Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 4. September 2024.

4. September 2024 – Mit dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über dem Südpazifik endet am Sonntag, 8. September 2024, die Forschungsmission des ersten der vier Cluster-Satelliten der ESA. Überwacht von Kontrollzentren und Teleskopen auf der Erde sowie einem Forschungsflugzeug wird der liebevoll „Salsa“ genannte Satellit verglühen. Die großangelegte Beobachtungskampagne soll helfen zu verstehen, wie ausgediente Satelliten in Zukunft sicher und schnell aus der Erdumlaufbahn entfernt werden können. Gleichzeitig markiert das bevorstehende Feuerwerk das Ende einer einzigartigen Forschungsexpedition: Seit 24 Jahren (anstatt der ursprünglich geplanten zwei Jahre) durchquert Salsa im „Formationstanz“ mit seinen Geschwistern Rumba, Samba und Tango auf langestreckten Ellipsen die Magnetosphäre der Erde – und hat so mehr als zwei Sonnenzyklen lang miterlebt, wie der magnetische Schutzschild unseren Planeten vor direktem Teilchen- und Strahlungsbombardement von der Sonne bewahrt. Das Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) hat das Instrument RAPID zu der Mission beigesteuert.

Das Dienstende von Salsa findet unter ähnlichen Bedingungen statt wie der -antritt vor 24 Jahren: in einer Phase besonders hoher Sonnenaktivität. Ebenso wie damals durchläuft unser Stern aktuell das Maximum seines etwa elfjährigen Aktivitätszyklus. In den vergangenen Monaten ist es dadurch zu mehreren heftigen Sonnenstürmen gekommen; eindrucksvolle Polarlichter waren sogar in Deutschland zu sehen. „Die aktuelle Situation ist ganz ähnlich wie zum Beginn der Cluster-Mission“, erinnert sich MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des RAPID-Teams. Bereits im November 2001 wurden die Cluster-Satelliten Zeugen eines besonders heftigen Sonnensturms. Wie Messungen ergaben, quetscht bei einem solchen Sturm das Bombardement von der Sonne die Erdmagnetosphäre auf die Hälfte ihrer gewöhnlichen Größe zusammen. „Ein solches Ereignis war noch nie zuvor mit solcher Präzision in situ aufgezeichnet worden“, so Daly.

Ein Schutzschild im All
Die Magnetosphäre, der Einflussbereich des irdischen Magnetfeldes, ist riesig. Während ihre Ausdehnung auf der sonnenzugewandten Seite in der Regel etwa 65.000 Kilometer beträgt, reicht ihr langgezogener, sonnenabgewandter Schweif mehr als zwei Millionen Kilometer ins All. Obwohl Magnetosphäre die Erde von dem meisten Teilchen von der Sonne abschirmt, können einige an den Polen, wo die magnetischen Feldlinien zur Erdoberfläche hin gekrümmt sind, bis in die inneren Atmosphärenschichten vordringen. Durch diese Teilchen und die vom Sonnenwind mitgeführten Magnetfelder entsteht in der Magnetosphäre ein komplexes Zusammenspiel aus Teilchen, Magnetfeldern und Wellen. „Vor Beginn der Cluster-Mission war unser Verständnis der Erdmagnetosphäre eher lückenhaft“, so Daly. „Die Cluster-Mission hat wie keine andere dazu beigetragen, die Struktur und Dynamik der Erdmagnetosphäre zu verstehen“, fügt er hinzu.

Durch ihre jahrzehntelange Präsenz in der Magnetosphäre konnte die Cluster-Mission vor Ort miterleben, wie sich unser magnetischer Schutzschild unter dem wechselhaften Einfluss der Sonne verändert. Ein weiterer Vorteil: die Choreographie der vier „Tänzer“. Seit 2001 fliegen die Satelliten in einer tetraeder-förmigen Anordnung. Die Messdaten, die auf diese Weise entstehen, erlauben Forschenden nicht nur einen dreidimensionalen Blick auf die Magnetosphäre, sondern auch, räumliche Veränderungen von zeitlichen zu unterscheiden.

Zu diesem Zweck tragen die Cluster-Satelliten elf jeweils baugleiche wissenschaftliche Instrumente an Bord. Die vier als RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) bezeichneten Teilchenspektrometer vom MPS bestimmen die Verteilung und Energie von Ionen und Elektronen in der Magnetosphäre. In den vergangenen Jahrzehnten ist so ein detailliertes Gesamtbild der Teilchenumgebung unserer Erde entstanden. Zudem ist es den RAPID-Instrumenten erstmals gelungen, die Verteilung von schweren Ionen wie Eisen- und Silizium-Ionen in der Magnetosphäre zu messen. Diese treten besonders in der inneren Magnetosphäre auf und ihre Häufigkeit hängt stark von der Aktivität der Sonne ab. Und vor Kurzem haben die RAPID-Daten sogar einen Hinweis darauf gegeben, wie es zu eindrucksvollen spiralförmigen Polarlichtern kommt. Eine Gruppe von vier Forscherinnen um Dr. Elena Kronberg von der Ludwig-Maximilians-Universität München, ehemaliges Mitglied des RAPID-Teams am MPS, hatte in den Messdaten wirbelartige Magnetfeldstrukturen ausgemacht.

Feuriges Ende eines Weltraum-Methusalems
„Dass die Cluster-Satelliten über so viele Jahre Messdaten aufzeichnen würden, hätten wir nie erwartet“, so Daly. Da fast alle Instrumente nach den ursprünglichen geplanten zwei Betriebsjahren noch funktionstüchtig waren, konnte die Mission verlängert werden – ein ums andere Mal. Mittlerweile zählt Cluster nach den Voyager- und Pioneer-Sonden, dem Sonnenobservatorium SOHO und dem Advanced Composition Explorer ACE zu den Weltraum-Methusalems. Doch spurlos sind die Jahre nicht an den vier kosmischen Tänzern vorübergegangen. Wie auch die anderen Messinstrumente plagen die vier RAPID-Spektrometer mittlerweile Altersgebrechen: Einige Teilinstrumente sind bereits ausgefallen; die Messempfindlichkeit hat nachgelassen. Zu guter Letzt gehen den Satelliten nun die Treibstoffreserven aus.

Die Vorbereitungen für das deshalb notwendige Missionsende laufen bereits seit Januar. Zu diesem Zeitpunkt wurde Salsa auf einen Kurs gelenkt, der den Satelliten seitdem mit jedem Erdumlauf etwas tiefer sinken lässt. Am 8. September wird die Flugbahn so tief führen, dass Salsa in der Erdatmosphäre auseinanderbricht. Die ESA rechnet damit, dass die Bruchstücke vollständig in der Atmosphäre verglühen. Die Cluster-Satelliten Rumba, Samba und Tango werden zunächst nur ausgeschaltet; erst im November 2025 und August 2026 stehen ihre Wiedereintritte an.

Katastrophaler Start
In gewisser Weise erinnert das bevorstehende, feuerreiche Ende der Mission an ihren Beginn. Vier Jahre vor dem erfolgreichen Start im Jahr 2000 war es zu einem Unglück gekommen: Der erste Startversuch musste nach weniger als einminütigem Flug wegen eines Steuerungsfehlers der Trägerrakete beendet werden. Die Bruchstücke der explodierten Rakete – und der vier Cluster-Satelliten an Bord – gingen kontrolliert über unbewohntem Gebiet in der Nähe des ESA-Raumfahrtzentrums im südamerikanischen Französisch-Guayana nieder. Eines der zerstörten RAPID-Instrumente, das aus den dortigen Sümpfen geborgen werden konnte, findet sich noch heute am MPS.

Patrick Daly erlebte den missglückten Start damals im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Auf dem Bildschirm haben wir das spektakuläre Feuerwerk gar nicht erkannt und wussten zunächst nicht was los war, bis das Schweigen mit den Wörtern „That was the Cluster Mission“ gebrochen wurde“, erinnert er sich noch heute an den beklemmenden Moment. Umso größer war die Freude vier Jahre später. Den Start der ersten beiden Satelliten im Juli 2000 verfolgte der MPS-Wissenschaftler wieder in Darmstadt, den der zweiten im August desselben Jahres im kasachischen Baikonur. Ein unvergessliches Erlebnis. „Nach jedem erfolgreichen Start sind die Beteiligten überglücklich. Schließlich haben sie jahrelang auf diesen Moment hingearbeitet. Aber bei Cluster war es wirklich etwas ganz besonders“, so Daly. Der bevorstehende letzte Tanz von Salsa führt die Mitglieder der wissenschaftlichen Teams nun in den nächsten Tagen ans Weltraumastronomiezentrum (ESAC) in der Nähe von Madrid – für ein letztes Treffen und einen weiteren unvergesslichen Moment.

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• Cluster

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Quelle: AIP 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Während magnetische massereiche Sterne bereits in unserer eigenen Galaxie entdeckt wurden, ist die Entdeckung des Magnetismus in den Magellanschen Wolken von besonderer Bedeutung, da es in diesen Galaxien eine starke Population von jungen massereichen Sternen gibt. Dies bietet eine einmalige Gelegenheit, die aktive Sternentstehung und die maximale Masse zu untersuchen, die ein stabiler Stern haben kann.

Der Magnetismus gilt als Schlüsselkomponente bei der Entwicklung massereicher Sterne und hat weitreichende Auswirkungen auf deren endgültiges Verhalten. Es sind die massereichen Sterne mit anfänglich mehr als acht Sonnenmassen, die am Ende ihrer Entwicklung Neutronensterne und Schwarze Löcher zurücklassen. Spektakuläre Verschmelzungen solcher kompakten Überbleibsel wurden von Gravitationswellen-Observatorien bereits beobachtet. Darüber hinaus schlagen einige Theorien einen magnetischen Mechanismus für die Explosion massereicher Sterne vor, der für Gammastrahlenausbrüche, Röntgenblitze und Supernovae relevant ist. „Untersuchungen von Magnetfeldern in massereichen Sternen in Galaxien mit jungen Sternpopulationen liefern entscheidende Informationen über die Rolle von Magnetfeldern bei der Sternentstehung im frühen Universum mit nicht durch Metalle verunreinigtem Sternentstehungsgas“, sagt Dr. Swetlana Hubrig vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und Erstautorin der Studie.

Stellare Magnetfelder werden mittels Spektropolarimetrie gemessen. Dazu wird das zirkular polarisierte Sternenlicht aufgezeichnet und die kleinsten Änderungen in den Spektrallinien werden untersucht. Um die notwendige Genauigkeit der Polarisationsmessungen zu erreichen, benötigt diese Methode jedoch Daten von hoher Qualität. „Die Methode ist extrem hungrig nach Photonen. Das ist eine besondere Herausforderung, denn selbst die hellsten massereichen Sterne, die mehr als acht Sonnenmassen haben, sind bei der Beobachtung in unseren Nachbargalaxien, der Großen und der Kleinen Magellanschen Wolke, relativ lichtschwach“, erklärt Dr. Silva Järvinen vom AIP. Aufgrund dieser Bedingungen sind herkömmliche hochauflösende Spektropolarimeter und kleinere Teleskope für solche Untersuchungen ungeeignet. Deshalb wurde das niedrig auflösende Spektropolarimeter FORS2 verwendet, das auf einem der vier 8-Meter-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) montiert ist.

Frühere Versuche, Magnetfelder in massereichen Sternen außerhalb unserer Galaxie nachzuweisen, blieben bisher ohne Erfolg. Diese Messungen sind komplex und hängen von mehreren Faktoren ab. Das Magnetfeld, das mit zirkularer Polarisation gemessen wird, wird als longitudinales Magnetfeld bezeichnet und entspricht ausschließlich der Feldkomponente, die in Richtung des Beobachters zeigt. Es ist vergleichbar mit dem Licht eines Leuchtturms, das leicht zu sehen ist, wenn der Strahl in Richtung des Beobachters strahlt. Da die Magnetfeldstruktur in massereichen Sternen in der Regel durch einen globalen Dipol mit einer zur Rotationsachse geneigten Achse gekennzeichnet ist, kann die Stärke des longitudinalen Magnetfelds in Rotationsphasen gleich Null sein, wenn der Beobachter direkt auf den magnetischen Äquator des rotierenden Sterns blickt. Die Nachweisbarkeit des Polarisationssignals hängt auch von der Anzahl der Spektralmerkmale ab, die zur Untersuchung der Polarisation verwendet werden. Die Beobachtung eines breiteren Spektralbereichs mit einer größeren Anzahl von spektralen Merkmalen ist vorzuziehen. Darüber hinaus sind längere Belichtungszeiten entscheidend für die Aufnahme polarimetrischer Spektren mit einem ausreichend hohen Signal-Rausch-Verhältnis.

Unter Berücksichtigung dieser wichtigen Faktoren führte das AIP-Team spektropolarimetrische Beobachtungen von fünf massereichen Sternen in den Magellanschen Wolken durch. Beobachtet wurden zwei vermutlich einzelne Sterne, die typische spektrale Eigenschaften für magnetische massereiche Sterne aufweisen, wie sie in unserer eigenen Galaxie üblich sind, sowie ein massereiches Doppelsternsystem, das aktiv miteinander in Wechselwirkung steht (Cl*NGC346 SSN7). Dieses Doppelsternsystem befindet sich im Kern der massereichsten Sternentstehungsregion NGC346 in der Kleinen Magellanschen Wolke. Dabei gelang es, Magnetfelder in der Größenordnung von Kilogauss nachzuweisen. Auf der Oberfläche unserer Sonne können solch starke Magnetfelder nur in kleinen, stark magnetisierten Regionen – den Sonnenflecken – nachgewiesen werden. Die berichteten Magnetfeldnachweise in den Magellanschen Wolken sind der erste Hinweis darauf, dass die Bildung massereicher Sterne in Galaxien mit jungen Sternpopulationen ähnlich abläuft wie in unserer Galaxie.

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.

Publikation
Detection of extragalactic magnetic massive stars
S. Hubrig , M. Schöller , S. P. Järvinen , A. Cikota , M. Abdul-Masih ,
A. Escorza , and R. Jayaraman
A&A, 686, L4 (2024)
doi.org/10.1051/0004-6361/202449793
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49793-24/aa49793-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/06/aa49793-24.pdf

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• Stellare Magnetfelder
• Magellansche Wolken

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 12. April 2024.

12. April 2024 – Das Magnetfeld eines Sterns muss berücksichtigt werden, um die Größe und andere Eigenschaften seiner Exoplaneten aus Beobachtungsdaten von Weltraumteleskopen wie Kepler, James Webb oder PLATO korrekt zu bestimmen. Das belegen neue Modellrechnungen, die eine Forschergruppe unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy vorstellt. Die Forschenden zeigen, dass die Helligkeitsverteilung des Sterns über seine gesamte Scheibe von seiner magnetischen Aktivität abhängt. Dies wiederum beeinflusst die Spuren, die seine Exoplaneten in Beobachtungsdaten hinterlassen. Das neue Modell der Forschergruppe ist unerlässlich, um bei der Suche nach fernen Welten außerhalb unseres Sonnensystems die Daten der neusten Generation von Weltraumteleskopen richtig interpretieren zu können.

700 Lichtjahre entfernt von der Erde im Sternbild Jungfrau zieht der Planet WASP-39b seine Bahnen um den Stern WASP-39. Der Gasriese, der kaum mehr als vier Tage für einen Umlauf benötigt, zählt zu den am besten untersuchten Exoplaneten: Kurz nach der Inbetriebnahme im Juli 2022 richtete das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA seinen hochpräzisen Blick auf den fernen Planeten. In den Messdaten fanden sich Hinweise auf große Mengen Wasserdampf, auf Methan und sogar erstmals auf Kohlendioxid in der Atmosphäre von WASP-39b. Eine kleine Sensation. Doch es bleibt ein Wermutstropfen: Forschenden gelingt es bisher nicht, alle entscheidenden Details der Messkurven in Modellrechnungen zu reproduzieren. Dies steht einer noch exakteren Auswertung der Daten im Wege. In ihrer aktuellen Studie zeigt das vom MPS geleitete Team, zu dem auch Forschende des Massachusetts Institute of Technology (USA), des Space Telescope Science Institute (USA), der Universität Keele (Vereinigtes Königreich) und der Universität Heidelberg gehören, einen Weg auf, dieses Hindernis zu überwinden.

„Die Probleme, die sich bei der Interpretation der Messdaten von WASP-39b ergeben, kennen wir von vielen Exoplaneten – ganz gleich, ob sie mit den Weltraumteleskopen Kepler, TESS, James-Webb oder der zukünftigem Raumsonde PLATO beobachtet werden“, erklärt MPS-Wissenschaftlerin Dr. Nadiia Kostogryz, Erstautorin der neuen Studie. „Auch bei WASP-39 fällt die beobachtete Lichtkurve flacher ab, als bisherige Modelle erklären können“, fügt sie hinzu.

Als Lichtkurve bezeichnen Forschende Helligkeitsmessung eines Sterns über einen längeren Zeitraum. Die Helligkeit eines Sterns fluktuiert ständig, etwa weil seine Leuchtkraft natürlichen Schwankungen unterliegt. Auch Exoplaneten können Spuren in der Lichtkurve hinterlassen. Zieht ein Exoplanet vom Beobachter aus betrachtet vor seinem Stern vorbei, verdunkelt er ihn. In der Lichtkurve zeigt sich dies als regelmäßig wiederkehrender Helligkeitsabfall. Genaue Auswertungen solcher Kurven liefern Informationen über Größe und Umlaufdauer des Planeten. Zudem können Forschende ihnen Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten entnehmen, wenn sie das Sternenlicht in seine verschiedenen Wellenlängen aufgespalten.

Genauer Blick auf den Randbereich
Eine entscheidende Rolle bei der Interpretation einer Lichtkurve spielt der Randbereich eines Sterns. Wie im Fall der Sonne erscheint dieser dem Beobachter dunkler als der innere Bereich des Sterns. Dabei leuchtet der Stern weiter außen nicht wirklich weniger hell. „Da der Stern eine Kugel ist und seine Oberfläche gekrümmt, schauen wir am Rand in höhere und deshalb kühlere Schichten als in der Mitte“, erklärt Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon. „Dieser Bereich erscheint uns deshalb dunkler“, fügt er hinzu.

Dass sich die Randverdunklung auf die genaue Form des Exoplaneten-Signals in der Lichtkurve auswirkt, ist bekannt: Die Verdunklung bestimmt, wie steil die Helligkeit eines Sterns beim Planetentransit abfällt und danach wieder ansteigt. Doch mit herkömmlichen Modellen der Sternatmosphäre war es bisher nicht möglich, Messdaten genau zu reproduzieren. Die gemessenen Lichtkurven fielen stets weniger abrupt ab, als die Modellrechnungen erwarten ließen. „Es war klar, dass uns ein entscheidendes Puzzleteil fehlt, um das Signal der Exoplaneten genau zu verstehen“, so Koautor und MPS-Direktor Prof. Dr. Sami Solanki.

Magnetfeld ist das fehlende Puzzleteil
Wie die heute veröffentlichten Rechnungen zeigen, handelt es sich bei dem gesuchten Puzzleteil um das Magnetfeld des Sterns. Wie auch die Sonne erzeugen viele Sterne tief in ihrem Innern durch gewaltige Plasmaumwälzungen ein Magnetfeld. Dieses konnten die Forscher*innen nun erstmals in ihre Modellrechnungen der Randverdunklung einbeziehen. Dabei zeigte sich, dass sich die Stärke des Magnetfeldes empfindlich auswirkt: Bei Sternen mit schwachem Magnetfeld ist die Randverdunklung ausgeprägt; bei solchen mit starkem Magnetfeld fällt sie schwächer aus.

Zudem konnten die Forscher*innen belegen, dass die Diskrepanz zwischen Beobachtungsdaten und Modellrechnungen verschwindet, wenn das Magnetfeld des Sterns mitberücksichtigt wird. Dafür wandte sich das Team ausgewählten Messdaten des NASA-Weltraumteleskops Kepler zu, das von 2009 bis 2018 das Licht abertausender Sterne einfing. In einem ersten Schritt modellierten die Wissenschaftler*innen die Atmosphäre typischer Kepler-Sterne unter Beisein eines Magnetfeldes. In einem zweiten Schritt erzeugten sie dann aus diesen Rechnungen „künstliche“ Beobachtungsdaten. Wie ein Vergleich mit den echten Messdaten zeigte, gelingt es, die Kepler-Daten zu reproduzieren, wenn das Magnetfeld berücksichtigt wird.

Ebenso weitete das Team seine Überlegungen auf Messdaten des James-Webb-Teleskops aus. Dies ist in der Lage, das Licht ferner Sterne in seine verschiedenen Wellenlängen zu zerlegen und so nach den charakteristischen Anzeichen bestimmter Moleküle in der Atmosphäre der entdeckten Planeten zu suchen. Wie sich zeigt, beeinflusst das Magnetfeld des Muttersterns seine Randverdunklung in verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich – und sollte deshalb bei künftigen Auswertungen mitberücksichtigt werden, um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen.

Von Teleskopen zu Modellen
„In den vergangenen Jahrzehnten und Jahren bestand der Weg, in der Exoplanetenforschung voranzukommen, darin, die Hardware zu verbessern, also die Weltraumteleskope, die für die Suche nach neuen Welten und deren Charakterisierung entwickelt wurden. Das James-Webb-Weltraumteleskop ist die aktuelle Spitze dieser Entwicklung“, so Dr. Alexander Shapiro, Koautor der aktuellen Studie und Leiter einer MPS-Forschungsgruppe, die von der Europäischen Forschungskommission (ERC) gefördert wird. „Der nächste Schritt ist es nun, die Modelle zur Interpretation dieser hervorragenden Daten zu verbessern und zu verfeinern“, fügt er hinzu.

Um diese Entwicklung weiter voranzutreiben, wollen die Forscher*innen ihre Analysen nun auf Sterne ausweiten, die sich deutlich von der Sonne unterscheiden. Zudem bieten ihre Erkenntnisse die Möglichkeit, in Zukunft aus den Lichtkurven von Sternen mit Exoplaneten auf die Stärke des Sternmagnetfeldes zu schließen.

Originalveröffentlichung
Nadiia M. Kostogryz, Alexander I. Shapiro, Veronika Witzke et al.:
Magnetic origin of the discrepancy between stellar limb-darkening models and observations,
Nature Astronomy, 12. April 2024
dx.doi.org/10.1038/s41550-024-02252-5
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02252-5.pdf

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• Exoplaneten

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Quelle: Universität Graz 3. April 2024.

3. April 2024 – Die Sonne verursacht einen konstanten Strom an Teilchen, den sogenannten Sonnenwind. Dieser Teilchenstrom verhält sich ähnlich wie eine Flüssigkeit, mit dem großen Unterschied, dass er ein eigenes Magnetfeld besitzt. Dadurch entstehen neue Effekte, die in klassischen Flüssigkeiten nicht angetroffen werden. Das Erdmagnetfeld schützt uns vor diesen einprasselnden Teilchen, wodurch eine turbulente Grenzschicht zwischen dem interplanetaren Raum und dem Erdmagnetfeld entsteht: die sogenannte Magnetosheath. Aufgrund dieses Magnetfeldes entstehen zwei unterschiedliche Bereiche in der Magnetosheath: Bereiche mit erhöhter Turbulenz und Energie und Bereiche mit intensiver Bildung von Wellen. Abbildung 1 (oben) zeigt die Grenzregion zwischen Erde und Sonnenwind, inklusive der beiden unterschiedlichen Regionen in der Magnetosheath.

Für die Erforschung der Effekte und Auswirkungen auf die Erde ist es essentiell, diese zwei Bereiche richtig zu klassifizieren. Wir konnten in dieser aktuellen Studie zeigen, dass klassische Klassifizierungsmethoden versagen, wenn schnelle Teilchenströme von der Sonne kommen. Die Ursache liegt in der erhöhten Energie der Teilchen im Sonnenwind. Abbildung 2 zeigt anhand von Beispielen und statistischen Ergebnissen die unterschiedliche Verteilung der hochenergetischen Teilchen durch unterschiedliche Arten von Sonnenwind. Die Arbeit zeigt die Grenzen von bisherigen Klassifizierungsmethoden auf und weist den Weg, um diese Hindernisse in zukünftigen Studien zu überwinden. Der interdisziplinäre Ansatz hilft dabei, Missinterpretationen in der Erforschung des erdnahen Raums mithilfe des Inputs aus der Sonnenphysik zu verhindern.

Die Ergebnisse entstanden in Kollaboration des Instituts für Physik, Universität Graz mit dem Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Maryland, USA. Das Projekt wird finanziell unterstützt durch den FWF im Projekt P33285-N in Zusammenarbeit mit dem Institut der Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Originalpublikation:
Florian Koller, Savvas Raptis, Manuela Temmer, Tomas Karlsson
The Effect of Fast Solar Wind on Ion Distribution Downstream of Earth’s Bow Shock.
The Astrophysical Journal Letters. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2ddf
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2ddf/pdf

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• Sonnenwind

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 27. März 2024.

27. März 2024 – Neue Beobachtungen der Event Horizon Telescope-Kollaboration zeigen, dass das Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße im polarisierten Licht von starken, spiralförmigen Magnetfeldern umgeben ist. Die Magnetfeldstruktur wird wahrscheinlich durch das magnetisierte Plasma erzeugt, das auf Sgr A* fällt, und ähnelt der von M87. Dieses Ergebnis legt nahe, dass alle Schwarzen Löcher starke Magnetfelder besitzen und dass Sgr A*, wie M87*, einen Teilchenstrahl ausstößt, der bislang nicht sichtbar gemacht werden konnte. An der Auswertung und Interpretation der Messdaten war das Team um Prof. Luciano Rezzolla, Goethe-Universität Frankfurt, maßgeblich beteiligt.

Das erste Bild vom Schwarzen Loch Sgr A*, welches etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wurde im Jahr 2022 von Event Horizon Telescope (EHT)-Wissenschaftlerinnen veröffentlicht. Dabei zeigte sich zwar, dass das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als das der Galaxie M87, von dem die EHT-Kollaboration 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hatte. Dennoch sehen sich Sgr A* und M87* bemerkenswert ähnlich. Um herauszufinden, ob die beiden Schwarzen Löcher weitere gemeinsamen Merkmale besitzen, beschloss das EHT-Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Von M87* war bereits bekannt, dass die Magnetfelder um das riesige Schwarze Loch es ihm ermöglichen, einen starken Teilchenstrahl (Jet) in den Weltraum zu schicken. Die neuen Bilder zeigen, dass dasselbe auch für Sgr A* gelten könnte.

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist nicht einfach, insbesondere gilt dies für Sgr A*. Denn das Gas, oder Plasma, in der Umgebung des Schwarzen Lochs umkreist Sgr A* in nur wenigen Minuten, und weil die Teilchen des Plasmas um die Magnetfeldlinien herumwirbeln, ändern sich die Magnetfeldstrukturen während der Aufzeichnung der Radiowellen durch das EHT schnell. Um das supermassive schwarze Loch abzubilden, waren also ausgeklügelte Instrumente und Verfahren erforderlich.

Prof. Luciano Rezzolla, theoretischer Astrophysiker an der Goethe-Universität Frankfurt, erläutert: „Polarisierte Radiowellen werden von magnetischen Feldern beeinflusst, und durch die Untersuchung des Polarisationsgrades des beobachteten Lichts können wir lernen, wie die Magnetfelder des Schwarzen Lochs verteilt sind. Allerdings ist es im Gegensatz zu einem Standardbild, das nur Informationen über die Intensität des Lichts benötigt, wesentlich schwieriger, die Polarisation darzustellen. Tatsächlich ist unser polarisiertes Bild von Sgr A* das Ergebnis eines sorgfältigen Vergleichs zwischen den tatsächlichen Messungen und den Hunderttausenden möglicher Bildvarianten, die wir mithilfe fortgeschrittener Supercomputer-Simulationen erstellen können. Ähnlich wie beim ersten Bild von Sgr A* repräsentieren diese polarisierten Bilder eine Art Durchschnitt aller Messungen.“

Rezzollas Kollaborationspartner, Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan, sagt: „Die Erstellung eines polarisierten Bildes ist wie das Öffnen des Buches, nachdem man nur den Umschlag gesehen hat. Da sich Sgr A* bewegt, während wir versuchen, sein Bild aufzunehmen, war es schwierig, selbst das unpolarisierte Bild zu konstruieren“, und fügt hinzu, dass das erste Bild ein Durchschnitt mehrerer Bilder aufgrund der Bewegung von Sgr A* war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Bildgebung überhaupt möglich war. Einige Modelle waren viel zu verwirbelt, um ein polarisiertes Bild zu konstruieren, aber die Natur hat es gut mit uns gemeint.“

„Indem wir polarisiertes Licht von heißem glühendem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern abbilden, schließen wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder, die den Fluss von Gas und Materie durchdringen, von dem das Schwarze Loch sich ernährt und abgibt“, ergänzt Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Projektleiter. „Polarisiertes Licht lehrt uns viel über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die stattfinden, wenn ein Schwarzes Loch sich ernährt.“

Dr. Sara Issaoun, Co-Leiterin des Projekts und NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow am Center for Astrophysics / Harvard & Smithsonian, sagt: „Dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere Schwarze Loch M87* zeigt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, betont, dass die Magnetfeldstruktur von M87* von Sgr A* so ähnlich seien, deute darauf hin, dass die physikalischen Prozesse, die bestimmen, wie ein Schwarzes Loch einen Jet speist und ausstößt, trotz der Unterschiede in Masse, Größe und Umgebung bei supermassereichen Schwarzen Löchern universell sein könnten. Dieses Ergebnis ermögliche es, die theoretischen Modelle und Simulationen zu verfeinern und unser Verständnis dafür zu verbessern, wie die Materie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs beeinflusst werde.

Weiterführe Informationen zur EHT-Kollaboration:
Das EHT hat seit 2017 mehrere Messkampagnen gemacht und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut beobachten. Jedes Jahr wurden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochauflösende Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es den Astronom*innen und Astrophysiker*innen erlauben, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen Schwarzen Löchern zu beobachten. Außerdem wird die Erweiterung des EHT in den Weltraum immer schärfere Bilder von Schwarzen Löchern liefern.

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

An den ersten Beobachtungen der EHT im April 2017 waren die folgenden Teleskope beteiligt: das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona ARO Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seit 2017 sind das Greenland Telescope (GLT), das IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in zum EHT-Netzwerk dazugekommen.

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

Originalpublikation:
(1) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df0
(2) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII. Physical Interpretation of the Polarized Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df1

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: ESON 27. März 2024.

27. März 2024 – Im Jahr 2022 stellten Wissenschaftler auf Pressekonferenzen in der ganzen Welt, darunter auch bei der Europäischen Südsternwarte (ESO), das erste Bild von Sgr A* vor. Zwar ist das supermassereiche schwarze Loch in der Milchstraße, das etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich als das von M87, dem ersten schwarzen Loch, das jemals abgebildet wurde. Die Beobachtungen zeigten jedoch, dass sich die beiden bemerkenswert ähnlich sehen. Dies veranlasste die Forschenden zu der Frage, ob die beiden über ihr Aussehen hinaus gemeinsame Merkmale aufweisen. Um dies herauszufinden, beschloss das Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Frühere Untersuchungen des Lichts in der Umgebung des schwarzen Lochs M87 (M87) ergaben, dass die Magnetfelder in der Umgebung es dem schwarzen Loch ermöglichen, kraftvolle Materialstrahlen zurück in die Umgebung zu schleudern. Darauf aufbauend haben die neuen Bilder gezeigt, dass das selbe auch für Sgr A* gelten könnte.

„Wir sehen jetzt, dass es in der Nähe des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße starke, verdrehte und geordnete Magnetfelder gibt“, sagt Sara Issaoun, Einstein-Stipendiatin des Hubble-Stipendienprogramms der NASA am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA, und Co-Leiterin des Projekts. „Zusammen mit der Tatsache, dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere und stärkere schwarze Loch M87*, haben wir gelernt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Licht ist eine schwingende oder sich bewegende elektromagnetische Welle, mit der wir Objekte sehen können. Manchmal schwingt das Licht in einer bevorzugten Ausrichtung, die wir als „polarisiert“ bezeichnen. Obwohl uns überall polarisiertes Licht umgibt, ist es für das menschliche Auge kaum von „normalem“ Licht zu unterscheiden. Im Plasma um die schwarzen Löcher wirbeln die Teilchen um die Magnetfeldlinien und erzeugen ein Polarisationsmuster, das senkrecht zum Feld steht. Dadurch können Astronominnen und Astronomen die Vorgänge in den Bereichen um schwarze Löcher immer deutlicher erkennen und deren Magnetfeldlinien kartieren.

„Mit der Messung des polarisierten Lichts von heißem, glühendem Gas in der Nähe von schwarzen Löchern können wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder schließen, die den Strom von Gas und Materie durchziehen, welches das schwarze Loch aufsammelt und wieder ausstößt“, so Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Leiter des Projekts. „Über das polarisierte Licht erfahren wir viel mehr über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Prozesse, die beim Wachsen eines schwarzen Lochs ablaufen.“

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist jedoch nicht so einfach, wie eine polarisierte Sonnenbrille aufzusetzen. Das gilt insbesondere für Sgr A*, das sich so schnell verändert, sodass es zu verwackelten Aufnahmen führen sollte. Um das supermassereiche schwarze Loch abzubilden, sind ausgefeilte Instrumente erforderlich, die weit über die hinausgehen, die bisher für die Aufnahme von M87, einem viel ruhigeren Ziel, verwendet wurden. EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh sagte: „Da sich während der Beobachtung Sgr A* bewegt, war es schon schwierig, nur ein unpolarisiertes Bild zu erstellen“, und fügte hinzu, dass das erste Bild aufgrund der Bewegung von Sgr A* ein Mittelwert aus mehreren Bildern war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Aufnahme überhaupt möglich war.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, sagte: „Bei dieser Stichprobe von zwei schwarzen Löchern – mit sehr unterschiedlichen Massen und sehr unterschiedlichen Wirtsgalaxien – gilt es herauszufinden, worin sie übereinstimmen und worin sie sich unterscheiden. Da beide auf starke Magnetfelder hinweisen, könnte dieses Phänomen ein universelles und vielleicht grundlegendes Merkmal dieser Art von Systemen sein. Eine der Gemeinsamkeiten zwischen diesen beiden schwarzen Löchern ist womöglich ein Jet. Während wir bei M87* einen sehr offensichtlichen Jet beobachtet haben, konnten wir ihn bei Sgr A* bislang nicht finden.“

Um Sgr A* zu beobachten, verknüpfte die Kollaboration acht Teleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop in Erdgröße, dem EHT. Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und das von der ESO betriebene Atacama Pathfinder Experiment (APEX), beide im Norden Chiles, waren Teil des Netzwerks, das die Beobachtungen im Jahr 2017 durchführte.

„Als größtes und leistungsstärkstes Teleskop des EHT hat ALMA eine Schlüsselrolle bei der Erstellung dieses Bilds gespielt“, sagt María Díaz Trigo, Europäische ALMA-Programmwissenschaftlerin bei der ESO. „ALMA plant nun eine substanzielle Erweiterung, das Wideband Sensitivity Upgrade (Ausbau der Breitbandempfindlichkeit), das ALMA noch empfindlicher machen wird. Dadurch wird ALMA auch bei zukünftigen EHT-Beobachtungen von Sgr A* und anderen schwarzen Löchern eine wichtige Rolle spielen.“

Das EHT hat seit 2017 mehrere Beobachtungen durchgeführt und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut ins Visier nehmen. Jedes Jahr werden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochwertige Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es Astronomen und Astronominnen ermöglichen, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen schwarzen Löchern zu beobachten. In der Zwischenzeit würde der Ausbau des EHT in den Weltraum schärfere Bilder von schwarzen Löchern liefern als je zuvor.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in zwei Artikeln der EHT-Kollaboration vorgestellt, die heute in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden: „First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring“ (doi: XXX) und „First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII.: Physical interpretation of the polarized ring“ (doi: XXX).

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von schwarzen Löchern zu erhalten, die je gemacht wurden, indem ein virtuelles Teleskop in Erdgröße gebaut wird. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verbindet das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten bisher erreichten Winkelauflösungsvermögen.

Die einzelnen Teleskope, die im April 2017, als die Beobachtungen durchgeführt wurden, am EHT beteiligt waren, waren: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT) und das South Pole Telescope (SPT). Seitdem hat das EHT das Greenland Telescope (GLT), das IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in sein Netzwerk aufgenommen.

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

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

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: ESON 26. Februar 2024.

26. Februar 2024 – „Wir wissen, dass sich einige Weiße Zwerge – die langsam auskühlenden, glühenden Reste von Sternen wie unsere Sonne – Teile ihrer Planetensysteme einverleiben. Jetzt haben wir entdeckt, dass das Magnetfeld des Sterns bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle spielt. Das Ergebnis ist eine Art Narbe auf der Oberfläche des Weißen Zwerges“, sagt Stefano Bagnulo, Astronom am Armagh Observatory and Planetarium in Nordirland, Vereinigtes Königreich, und Hauptautor der Studie.

Bei der vom Team beobachteten Narbe handelt es sich um eine Anhäufung von Metallen auf der Oberfläche des Weißen Zwerges WD 0816-310, dem erdgroßen Überrest eines Sterns, der unserer Sonne ähnelte, aber etwas größer war als sie. „Wir haben festgestellt, dass diese Metalle von einem Planetenfragment stammen, das so groß ist wie oder möglicherweise größer als Vesta. Vesta hat einen Durchmesser von etwa 500 Kilometern und ist der zweitgrößte Asteroid im Sonnensystem“, sagt Jay Farihi, Professor am University College London, Großbritannien, und Mitautor der Studie.

Die Beobachtungen lieferten auch Hinweise darauf, woher der Stern seine Metallnarbe hat. Das Team stellte fest, dass sich die Stärke des metallischen Abdrucks mit der Rotation des Sterns veränderte. Dies deutet darauf hin, dass sich die Metalle auf einen bestimmten Bereich auf der Oberfläche des Weißen Zwerges konzentrieren und nicht gleichmäßig über ihn verteilt sind. Sie fanden auch heraus, dass diese Veränderungen mit den Schwankungen des Magnetfelds des Weißen Zwerges einhergingen, was darauf hindeutet, dass sich diese Metallnarbe an einem seiner Magnetpole befindet. Zusammengenommen deuten diese Hinweise darauf hin, dass das Magnetfeld Metalle auf den Stern schleuste, wodurch die Narbe entstand [1].

„Überraschenderweise war das Material nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Sterns verteilt, wie es theoretisch vorhergesagt wurde. Stattdessen handelt es sich bei dieser Narbe um einen konzentrierten Fleck aus Planetenmaterial, der von demselben Magnetfeld festgehalten wird, das auch die einfallenden Fragmente abgelenkt hat“, sagt Mitautor John Landstreet, Professor an der University of Western Ontario, Kanada. Er ist auch am Armagh Observatorium and Planetarium tätig. „So etwas hat man noch nie gesehen.“

Um zu diesen Schlussfolgerungen zu gelangen, nutzte das Team den Alleskönner am VLT namens FORS2, mit dem sie die Metallnarbe nachweisen und mit dem Magnetfeld des Sterns in Verbindung bringen konnten. „Die ESO verfügt über die einzigartige Kombination von Fähigkeiten, die für die Beobachtung schwacher Objekte wie Weißer Zwerge und die empfindliche Messung stellarer Magnetfelder erforderlich sind“, sagt Bagnulo. In seiner Studie stützte sich das Team auch auf Archivdaten des X-shooter-Instruments des VLT, um seine Ergebnisse zu bestätigen.

Mithilfe solcher Beobachtungen können Astronominnen und Astronomen die Zusammensetzung der Masse von Exoplaneten, also Planeten, die andere Sterne außerhalb des Sonnensystems umkreisen, ermitteln. Diese einzigartige Studie zeigt auch, wie Planetensysteme dynamisch aktiv bleiben können, selbst nach ihrem „Tod“.

Endnoten
[1] In der Vergangenheit haben Astronominnen und Astronomen zahlreiche Weiße Zwerge beobachtet, die durch über die Oberfläche des Sterns verstreute Metalle verunreinigt waren. Es ist bekannt, dass diese von zerbrochenen Planeten oder Asteroiden stammen, die dem Stern zu nahe gekommen sind. Sie folgen Bahnen, die ähnlich wie die von Kometen in unserem Sonnensystem den Stern streifen. Bei WD 0816-310 ist das Team jedoch zuversichtlich, dass verdampftes Material ionisiert und durch das Magnetfeld des Weißen Zwerges auf die Magnetpole gelenkt wurde. Dieser Prozess ähnelt der Entstehung von Polarlichtern auf der Erde und auf dem Jupiter.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wurde in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Discovery of magnetically guided metal accretion onto a polluted white dwarf“ (Entdeckung der magnetisch gesteuerten Metallakkretion auf einem verunreinigten Weißen Zwerg) vorgestellt, die in The Astrophysical Journal Letters (doi:10.3847/2041-8213/ad2619) erscheint.

Das Team besteht aus Stefano Bagnulo (Armagh Observatory & Planetarium, Vereinigtes Königreich [Armagh]), Jay Farihi (Department of Physics and Astronomy, University College London, Vereinigtes Königreich), John D. Landstreet (Armagh; Department of Physics & Astronomy, Western University, Kanada) und Colin P. Folsom (Tartu Observatory, University of Tartu, Estland).

Über die ESO
Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftler*innen weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie.

Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt.

Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

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Forschungsartikel
pdf: https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2403/eso2403a.pdf

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• Weisse Zwerge

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Quelle: DESY 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Ein internationales Team von Forschenden unter Leitung von Mungo Frost vom Forschungszentrum SLAC in Kalifornien und unter Beteiligung von DESY-Forschenden hat am Röntgenlaser European XFEL in Schenefeld neue Erkenntnisse zur Entstehung und Häufigkeit von Diamantregen auf Eisriesen wie Neptun, Uranus oder Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems gewonnen. Die jetzt im Fachjournal „Nature Astronomy“ veröffentlichen Ergebnisse geben auch Hinweise auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder dieser Planeten.

Schon bei früheren Arbeiten an Röntgenlasern hatten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausgefunden, dass sich bei Drücken und Temperaturen, die im Inneren der großen Gasplaneten herrschen, aus Kohlenstoffverbindungen Diamanten bilden können. Diese würden dann als Edelstein-Regen aus den höheren Schichten weiter ins Innere der Planeten sinken.

Ein neues Experiment am European XFEL hat nun gezeigt, dass sich aus Kohlenstoffverbindungen schon bei geringerem Druck und niedrigeren Temperaturen als bislang vermutet Diamanten bilden. Für die eisigen Gasplaneten in unserem Sonnensystem bedeutet das: Der Diamantregen bildet sich schon in geringerer Tiefe als gedacht, und könnte so deren Magnetfeld stärker beeinflussen. Zudem sollte Diamantregen auch auf Gasplaneten möglich sein, die kleiner sind als Neptun und Uranus und als „Mini-Neptune“ bezeichnet werden. Mini-Neptune sind die häufigsten Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.

Nachdem sich die Diamanten gebildet haben, können diese bei ihrem Weg nach unten in die tieferen Schichten Gas und Eis mitreißen und so Ströme von leitendem Eis verursachen. Ströme leitender Flüssigkeiten wirken wie eine Art Dynamo, durch den sich die Magnetfelder von Planeten bilden. „Diamantregen hat also wahrscheinlich Einfluss auf die Entstehung der komplexen Magnetfelder von Uranus und Neptun“, so Frost.

Als Kohlenstoffquelle nutzte die Gruppe eine Kunststofffolie aus der Kohlenwasserstoffverbindung Polystyren. Diese setzten sie sehr hohem Druck und Temperaturbedingungen aus, so wie sie im Inneren der Planeten herrschen. Zunächst steigerten sie den Druck, indem sie die Folie zwischen die Spitzen von zwei Diamanten klemmten. Diese sogenannten Diamantstempelzellen funktionieren wie ein Mini-Schraubstock. Anschließend setzten sie die Folie den Röntgenblitzen des European XFEL aus, um sie auf mehr als 2200 Grad Celsius zu erwärmen. Diese Temperaturen herrschen tief im Inneren der Eisplaneten. Anschließend nutzten die Forscher die Röntgenpulse um zu beobachten, wann und wie sich die Diamanten bilden. Druck und Temperatur geben dabei Aufschluss darüber in welcher Tiefe der Planeten die Edelsteine entstehen.

Dem internationalen Forscherteam gehören Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von European XFEL, den deutschen Forschungszentren DESY in Hamburg und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR sowie weiteren Forschungseinrichtungen und Universitäten aus verschiedenen Ländern an. DESY und HZDR sind Mitgliedsinstitute des European XFEL-Nutzerkonsortiums HIBEF, das maßgeblich zu dieser Forschung beigetragen hat. „Durch diese internationale Zusammenarbeit haben wir am European XFEL große Fortschritte erzielt und bemerkenswerte neue Erkenntnisse über Eisplaneten gewonnen“, so Frost.

„Wir freuen uns, dass dieses für die Planetenforschung wichtige Ergebnis mit der von DESY für HIBEF konzipierten Diffraktionsplatform für Hochdruckexperimente und dem AGIPD Detektor ermöglicht wurde“, sagt DESY-Wissenschaftler Cornelius Strohm, einer der Autoren der Veröffentlichung.

Originalveröffentlichung
M. Frost et al., Diamond Precipitation Dynamics from Hydrocarbons at Icy Planet Interior Conditions, “Nature Astronomy”, 2024, DOI:10.1038/s41550-023-02147-x
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02147-x

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 23. November 2023.

23. November 2023 – Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Michael Kramer und Kuo Liu vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat eine seltene Art ultradichter Sterne, so genannter Magnetare, untersucht, um ein zugrunde liegendes Gesetz zu entdecken, das universell für eine ganze Reihe von Objekten, die so genannten Neutronensterne, zu gelten scheint. Dieses Gesetz gibt Aufschluss darüber, wie diese Quellen Radiostrahlung erzeugen, und es könnte eine Verbindung zu den rätselhaften Strahlungsausbrüchen (Fast Radio Bursts) herstellen, die im fernen Universum angesiedelt sind.

Neutronensterne sind die kollabierten Kerne massereicher Sterne, bei denen bis zu zwei Sonnenmassen in einer Kugel von weniger als 25 km Durchmesser konzentriert sind. Infolgedessen ist die Materie dort die am dichtesten gepackte im beobachtbaren Universum, wobei Elektronen und Protonen zu Neutronen komprimiert werden; daher der Name für diese Objekte. Mehr als 3000 Neutronensterne können als Radiopulsare beobachtet werden, die einen gebündelten Radiostrahl aussenden, der von der Erde aus als pulsierendes Signal sichtbar ist, wenn der rotierende Pulsar sein Licht in Richtung unserer Teleskope abstrahlt.

Das Magnetfeld von normalen Pulsaren ist bereits Billionen Mal stärker als das Magnetfeld der Erde, aber es gibt eine kleine Gruppe von Neutronensternen, deren Magnetfeld sogar noch 1000 Mal stärker ist! Dies sind die so genannten Magnetare. Von den etwa 30 bekannten Magnetaren wurden sechs auch als Radiostrahler entdeckt, zumindest zeitweise. Um diesen Zusammenhang zu untersuchen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) mit Unterstützung von Kollegen der Universität Manchester die einzelnen Pulse von Magnetaren im Detail untersucht und eine Unterstruktur in ihnen entdeckt. Es stellte sich heraus, dass eine ähnliche Pulsstruktur auch in Pulsaren, in schnell rotierenden Millisekunden-Pulsaren, und in weiteren Neutronensternquellen, den so genannten „Rotating Radio Transients“, beobachtet wurde.

Zu ihrer Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Zeitskalen von Magnetaren und die der anderen Arten von Neutronensternen alle der gleichen universellen Beziehung folgen und genau mit der Rotationsperiode skalieren. Die Tatsache, dass sich ein Neutronenstern mit einer Rotationsperiode von weniger als ein paar Millisekunden und ein Neutronenstern mit einer Periode von fast 100 Sekunden wie ein Magnetar verhalten, deutet darauf hin, dass der eigentliche Ursprung der Subpulsstruktur bei allen Neutronensternen, die Radiostrahlung aussenden, derselbe sein muss. Das gibt Informationen über den Plasmaprozess, der für die Radioemission verantwortlich ist, und bietet eine Möglichkeit, ähnliche Strukturen, die in FRBs zu sehen sind, als Ergebnis einer entsprechenden Rotationsperiode zu interpretieren.

„Als wir damit anfingen, die Emission von Magnetaren mit der von FRBs zu vergleichen, erwarteten wir durchaus Ähnlichkeiten“, erinnert sich Michael Kramer, Erstautor der Studie und Direktor am MPIfR. „Was wir nicht erwartet haben, ist, dass alle radiostrahlenden Neutronensterne diese universelle Skalierung teilen.“

„Wir gehen davon aus, dass Magnetare durch Magnetfeldenergie angetrieben werden, während die anderen durch ihre Rotationsenergie angetrieben werden“, ergänzt Kuo Liu. „Einige sind sehr alt, andere sehr jung, und doch scheinen alle diesem Gesetz zu folgen.“

Gregory Desvignes beschreibt das Experiment: „Wir haben die Magnetare mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg beobachtet und unsere Ergebnisse auch mit Archivdaten verglichen, da Magnetare nicht ständig Radioemission aussenden.“ „Da die Radioemission von Magnetaren nicht immer vorhanden ist, muss man flexibel sein und schnell reagieren, was mit Radioteleskopen wie dem in Effelsberg auch möglich ist“, ergänzt Ramesh Karuppusamy.

Für Ben Stappers, Mitautor der Studie, ist der spannendste Aspekt des Ergebnisses die mögliche Verbindung zu FRBs: „Wenn zumindest einige FRBs von Magnetaren verursacht werden, könnte die Zeitskala der Substruktur im Strahlungsausbruch uns die Rotationsperiode der zugrunde liegenden Magnetarquelle verraten. Wenn wir diese Periodizität in den Daten finden, wäre dies ein Meilenstein für die Erklärung dieser Art von FRBs als Radioquellen.“

„Mit den neuen Ergebnissen machen wir uns nun auf, das Rätsel zu lösen“, schließt Michael Kramer.

Weitere Informationen
Magnetare gehören zu den energiereichsten Neutronensternen, was auf ihre extrem starken Magnetfelder zurückzuführen ist. Von den über dreißig bisher entdeckten Magnetaren sind nur sechs bekannt, die Radioemission zeigen. In letzter Zeit hat das Forschungsinteresse an ihren Eigenschaften drastisch zugenommen, da sie möglicherweise mit schnellen Radiostrahlungsausbrüchen (FRBs) in Verbindung stehen. FRBs sind kurzzeitige Ausbrüche von Radioemissionen von nur wenigen Millisekunden Dauer, die von außergalaktischen Quellen erzeugt werden. Obwohl der Ursprung der FRBs noch nicht geklärt ist, wird spekuliert, dass Magnetare eine der möglichen FRB-Quellen darstellen.

Schon bald nach der Erstentdeckung von Pulsaren wurden Substrukturen mit kurzzeitiger, konzentrierter Emission in ihrem Radiosignal gefunden. Typischerweise hat die Substruktur eine charakteristische Quasiperiodizität und Breite, die beide mit der Rotationsperiode des Pulsars skalieren. Diese Beziehung ist seit Jahrzehnten für normale Pulsare bekannt und wurde in den letzten Jahren auf die Millisekunden-Pulsare ausgedehnt. In jüngster Zeit wurde die gleiche Art von Mikroimpulsen kurzer Dauer auch bei einigen FRBs beobachtet. Das deutet darauf hin, dass bei all diesen kosmischen Quellen ein ähnlicher Emissionsprozess zugrunde liegt.

Für die Untersuchung wurden Beobachtungen von allen sechs Magnetaren verwendet, die Radioastrahlung aussenden. Die Beobachtungen wurden mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg im CX-Band (zwischen 4 und 8 GHz) und einigen anderen Radioteleskopen der 100-m-Klasse rund um den Globus durchgeführt.

Autoren der Veröffentlichung sind Michael Kramer, Kuo Liu, Gregory Desvignes, Ramesh Karuppusamy und Ben W. Stappers. Die ersten vier Autoren sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalpublikation:
M. Kramer et al.: “Quasi-periodic sub-pulse structure as a unifying feature for radio-emitting neutron stars”, in Nature Astronomy, 23 November 2023
doi.org/10.1038/s41550-023-02125-3
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02125-3
prf: https://www.nature.com/articles/s41550-023-02125-3.pdf

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: GFZ 22. November 2023.

22. November 2022 – Heute trägt das GFZ innerhalb eines internationalen wissenschaftlichen Konsortiums, Swarm DISC (Swarm Data, Innovation, and Science Cluster), zur regelmäßigen Bereitstellung von Datenprodukten für Geomagnetismus und Weltraumwetter bei, die aus den Swarm-Messungen gewonnen werden.

Die drei baugleichen Satelliten umkreisen die Erde auf polaren Bahnen in einer besonderen Konstellation: Swarm A und Swarm C fliegen als Satellitenpaar in einer Höhe von 462 Kilometern, Swarm B auf einer entfernteren Umlaufbahn in 510 Kilometer Höhe. Die endgültige Orbitkonstellation war im April 2014 erreicht. Dementsprechend wird das 10-jährige Swarm-Jubiläum im April 2024 offiziell gefeiert werden, im Rahmen einer wissenschaftlichen Konferenz in Kopenhagen, Dänemark.

Die Swarm-Mission
Jeder der drei Satelliten erhebt hochgenaue und hochaufgelöste Messungen der Stärke und der Richtung des magnetischen Feldes. In Kombination liefern sie die notwendigen Beobachtungsdaten, die für die Modellierung der verschiedenen Quellen des erdmagnetischen Feldes gebraucht werden.

„Die Swarm-Mission war ursprünglich nur für mindestens vier Jahre geplant, sie liefert aber auch nach 10 Jahren hochqualitative Daten insbesondere zu Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds. Diese Daten trugen und tragen zu wesentlichen Erkenntnisgewinnen über physikalische Prozesse sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erde bei“, sagt Monika Korte, Leiterin (komm.) der Sektion 2.3 „Geomagnetismus“ am GFZ.

Einerseits sind die Daten wichtige Grundlage zur genauen Kartierung des sich langsam ändernden Hauptfelds und zur Erforschung der zugrunde liegenden Bewegungen im flüssigen äußeren Erdkern, der das Erdmagnetfeld wie ein Dynamo erzeugt. Andererseits sind sie unverzichtbar zum Verständnis der diversen elektrischen Stromsysteme im Umfeld der Erde und des Zustands der Ionosphäre, was zur Charakterisierung von Weltraumwetterbedingungen von Bedeutung ist. Die Ströme schneller geladener Teilchen im Weltraum, die ihre Ursache in Sonneneruptionen haben, bilden u.a. eine Gefahr für Satelliten und Raumfahrzeuge, können aber auch elektronische Systeme auf der Erde stören. Das Erdmagnetfeld hat hierbei eine wichtige Abschirmfunktion.

Swarm und Polarlichter
Die Daten der Swarm-Mission spielen auch für das Verständnis von Polarlichtern eine wichtige Rolle, wie sie in diesem Jahr vermehrt auch in unseren Breiten zu beobachten sind. Polarlichter entstehen, wenn bei starker Sonnenaktivität geladene Teilchen des Sonnenwindes, gelenkt durch das Erdmagnetfeld, in die Atmosphäre gelangen. Dort regen die Teilchen Moleküle wie Sauerstoff oder Stickstoff zum Leuchten in verschiedenen Farben an. Es gibt bereits Datenprodukte, die – punktuell – die Grenzen des Polarlichtovals bestimmen, also der Zone um die Polregion, in der Polarlichter auftreten. Das basiert auf punktuellen Messungen auf den jeweiligen Satellitenbahnen. Daraus lassen sich dann Modelle für das komplette Polarlichtoval berechnen – allerdings bislang nur für die Vergangenheit. „Wir hoffen, in den nächsten Jahren auch eine Vorhersage des Polarlichtovals aus Swarm-Daten entwickeln zu können“, so Korte.

Tradition und Zukunft der Magnetfeldbeobachtung aus dem All
Swarm setzt die wichtige Beobachtung der Erdmagnetfelds aus dem Weltraum fort, die von 2000 bis 2010 wesentlich von CHAMP getragen wurde. Dieser Satellit des GFZ und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR war gleichzeitig für hochgenaue Messungen des Erdschwerefelds konzipiert. Die drei Swarm-Satelliten sind auf das Magnetfeld fokussiert und liefern im Vergleich zu CHAMP nicht nur mehr räumlich verteilte Daten, sondern bald auch längere Zeitreihen.

Die Nutzergemeinschaft hofft, dass die Swarm-Mission noch bis mindestens 2030 in Betrieb bleibt, um aus der Datenreihe insbesondere Informationen über den Zeitraum eines kompletten Sonnenfleckenzyklus zu gewinnen. Ein solcher Zyklus der Sonnenaktivität dauert – von einem Aktivitätsminimum zum nächsten – im Schnitt rund 11 Jahre. In dieser Zeit nimmt die Zahl der Sonnenflecken zu und wieder ab. Die Sonnenflecken stoßen – getrieben von internen Magnetfeldern – große Mengen geladener Teilchen in den Weltraum aus, daher der Begriff Sonnenaktivität. Diese Teilchen tragen als bewegte Ladung selbst ein Magnetfeld mit sich und beeinflussen daher auch das Magnetfeld im erdnahen Raum. Weil sich die Polarität der Sonnenflecken nach 11 Jahren ändert, dauert ein kompletter Zyklus rund 22 Jahre. Das letzte Aktivitätsminimum war zur Jahreswende 2019/20.

Aktuell wird u.a. am GFZ daran gearbeitet, viele der bisher mit einer Verzögerung von vier bis sechs Tagen erzeugten Datenprodukte nahezu in Echtzeit zur Verfügung zu stellen. „Dies war bei keiner der bisherigen erdnahen Magnetfeldmissionen der Fall und ist nur aufgrund der extrem hohen Datenqualität und Stabilität der Mission möglich. Diese neuen Datenprodukte werden daher eine noch wichtigere Rolle als bisher für die Charakterisierung des Weltraumwetters spielen, obwohl die Swarm-Mission ursprünglich gar nicht für diesen Zweck konzipiert wurde“, sagt Guram Kervalishvili, Wissenschaftler in der Sektion 2.3 „Geomagnetismus“ und Projektmanager für die ESA Swarm Mission und ESA Space Weather Aktitvitäten am GFZ.

Umfassende Informationen zu den Datenprodukten der Swarm Mission finden Sie unter: https://swarmhandbook.earth.esa.int.

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• Swarm

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: TU Graz 10. August 2023.

10. August 2023 – Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Erdatmosphäre können Satelliten zum Absturz bringen. Um dem vorzubeugen, setzt die European Space Agency (ESA) auf den in Graz entwickelten Vorhersageservice SODA.

Nach erfolgreicher Testphase ist der gemeinsam von TU Graz und Uni Graz entwickelte Service SODA (Satellite Orbit DecAy) seit Mitte Juli offiziell Teil des Space Safety Programmes der europäischen Weltraumagentur ESA. SODA liefert genaue Prognosen der Auswirkungen von Sonnenstürmen auf die Bahn von erdnahen Satelliten. Damit ist die TU Graz die erst dritte österreichische Einrichtung, die zu diesem Programm der ESA beiträgt. Neben Seibersdorf Laboratories war die Uni Graz zuvor bereits mit dem Observatorium Kanzelhöhe und dem Institut für Physik Teil des Programms.

Der neue Vorhersageservice ist über das ESA Space Weather Service frei verfügbar und bietet eine Vorwarnzeit von rund 15 Stunden. Da die Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren ihr Maximum erreichen soll, ist die Inbetriebnahme von SODA zum aktuellen Zeitpunkt von zusätzlicher Relevanz. Wie stark sich Sonnenstürme auf die Satellitenumlaufbahn auswirken können, hat sich schon im durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) geförderten Projekt SWEETS gezeigt, auf dessen Ergebnissen SODA aufgebaut ist. In diesem Projekt wurden Daten zur Dichte der Atmosphäre mit Echtzeitmessungen des Sonnenwindplasmas und des interplanetaren Magnetfelds kombiniert, um so die Auswirkungen von Sonnenereignissen zu berechnen. Bei einem großen koronalen Massenauswurf der Sonne wurde dabei festgestellt, dass Satelliten in einer Höhe von 490 Kilometern bis zu 40 Meter an Höhe verloren. Anfang Februar 2022 stürzten 38 Starlink-Satelliten bei der Inbetriebnahme auf einer Flughöhe von 210 Kilometern aufgrund eines Sonnensturmes sogar ab.

Sonnenaktivität steuert auf Höhepunkt zu
Hauptursache dafür ist, dass die geladenen Plasmateilchen, die nach einer Sonneneruption auf das Erdmagnetfeld treffen, die oberen Schichten der Erdatmosphäre so stark erhitzen, dass diese sich ausdehnen und der Luftwiderstand zunimmt. Das kostet Satelliten Geschwindigkeit und Höhe. Aufgrund der erwarteten Zunahme der Sonnenaktivität in den kommenden zwei Jahren hat die ESA einige ihrer Satelliten bereits um mehrere Kilometer angehoben, um sicher durch diesen Zeitraum zu kommen. Mit seinen Vorhersagen soll SODA zusätzliche Sicherheit schaffen. Für den Vorhersageservice steuerte die TU Graz ihre am Institut für Geodäsie vorhandene Expertise in der Verarbeitung von Satellitendaten bei, die Uni Graz brachte ihre Erfahrung im Bereich der Sonnen- und Heliosphärenphysik und der interplanetaren Magnetfeldbeobachtung ein.

Das Team rund um Sandro Krauss am Institut für Geodäsie an der TU Graz beschäftigte sich mit der Bestimmung von Atmosphärendichten über einen Zeitraum von 20 Jahren. Dafür griffen sie auf die Daten mehrerer erdnaher Satellitenmissionen zurück, darunter die Missionen CHAMP, GRACE, GRACE Follow-on und Swarm. An der Uni Graz analysierte die Forschungsgruppe um Manuela Temmer vom Institut für Physik rund 300 katalogisierte Sonneneruptionen aus den Jahren 2002 bis 2017 auf Basis von Messungen des interplanetaren Magnetfelds durch Sonden am sogenannten Lagrange-Punkt L1, der in Flugrichtung Sonne ungefähr 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist. Die Informationen der Uni Graz nutzte die TU Graz, um Veränderungen der Atmosphärendichte in Verbindung mit den Sonneneruptionen zu setzen. Aus der Gesamtanalyse der so gesammelten Daten entstand das Vorhersagemodell SODA.

Weltraumforschung hat hohen Stellenwert in Österreich
„Dass wir durch SODA mit der TU Graz nun die dritte Einrichtung sind, die neben Uni Graz und Seibersdorf Laboratories zum Space Safety Programm der ESA beiträgt, freut mich sehr“, sagt Sandro Krauss vom Institut für Geodäsie der TU Graz. „Von den fünf Expert Service Centers im ESA Space Weather Service Network ist Österreich damit in vier vertreten, nur Großbritannien ist an allen fünf Zentren beteiligt. Das zeigt, dass die österreichische Weltraumforschung einen hohen Stellenwert hat. Die Zusammenarbeit mit der Uni Graz bei diesem Projekt ist außerdem ein Beleg dafür, wie wertvoll interdisziplinäre Forschungsarbeit ist. Gemeinsam arbeiten wir bereits daran, SODA weiter zu verbessern.“

Manuela Temmer vom Institut für Physik der Uni Graz erklärt: „Für Uni Graz und TU Graz ist es eine schöne Anerkennung unserer Arbeit, dass wir mit diesem Service die ESA beliefern können. Es freut mich auch, dass die Zusammenarbeit weitergeht. Im Rahmen des von der FFG geförderten Projekts CASPER werden wir SODA gemeinsam noch verbessern. Es soll dazu dienen, komplexere Sonnenstürme besser zu verstehen, etwa wenn zwei Stürme sich auf dem Weg zur Erde überlagern. Weiters möchten wir auch die Atmosphärendichte auf 450 und 400 Kilometer Höhe berechnen – bisher ist uns das bis 490 Kilometer möglich. Da der Bereich der Sonnensturmvorhersage noch nicht sehr gut erforscht ist, warten hier noch viele interessante Erkenntnisse auf uns.“

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• Weltraumwetter

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Quelle: AIP 3. August 2023.

3. August 2023 – Die Forschenden fanden heraus, dass Sterne mit stärkeren Magnetfeldern stärkere Winde erzeugen. Diese Winde können ungünstige Bedingungen für das Überleben von Planetenatmosphären schaffen und damit die mögliche Bewohnbarkeit dieser Systeme beeinträchtigen.

Die Sonne gehört zu den am häufigsten vorkommenden Sternen im Universum, die als „kühle Sterne“ bezeichnet werden. Diese Sterne werden in vier Kategorien unterteilt (Typ F, G, K und M), die sich in Größe, Temperatur und Helligkeit unterscheiden. Die Sonne ist ein ziemlich durchschnittlicher Stern und gehört zur Kategorie G. Sterne, die heller und größer als die Sonne sind, gehören zur Kategorie F, und K-Sterne sind etwas kleiner und kühler als die Sonne. Die kleinsten und schwächsten Sterne sind die M-Sterne, die aufgrund der Farbe, in der sie das meiste Licht aussenden, auch als „rote Zwerge“ bezeichnet werden.

Satelliten-Beobachtungen haben gezeigt, dass die Sonne neben Licht auch einen anhaltenden Strom von Teilchen aussendet, der als Sonnenwind bekannt ist. Diese Winde durchqueren den interplanetaren Raum und interagieren mit den Planeten des Sonnensystems, einschließlich der Erde. Das wunderschöne Schauspiel der Polarlichter in der Nähe der Pole wird durch diese Wechselwirkung erzeugt. Diese Winde können jedoch auch schädlich sein, da sie eine stabile Planetenatmosphäre zerstören können, wie es auf dem Mars der Fall war. Während über den Sonnenwind viel bekannt ist – unter anderem dank Missionen wie Solar Orbiter –, gilt dies nicht für andere kühle Sterne. Das Problem besteht darin, dass wir diese Sternwinde nicht direkt sehen können, so dass wir uns auf die Untersuchung ihres Einflusses auf das dünne Gas beschränken müssen, das den Raum zwischen den Sternen in der Galaxie füllt. Dieser Ansatz hat jedoch mehrere Einschränkungen und ist nur auf einige wenige Sterne anwendbar. Aus diesem Grund werden Computersimulationen und Modelle eingesetzt, um die verschiedenen Eigenschaften der Sternwinde vorherzusagen, ohne dass Astronominnen und Astronomen sie beobachten müssen.

In diesem Zusammenhang haben die Doktorandin Judy Chebly, der Wissenschaftler Dr. Julián D. Alvarado-Gómez und die Abteilungsleiterin Prof. Dr. Katja Poppenhäger aus der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP in Zusammenarbeit mit Cecilia Garraffo vom Center for Astrophysics am Harvard & Smithsonian die erste systematische Studie der Eigenschaften von Sternwinden erstellt, die für F-, G-, K- und M-Sterne erwartet werden. Die numerischen Simulationen wurden mit den Supercomputern des AIP und des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) durchgeführt, wobei eines der anspruchsvollsten derzeit verfügbaren Modelle verwendet wurde.

Das Team untersuchte, wie sich die Eigenschaften der Sterne, wie Schwerkraft, Magnetfeldstärke und Rotationsdauer, auf die Windeigenschaften in Form von Geschwindigkeit oder Dichte auswirken.

Die Ergebnisse umfassen eine vollständige Charakterisierung der Eigenschaften des Sternwinds über alle Sterntypen hinweg, und zeigen, dass frühere Annahmen zu den Sternwindgeschwindigkeiten überdacht werden müssen, wenn die damit verbundenen Massenverluste aus Beobachtungen geschätzt werden. Darüber hinaus ermöglichen die Simulationen die Vorhersage der erwarteten Größe der Alfvén-Oberfläche – der Grenze zwischen der Korona des Sterns und seinem Sternwind. Diese Informationen sind von grundlegender Bedeutung, um festzustellen, ob ein Planetensystem möglicherweise starken magnetischen Stern-Planeten-Wechselwirkungen ausgesetzt ist, die auftreten können, wenn die Planetenbahn in die Alfvén-Oberfläche des Sterns eintritt oder vollständig darin eingebettet ist.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass Sterne mit Magnetfeldern, die größer sind als die der Sonne, schnellere Winde haben. In einigen Fällen können die Sternwindgeschwindigkeiten bis zu fünfmal schneller sein als die durchschnittliche Sonnenwindgeschwindigkeit, die typischerweise 450 km/s beträgt. Im Rahmen der Untersuchung wurde ermittelt, wie stark die Winde dieser Sterne in den so genannten „habitablen Zonen“ sind, d. h. in den Entfernungen, in denen felsige Exoplaneten bei einem erdähnlichen atmosphärischen Druck flüssiges Wasser an der Oberfläche haben könnten. In der Nähe von Sternen des F- und G-Typs herrschen mildere Bedingungen, vergleichbar mit denen, die die Erde in der Nähe der G-Typ-Sonne vorfindet, während die Winde bei Sternen des K- und M-Typs zunehmend schroffer werden. Solch kräftige Sternwinde wirken sich stark auf eine mögliche Atmosphäre des Planeten aus.

Dieses Phänomen ist in der Sonnenphysik zwischen Gesteinsplaneten und der Sonne gut dokumentiert, aber nicht im Fall von Exoplaneten-Systemen. Dies erfordert Schätzungen des Sternwindes, um ähnliche Prozesse zu bewerten, wie wir sie zwischen dem Sonnenwind und den Planetenatmosphären beobachten. Informationen über den Sternwind waren bisher für Hauptreihen-Sterne der Klassen F bis M nicht bekannt, was diese Studie im Zusammenhang mit der Habitabilität wichtig macht. Die hier vorgestellte Arbeit wurde für 21 Sterne durchgeführt, aber die Ergebnisse sind allgemein genug, um auf andere kühle Hauptreihensterne angewendet zu werden. Diese Untersuchung ebnet den Weg für künftige Forschungen zur Beobachtung von Sternwinden und deren Einfluss auf die Erosion von Planetenatmosphären.

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.

Originalveröffentlichung
Judy J Chebly, Julián D Alvarado-Gómez, Katja Poppenhäger, Cecilia Garraffo, Numerical quantification of the wind properties of cool main sequence stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 524, Issue 4, October 2023, Pages 5060–5079.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad2100,
https://academic.oup.com/mnras/article/524/4/5060/7226714,
https://arxiv.org/abs/2307.04615;

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• Exoplaneten

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 19. Juli 2023.

19. Juli 2023 – Es könnte sich um einen ultralangperiodischen Magnetar handeln, eine seltene Art von Stern mit extrem starken Magnetfeldern, die gewaltige Energieausbrüche erzeugen können. Alle bis vor kurzem bekannten Magnetare setzen Energie in Intervallen von einigen Sekunden bis einigen Minuten frei. Das neu entdeckte Objekt sendet alle 22 Minuten Radiowellen aus und wäre damit der Magnetar mit der längsten Periode, der je entdeckt wurde.

Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Dr. Natasha Hurley-Walker von der Curtin-Universität und dem „International Centre for Radio Astronomy Research“ (ICRAR) in Australien entdeckte mit dem „Murchison Widefield Array“ (MWA) in Westaustralien eine neue Art von Stern. Das Objekt, wahrscheinlich ein Magnetar, ein rotierender Neutronenstern mit extrem starken Magnetfeldern, die mehr als eine Milliarde Mal stärker sind als das stärkste auf der Erde erzeugte Magnetfeld, wurde als GPM J1839-10 bezeichnet. Er befindet sich in einer Entfernung von 15.000 Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Scutum (Schild). Es ist erst der zweite jemals entdeckte Magnetar mit extrem langer Ratationsperiode, der als rätselhaftes, vorübergehendes Objekt beschrieben wird, das in regelmäßigen Abständen auftaucht und wieder verschwindet und dreimal pro Stunde starke Energiestrahlen aussendet.

„Dieses bemerkenswerte Objekt stellt unser Verständnis von Neutronensternen und Magnetaren in Frage, die zu den exotischsten und extremsten Objekten im Universum gehören“, sagt Natasha Hurley-Walker, „Das erste dieser rätselhaften transienten Objekte hat uns überrascht. Wir waren verblüfft und begannen, nach ähnlichen Objekten zu suchen, um herauszufinden, ob es sich um ein isoliertes Ereignis oder lediglich um die Spitze des Eisbergs handelt.“

Beim Abscannen des Himmels mit dem MWA-Teleskop entdeckte das Team bald eine weitere Quelle, GPM J1839-10, die Energiestöße aussendet, die bis zu fünf Minuten dauern, fünfmal länger als beim ersten dieser Objekte. Folgebeobachtungen mit anderen Teleskopen bestätigten die Entdeckung und lieferten Details über die einzigartigen Eigenschaften des Magnetars.

„GPM J1839-10 ist eine ziemlich faszinierende Quelle, die sich scheinbar zu langsam dreht, um ein typischer Radiopulsar zu sein, aber auch zu stabil strahlt, um ein Radiomagnetar zu sein. Um die wahre Natur dieser Quelle zu verstehen, haben wir das Signal alle paar Millisekunden mit den von unserem Team entwickelten hochauflösenden Instrumenten zur Suche nach Pulsaren und schnellen Transienten abgetastet“, fügt Ewan Barr vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hinzu, ein Mitautor der Veröffentlichung. „Die Beobachtungen zeigten eine feine Puls-Substruktur, die quasi-periodische Schwingungen aufweist. Ob diese eine intrinsische Eigenschaft der Quelle oder ihrer Umgebung sind, muss noch geklärt werden.“

Das Team hat auch damit begonnen, die Beobachtungsarchive der wichtigsten Radioteleskope der Welt nach weiteren Informationen zu dieser Quelle zu durchsuchen.
„Der Magnetar tauchte in Beobachtungen des „Giant Metre wave Radio Telescope“ in Indien auf, und das „Very Large Array“ in den USA hatte Beobachtungen, die bis ins Jahr 1988 zurückreichen“, erklärt Natasha Hurley-Walker. „Das war ein ganz unglaublicher Moment für mich. Ich war fünf Jahre alt, als unsere Teleskope zum ersten Mal Pulse von diesem Objekt aufzeichneten, aber niemand bemerkte es, und es blieb 33 Jahre lang in den Daten verborgen.“

Nicht alle Magnetare erzeugen Radiowellen. Einige liegen unterhalb der so genannten „Todeslinie“, einer kritischen Schwelle, an der das Magnetfeld eines Sterns zu schwach wird, um Radiowellen zu erzeugen. Da GPM J1839-10 weit unterhalb der Todeslinie liegt, sollte er sich zu langsam drehen, um Radiopulse zu erzeugen.

Alle 22 Minuten sendet die Quelle einen fünfminütigen Radiowellenpuls aus, und das seit mindestens 33 Jahren. Welcher Mechanismus auch immer dahinterstecken mag, er muss außergewöhnlich sein. Die Entdeckung hat wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Physik von Neutronensternen und des Verhaltens von Magnetfeldern in extremen Umgebungen. Sie wirft auch neue Fragen über die Entstehung und Entwicklung von Magnetaren auf und könnte Licht in den Ursprung rätselhafter Phänomene wie schneller Radiobursts bringen.

Das Forscherteam plant weitere Beobachtungen des Magnetars, um mehr über seine Eigenschaften und sein Verhalten zu erfahren. Sie hoffen, in Zukunft noch weitere Magnetare mit extrem langer Periode zu entdecken, die dazu beitragen könnten, das Verständnis dieser faszinierenden und rätselhaften Objekte zu verfeinern.

Weitere Informationen:
Das Murchison Wide-field Array (MWA), mit dem die Quelle GPM J1839-10 entdeckt wurde, ist ein Vorläufer des weltweit größten Radioastronomie-Observatoriums, des SKA-Observatoriums (SKAO), das derzeit in Australien und Südafrika aufgebaut wird.

Zusätzliche Beobachtungen erfolgten mit drei australischen Radioteleskopen (Parkes, ASKAP, ATCA), mit MeerKAT in Südafrika, dem Vorläufer des SKAO für den mittleren Frequenzbereich, und mit dem Weltraum-Röntgenteleskop XMM-Newton.

Die Autoren der Veröffentlichung sind N. Hurley-Walker, N. Rea, S. J. McSweeney, B. W. Meyers, E. Lenc, I. Heywood, S. D. Hyman, Y. P. Men, T. E. Clarke, F. Coti Zelati, D. C. Price, C. Horvath, T. J. Galvin, G. E. Anderson, A. Bahramian, E. D. Barr, N. D. R. Bhat, M. Caleb, M. Dall’Ora, D. de Martino, S. Giacintucci, J. S. Morgan, K.M. Rajwade, B. Stappers und A. Williams. Yunpeng Men und Ewan Barr sind Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.

Originalpublikation:
N. Hurley-Walker et al.: A long-period radio transient active for three decades, Nature, 19. Juli 2023
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06202-5

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Universität Graz. 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Mithilfe von künstlicher Intelligenz ist es den Wissenschaftler:innen der Universität Graz und des Skoltech Institute in Moskau gelungen, das Magnetfeld in den oberen Schichten der Sonnenatmosphäre zu simulieren, in denen Eruptionen entstehen. „In diesen Bereichen sind Messungen nicht möglich. Wir brauchen daher Modellierungen, um die Vorgänge beschreiben und verstehen zu können“, erklärt Hauptautor Robert Jarolim vom Institut für Physik der Universität Graz.

Um Vorhersagen treffen zu können, beobachten und messen die Forscher:innen die Sonnenflecken. „Das sind Gebiete mit sehr starkem Magnetfeld“, sagt Jarolim. Diese Daten werden mittels künstlicher Intelligenz mit physikalischen Modellen kombiniert, um die Vorgänge in den oberen Schichten der Sonnenatmosphäre zu simulieren.

Bisher dauerte dieser Vorgang viele Stunden. „Mit unserer Methode konnten wir die Dauer der Berechnung deutlich reduzieren. Das ermöglicht es uns, fast in Echtzeit neue Daten einzupflegen und dadurch können wir Sonnenstürme wesentlich besser vorhersagen, die auf die Erde treffen“, unterstreicht der Astrophysiker.

Die Ergebnisse der Simulationen verbessern das Verständnis für das Magnetfeld der Sonne und das Weltraumwetter. Damit sind sie auch für die Raum- und Luftfahrt bedeutend, ergänzt Jarolim: „Bereits wenige Minuten nach einer Sonneneruption kommen hochgeladene Teilchen auf der Erde an. Diese sind eine Gefahr für Astronaut:innen und können ein erhöhtes Strahlungsrisiko für Flugzeugpassagiere bedeuten.“

Publikation
R. Jarolim, J. K. Thalmann, A. M. Veronig, T. Podladchikova. Probing the solar coronal magnetic field with physics-informed neuronal networks. Nature Astronomy, Volume 7, No. 6, 2023
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02030-9

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• Weltraumwetter

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