechenden Beobachtungen haben Gamma-Ray Bursts als Quellen für erdgebundene Gammstrahlenteleskope etabliert. Das hat das Potenzial, unser Verständnis dieser gewaltigen Phänomene deutlich voranzubringen.“ Die Forscher schätzen, dass sich mit dem Gammastrahlen-Observatorium der nächsten Generation, dem geplanten Cherenkov Telescope Array (CTA), bis zu zehn solche Ereignisse pro Jahr beobachten lassen werden. Das CTA wird aus mehr als 100 Einzelteleskopen bestehen, die an je einem Standort auf der Nord- und der Südhalbkugel aufgebaut werden. DESY ist an dem Observatorium maßgeblich beteiligt und unter anderem für die Konstruktion der mittelgroßen CTA-Teleskope verantwortlich. Außerdem wird das wissenschaftliche CTA-Datenzentrum am DESY-Standort Zeuthen gebaut. CTA soll voraussichtlich 2023 mit den ersten Beobachtungen beginnen.

Hintergrundinformationen
Der Nachweis der sehr energiereichen Gammaquanten auf der Erde gelang mit Spezialteleskopen, die nicht die kosmischen Gammaquanten direkt beobachten, sondern deren Wirkung auf die Erdatmosphäre: Wenn ein energiereiches kosmisches Gammaquant die Erdatmosphäre trifft, zerschmettert es dort Moleküle und Atome. Dieser Prozess erzeugt eine ganze Lawine von Folgeteilchen, die Luftschauer genannt wird. Die Schauerteilchen bewegen sich schneller durch die Luft als das Licht – aber nicht schneller als das Licht im Vakuum, was gemäß Albert Einsteins Relativitätstheorie die absolute Geschwindigkeitsobergrenze darstellt. Dadurch entsteht ein bläuliches Leuchten, eine Art optisches Pendant zum Überschallknall. Dieses nach seinem Entdecker benannte Cherenkov-Licht können Spezialteleskope wie jene der H.E.S.S.- und MAGIC-Observatorien oder des geplanten CTA beobachten.

Die H.E.S.S.-Beobachtungen von GRB 180720B wurden zuerst bei einem wissenschaftlichen CTA-Symposium im Mai 2019 verkündet. Die MAGIC-Beobachtungen wurden direkt am 14. Januar 2019 in einem „Astronomers‘ Telegram“ (ATel) verbreitet.

Das H.E.S.S.-Konsortium besteht aus mehr als 250 Forscherinnen und Forschern von 41 Instituten in 12 Ländern. Das MAGIC-Konsortium vereint 280 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 37 Instituten in 12 Ländern. Die MAGIC-Gruppe bei DESY wird zum Teil durch eine Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft für exzellente Wissenschaftlerinnen finanziert.

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• Gamma Ray Bursts (GRBs)

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Skyrocket, Raumcon.

Hauptnutzlast ist NROL 36 für das Nationale Aufklärungsbüro der USA, der eigentlich aus zwei Komponenten, NOSS-3 6A und 6B besteht. Beide Satelliten halten in ihrer Umlaufbahn in mehr als 1.000 km Höhe bei einer Bahnneigung von etwa 63 Grad einen festen Abstand ein. Über deren normale Kommunikationssignale können NOSS-Raumfahrzeuge beinahe weltweit Schiffe auf den Meeren und Flugzeuge auf ihren Routen orten und verfolgen. Die Position wird mittels Triangulation bestimmt. Das Satellitenpaar bringt auf der Erde etwa 6.500 kg auf die Waage.

Die übrigen 11 Satelliten waren in einer speziellen Absetzvorrichtung an der Centaur-Oberstufe untergebracht und wurden von dort aus in ihre Zielorbits zwischen etwa 480 und 770 km Höhe bei 64 Grad Bahnneigung entlassen.

Bei Aeneas handelt es sich um einen Technologieerprobungssatelliten des US-Departments of Home Security, mit dem eine neue, strahlungsunempfindliche Flugsteuerungshardware sowie Antennentechnik zur Identifizierung und Verfolgung von Frachtcontainern auf den Weltmeeren getestet werden sollen. Dafür ist der an der University of Southern California entwickelte, nur etwa 4 kg schwere Satellit mit einer entfaltbaren Parabolantenne ausgestattet.

CINEMA 1 (Cubesat for Ion, Neutral, Electron, MAgnetic fields) dient der Messung von geladenen und neutralen Teilchen sowie Magnetfeldern im erdnahen Weltraum. Dazu ist der ebenfalls nur etwa 4 kg schwere Satellit mit zwei Messkomplexen ausgerüstet. Das MAGnetometer from Imperial College (MAGIC) ist ein Magnetometer, dass an einem Ausleger montiert ist und Angaben zu magnetischen Feldstärken liefert. Es wurde am Imperial College London (Großbritannien) entwickelt und gebaut. Das zweite Instrument nennt sich SupraThermal Electrons Ions & Neutrals (STEIN) und soll vor allem Konzentration, Verteilung und Bewegung elektrisch neutraler Atome in verschiedenen Schichten der Hochatmospäre aufzeichnen. Entwicklungsführer war hierbei die University of California, Berkeley (USA). Zwei weitere Satelliten dieser Bauart sollen die Erfassung dreidimensionaler Verteilungsmuster ermöglichen. Im Gesamtprojekt CINEMA eingebunden sind auch die Kyung-Hee-Universität Seoul (Südkorea) und das Ames Research Center der NASA in Mountain View (USA).

Aerocube 4, 4a und 4b sind drei Kleinstsatelliten (je 1 kg) der Aerospace Corporation (USA) und dienen der Technologieerprobung. Während Aerocube 4 über ein Rückkehrexperiment sowie ein Umweltdatenaufzeichnungssystem verfügt, welches während des Starts wichtige Parameter aufzeichnet, sollen mit den beiden anderen Cubesats neue Kommunikationsmittel getestet werden.

Mit den etwa 4 kg schweren SMDC-ONE 2.1 und 2.2 (Space Missile Defense Command – Operational Nanosatellite Effect) wird ein experimentelles Kommunikationssystem für die US-Armee getestet. Dazu sind die quaderförmigen Kleinsatelliten rundum mit einer Vielzahl an Stabantennen ausgerüstet, welche Funksignale auf verschiedenen Frequenzen empfangen bzw. aussenden können. Die Sender/Empfänger sind per Software konfigurierbar.

Bei STARE A (Space-Based Telescopes for Actionable Refinement of Ephemeris) handelt es sich um einen etwa 4 kg schweren Satelliten zur Bestimmung der Bahnparameter von Weltraumschrott aus dem Orbit heraus. Dem ersten Element mit der Bezeichnung „Re“ soll in Kürze „Horus“ folgen. Das Projekt des Lawrence Livermore National Laboratory der USA dient zunächst dem Nachweis der Machbarkeit eines solchen Systems.

CSSWE (Colorado Student Space Weather Experiment, 4 kg) der Universiät Colorado in Boulder (USA) hat zum Ziel den Einfluss von Ort, Stärke und Häufigkeit von solaren Ereignissen wie Masseauswürfen auf die Erdatmospäre, speziell die Strahlungsgürten der Erde zu studieren. Insbesondere interessiert auch die Energieverteilung der durch Sonnenaktivitäten verursachten Sekundärelektronen, welche anschließend die Erdoberfläche erreichen können. Gemessen wird bei Elektronen im Energiebereich von 0,5 bis 2,9 MeV (Megaelektronenvolt) und zusätzlich bei Protonen zwischen 10 und 40 MeV.

CXBN (Cosmic X-Ray Background, 2,6 kg) misst die diffuse Röntgen-Hintergrundstrahlung im Energiebereich von 30 bis 50 keV (Kiloelektronenvolt). Die Daten des von der Morehead State University (USA) entwickelten Messgerätes sollen der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden und der Verbesserung kosmologischer Modelle dienen.

Letzter im Bunde ist CP 1 (1 kg) des interdisziplinären Cal Poly Picosatelliten-Studentenprojekts. Ziel ist die Entwicklung eines preisgünstigen Kleinsatellitenbusses zur Erprobung von Sensoren und anderen Kleinkomponenten zukünftiger Weltraumtechnik. Dazu gehören Kommunikationssysteme, Datenspeicher sowie Lageregelungstechnik.

Der Start aller Nutzlasten erfolgte am 13. September 2012 gegen 23.19 Uhr MESZ vom Startplatz 3E der Vandenberg-Luftwaffenbasis aus. Verwendet wurde eine Atlas 5 ohne Hilfsraketen. Die Centaur-Oberstufe besaß nur ein Triebwerk.

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• NROL 36 (NOSS 3 6A+B) + diverse Nanosats auf Atlas V 401

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