Quelle: MPS/Forschung/Planetenwissenschaften/Arbeitsgruppen/Planetare Materialien/Theia und Erde waren Nachbarn, 20. November 2025

In Kürze:

• Zutatenliste des Impaktors: In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science bestimmen Forschende die mögliche Zusammensetzung von Theia.
• Suche nach Geburtsort: Aus den „Zutaten“ des Einschlagskörpers lässt sich auf seinen Entstehungsort schließen. Dieser liegt im inneren Sonnensystem, wahrscheinlich sonnennäher als der der Erde.
• Mondproben im Labor: Bei den Analysen kam Mondgestein der Apollo-Missionen zum Einsatz. Erstmals nutzen Forschende das Verhältnis der Eisenisotope darin, um den Ursprung von Theia zu bestimmen.

Vor etwa 4,5 Milliarden Jahren kam es zu dem wohl folgenreichsten Ereignis in der Geschichte unseres Planeten: Ein gewaltiger Himmelskörper, genannt Theia, schlug in die junge Erde ein. Wie sich der Zusammenstoß abspielte und was genau danach geschah, ist nicht endgültig geklärt. Sicher ist jedoch, dass sich als Folge Größe, Aufbau, Zusammensetzung und Umlaufbahn der Erde veränderten – und dass der Einschlag die Geburtsstunde unseres ständigen Begleiters im All, des Mondes, war.

Was war das für ein Körper, der den Werdegang unseres Planeten so dramatisch umschrieb? Wie groß war Theia? Aus welchem Material bestand sie? Und aus welchem Teil des Sonnensystems raste sie auf die Erde zu? Antworten auf solche Fragen zu finden, ist schwierig. Schließlich wurde Theia bei der Kollision vollständig zerstört. Dennoch finden sich noch heute Spuren von ihr, etwa in der Zusammensetzung der heutigen Erde und des Mondes. In der aktuellen Untersuchung, die am 20. November 2025 in der Fachzeitschrift Science erschien, schließen Forschende unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) und der Universität von Chicago auf diesem Wege auf die mögliche „Zutatenliste“ von Theia – und so auf ihren Entstehungsort.

In der Zusammensetzung eines Körpers ist seine gesamte Entstehungsgeschichte archiviert, auch sein Entstehungsort.
Thorsten Kleine, Direktor am MPS und Koautor der neuen Studie

Besonders aussagekräftig sind die Verhältnisse, in denen bestimmte Metallisotope in einem Körper vorliegen. Isotope sind Varianten desselben Elements, die sich allein durch die Anzahl ihrer Neutronen im Atomkern – und damit durch ihr Gewicht – unterscheiden. Im frühen Sonnensystem dürften die Isotope eines jeweiligen Elementes nicht gleichverteilt gewesen sein: Am äußeren Rand des Sonnensystems etwa kamen die Isotope in einem minimal anderen Verhältnis vor als in Sonnennähe. Informationen über die Herkunft seines ursprünglichen Baumaterials bleibt auf diese Weise in der Isotopenzusammensetzung eines Körpers gespeichert.

Suche nach Spuren von Theia in Erde und Mond
In der aktuellen Studie bestimmt das Forscherteam erstmals das Verhältnis verschiedener Eisenisotope in Erd- und Mondgestein mit bisher unerreichter Genauigkeit. Dafür untersuchen sie 15 Proben typischen Erdgesteins und sechs Gesteinsproben, die Astronauten der Apollo-Missionen zurück zur Erde gebracht haben. Das Ergebnis überrascht kaum: Wie schon frühere Messungen der Isotopenverhältnisse von Chrom, Kalzium, Titan und Zirkonium ergeben hatten, sind Erde und Mond in dieser Hinsicht nicht unterscheidbar.

Doch die große Ähnlichkeit erlaubt keinen direkten Rückschluss auf Theia. Dafür sind zu viele Kollisionsszenarien denkbar. Zwar gehen die meisten Modelle davon aus, dass sich der Mond fast ausschließlich aus Material von Theia formte. Es ist aber auch möglich, dass er vornehmlich aus Material des frühen Erdmantels besteht oder dass sich das Gestein von Erde und Theia untrennbar durchmischte.

Reverse Engineering eines Planeten
Um dennoch mehr über Theia zu erfahren, wandten die Forschenden eine Art Reverse Engineering für Planeten an. Ausgehend von den übereinstimmenden Isotopenverhältnissen in heutigem Erd- und Mondgestein spielte das Team durch, welche Zusammensetzungen und Größen von Theia sowie welche Zusammensetzung der frühen Erde zu diesem Endzustand geführt haben könnten. Die Forschenden schauten in ihren Untersuchungen nicht nur auf Eisenisotope, sondern auch auf solche von Chrom, Molybdän und Zirkonium. Die verschiedenen Elemente verschaffen Zugang zu unterschiedlichen Phasen der Planetenentstehung.

Lange vor der verheerenden Begegnung mit Theia hatte sich im Innern der frühen Erde eine Art Sortierprozess abgespielt. Mit Entstehung des Eisenkerns reicherten sich manche Elemente wie etwa Eisen oder Molybdän dort an; im Gesteinsmantel fehlten sie danach weitgehend. Das Eisen, das sich heute im Erdmantel findet, kann also erst nach der Kernbildung „zugereist“ sein, etwa an Bord von Theia. Andere Elemente wie Zirkonium, die nicht in den Kern sanken, dokumentieren hingegen die gesamte Entstehungsgeschichte unseres Planeten.

Meteoriten als Referenz
Von den rechnerisch möglichen Zusammensetzungen von Theia und der frühen Erde, die sich in den Berechnungen ergaben, scheiden einige als unplausibel aus.

Das überzeugendste Szenario ist, dass der Großteil des Baumaterials von Erde und Theia aus dem inneren Sonnensystem stammt. Erde und Theia dürften Nachbarn gewesen sein.
Timo Hopp, MPS-Wissenschaftler und Erstautor der neuen Studie

Während sich die Zusammensetzung der frühen Erde überwiegend als Mischung bekannter Meteoritenklassen darstellen lässt, ist dies bei Theia nicht der Fall. Verschiedene Meteoritenklassen sind in unterschiedlichen Bereichen des äußeren Sonnensystems entstanden. Sie dienen deshalb als Referenzmaterial für das Baumaterial, das bei der Entstehung der frühen Erde und von Theia zur Verfügung stand. Bei Theia dürfte auch eine größere Menge bisher unbekannten Materials im Spiel gewesen sein, dessen Ursprung die Forschenden näher an der Sonne verorten als die Erde. Die Rechnungen sprechen deshalb dafür, dass Theia sonnennäher entstanden ist als unser Planet.

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• Mond

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Quelle: Wissenschaft im Dialog (WiD) vom 04. April 2023.

Von der Erde über benachbarte Exoplaneten bis hin zum Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: Im Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum nimmt das Ausstellungsschiff seine Besucherinnen und Besucher mit auf eine Reise durch unsere Galaxie – und darüber hinaus. An rund 30 interaktiven Exponaten lässt sich das Universum spielerisch entdecken. So können Interessierte virtuell zu unserem benachbarten Sonnensystem Alpha Centauri fliegen oder auf fernen Monden nach außerirdischem Leben suchen. Außerdem erfahren sie, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Teleskopen weit ins All schauen und beispielsweise Sternenexplosionen untersuchen. Andere Exponate richten den Blick auf die Erde und befassen sich etwa mit Satelliten, die Veränderungen durch den Klimawandel auf unserem Planeten beobachten. Auch kulturelle und historische Unterschiede in den Vorstellungen der Menschen vom Universum sind Thema der Ausstellung. Darüber hinaus lernen Ausstellungsgäste, wie sie selbst zur Forschung beitragen können, etwa indem sie Sternenstaub vor der eigenen Haustüre suchen.

Die Exponate zeigen, wie sich unterschiedliche wissenschaftliche Disziplinen von der Astrophysik bis zur Kunstgeschichte mit dem Weltraum beschäftigen. So weckt die Ausstellung nicht nur Begeisterung für das Universum, sondern illustriert auch, wie vielfältig seine Erforschung ist und welche Erkenntnisse eine Bedeutung für unseren Alltag haben.

Die Tour 2023
Von Berlin aus fährt das Schiff nach Brandenburg und Sachsen-Anhalt, und von dort weiter Richtung Schleswig-Holstein und Hamburg. Anschließend geht es für die MS Wissenschaft über Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg weiter nach Hessen. Im September erreicht das Ausstellungsschiff Bayern. Dort endet in Nürnberg die diesjährige Deutschlandtour und die MS Wissenschaft fährt weiter Richtung Österreich, wo sie in Krems, Tulln und Wien Halt macht.

Die MS Wissenschaft tourt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durch Deutschland. Wissenschaft im Dialog (WiD) realisiert die Ausstellung mit Unterstützung der hinter WiD stehenden Wissenschaftsorganisationen. Die Exponate kommen direkt aus der Forschung und werden zur Verfügung gestellt von Instituten der Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft, Leibniz-Gemeinschaft, Max-Planck-Gesellschaft und DFG-geförderten Projekten, Hochschulen sowie weiteren Partnern. Die Ausstellung wird für Besucherinnen und Besucher ab zwölf Jahren empfohlen.

Alle Stationen der Tour auf einen Blick: ms-wissenschaft.de/besuch/tour-2023/

Öffnungszeiten:
Täglich 10 – 19 Uhr (für Schulklassen ab 9 Uhr).
Informationen zu Abweichungen in einzelnen Städten auf der Website ms-wissenschaft.de/besuch/tour-2023/.

Informationen zur Ausstellung: ms-wissenschaft.de
Informationen zum Wissenschaftsjahr 2023 – Unser Universum: wissenschaftsjahr.de

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: MPI/AEI.

21. April 2022. „Die Beobachtung kontinuierlicher Gravitationswellen würde es uns ermöglichen, Neutronensterne zu entdecken, die wir auf andere Weise nicht aufspüren können“, sagt M. Alessandra Papa, die die dauerhafte unabhängige Forschungsgruppe leitet. „Mit der Rechenzeit, die wir mit unserem Antrag eingeworben haben, machen wir einen weiteren Schritt zur ersten Beobachtung kontinuierlicher Gravitationswellen.“

Die AEI-Forschenden werden die PRACE-Rechenressourcen nutzen, um öffentliche Daten der LIGO-Detektoren zu analysieren. „Unser Ziel ist die Suche nach kontinuierlichen Gravitationswellen von unbekannten rotierenden Neutronensternen. Wir werden über den gesamten Himmel und über eine große Bandbreite von Quelleneigenschaften suchen“, erklärt Pep Blai Covas Vidal, der Wissenschaftler, der den PRACE-Antrag leitete und kürzlich ein Marie-Skłodowska-Curie-Fellowship erhielt. „Diese Suchen sind sehr rechenintensiv – mehr als 10 Millionen Rechenkernstunden auf Grafikprozessoren hat PRACE für unsere Analysen bewilligt.“

Eine der weltweit führenden Gruppen

Die Forschungsgruppe von Papa ist eine der weltweit führenden Gruppen auf dem Gebiet der bislang noch unbeobachteten kontinuierlichen Gravitationswellen. Das internationale Forschungsteam entwickelt, verbessert und führt die tiefsten und empfindlichsten Suchen nach diesen lang anhaltenden Signalen durch, die von schnell rotierenden Neutronensternen erwartet werden.

Neutronensterne sind extreme Objekte: Diese kompakten Sternreste entstehen in Supernova-Explosionen und haben in der Regel etwa die 1,5-fache Masse unserer Sonne, aber nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern – dies entspricht der Größe einer Stadt. Da die Himmelsposition, die Rotation und andere Eigenschaften der einzelnen Neutronensterne unbekannt sind, gibt es eine Vielzahl möglicher Kombinationen dieser Eigenschaften zu überprüfen. Die Empfindlichkeit der Suchen ist durch die verfügbare Rechenleistung begrenzt.

Die unsichtbare Population der galaktischen Neutronensterne entdecken

Unsere Milchstraße könnte rund hundert Millionen Neutronensterne enthalten. Bisher wurden jedoch nur etwa 3300 entdeckt. Gravitationswellen könnten die einzige Möglichkeit sein, den allergrößten Teil dieser unsichtbaren Population extremer Objekte zu entdecken.

„Wenn wir sehr viel Glück haben, könnte diese neue Suche, die durch die Hochleistungsrechenressourcen von PRACE ermöglicht wird, zum ersten direkten Nachweis von kontinuierlichen Gravitationswellen führen“, erklärt Papa. „Dies wäre nicht nur eine bedeutende Entdeckung, sondern auch unser erster Schritt in ein neues Forschungsgebiet, in dem wir die innere Struktur und die Zusammensetzung von Neutronensternen mit Hilfe eines neuen astronomischen Boten untersuchen könnten“, fügt sie hinzu.

PRACE

Die Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) ist eine gemeinnützige internationale Vereinigung mit Sitz in Brüssel. Die PRACE-Forschungsinfrastruktur bietet Wissenschaftler*innen und Forscher*innen aus dem akademischen Bereich und der Industrie in Europa einen dauerhaften Hochleistungsrechnerdienst auf Weltniveau. Die über PRACE zugänglichen Computersysteme und ihr Betrieb werden von fünf PRACE-Mitgliedern bereitgestellt (BSC als Vertreter Spaniens, CINECA als Vertreter Italiens, ETH Zürich/CSCS als Vertreter der Schweiz, GCS als Vertreter Deutschlands und GENCI als Vertreter Frankreichs). Die Umsetzungsphase von PRACE wird durch das EU-Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 (2014-2020) unter der Finanzhilfevereinbarung 823767 gefördert.

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• Gravitationswellen

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

Nach dem Start von Euclid von Französisch-Guayana im Jahr 2022 wird das NISP-Instrument die weltweit größte Nahinfrarot-Weitfeldkamera beliefern, die je in den Weltraum gebracht wurde. Es wird dann Nahinfrarot-Photometrie, Spektren und Rotverschiebungen von Dutzenden Millionen entfernter Galaxien liefern, die eine detaillierte Beschreibung der dreidimensionalen Struktur des Universums und seiner Entwicklung als Funktion der Zeit liefern. Euclid wird die 3-D-Verteilung von Galaxien und dunkler Materie vermessen und die Geometrie des Universums kartographieren, um genaue Messungen der mysteriösen dunklen Materie und dunklen Energie, die den größten Teil des Kosmos ausmachen, durchzuführen. Niemand weiß bisher, was Dunkle Energie ist, und Euclid wird für Kosmologen und Astronomen, die dies herausfinden wollen, das bisher leistungsfähigste Werkzeug sein.

Euclid hat ein 1,2-Meter-Spiegelteleskop, das sowohl bei sichtbaren als auch bei nahen Infrarot-Wellenlängen arbeiten soll. Es wird Licht von weit entfernten kosmischen Objekten sammeln und in NISP und das zweite Instrument, das VISible Instrument (VIS), einspeisen, die beide parallel arbeiten und bei jeder Belichtung des Teleskops genau dieselben Regionen des Himmels beobachten. Das komplexe optische System für NISP wurde am MPE gebaut und getestet. Es besteht aus einer optischen Baugruppe mit dem Kameraobjektiv „CaLA“ und dem Korrektorobjektiv „CoLA“, die im Dezember 2018 vollständig in das NISP integriert wurden. Das MPE wird weiterhin die Testergebnisse auf Systemebene vorhersagen und unterstützen. Parallel dazu wird das Euclid-Team am MPE simulierte Daten auf der Grundlage ihres „wie gebaut“-Instrumentenmodells der Euclid-Forschungsgemeinschaft zur Verfügung stellen.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: DLR.

Wie können Daten sicher übertragen werden? Eine Frage, die sich in der digitalen Welt von heute immer dringender für Behörden und Unternehmen, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0, und auch für Privatpersonen stellt. Benötigt werden Lösungen, die auch den Sicherheitsanforderungen kommender Jahre und Jahrzehnte gewachsen sind. Die Quantenverschlüsselung sticht dabei besonders hervor. Sie ermöglicht es, die Sicherheit der Datenübertragung auf die Gültigkeit grundlegender Gesetze der Quantenphysik zurückzuführen.

Am 12. November 2019 fand das Kick-Off der ersten Projektphase der Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) statt. Ziel der Initiative ist es, die Grundlagen für ein nationales Quantennetzwerk zu schaffen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet dabei an praxistauglichen Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation, um Schlüssel über große Distanzen hinweg sicher zu vereinbaren. Bisher ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Unter Einsatz von Satelliten können Schlüssel hingegen prinzipiell zwischen beliebigen Orten auf der Erde vereinbart werden. Die Forschungsinitiative QuNET wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik geleitet.

Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation blickt auf eine über 20-jährige Forschung und zahlreichende Ergebnisse im Bereich der optischen Freiraumkommunikation zurück. Da die Protokolle der Quantenkommunikation die Handhabung einzelner Photonen erfordern, muss die Übertragung sehr effizient sein, das heißt möglichst viele der gesendeten Photonen müssen zur Schlüsselerzeugung beitragen. Außerdem müssen Fremdeinstrahlungen vermieden werden. Die Atmosphäre ist dabei sowohl im Bezug auf Dichteschwankungen als auch durch Streuprozesse störend.

Das DLR-Team trägt in der ersten Projektphase ein Testsystem am Boden bei, das verschiedene Quanten-Quellen und -Empfänger verbinden wird. Dazu können die Wissenschaftler auf eigene frühere Entwicklungen zurückgreifen: Insbesondere wird die Systemtechnik des OSIRISv3-Laserkommunikationsterminals als Basis der Sendeeinheit für die Quantenkommunikation genutzt, während auf der Empfängerseite Entwicklungen aus dem Multi-Terrabits-pro-Sekunde-Übertragungssystem THRUST genutzt werden.

Über das Projekt
Die Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die erste Projektphase „QuNET-alpha – Demonstrationsexperiment zur Kommunikation unter Einsatz von Quantentechnologien“ ist bis Ende 2020 angesetzt. Zum QuNET-Forschungsverbund gehört das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik als Koordinator sowie das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut), das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Die QuNET-Konsortialpartner
DLR-Institut für Kommunikation und Navigation
Das Institut befasst sich mit der Konzeption und Analyse von Systemen für die Kommunikation und Navigation in Anwendungen der Raumfahrt, Luftfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit. Das Spektrum der Arbeiten reicht von Grundlagenfragen bis hin zu Technologiedemonstrationen. Eine besondere Demonstration gelang Mitarbeitenden des Instituts gemeinsam mit der Ludwig-Maximilians-Universität München im Jahr 2011. Erstmals wurde erfolgreich zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation ein Quantenschlüssel erzeugt – ein wichtiger Schritt hin zu einer weltweiten abhörsicheren Datenkommunikation.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Das Fraunhofer IOF entwickelt optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Das Institut ist in den fünf Geschäftsfeldern Optische Komponenten und Systeme, Feinmechanische Komponenten und Systeme, Funktionale Oberflächen und Schichten, Photonische Sensoren und Messsysteme sowie Lasertechnik aktiv.

Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI
Das Fraunhofer HHI ist weltweit führend in der Erforschung mobiler und optischer Kommunikationsnetze sowie in der Kodierung von Videosignalen und deren Verarbeitung. Am HHI entwickelte photonisch integrierte Schaltkreise sind weltweit bei der Übertragung hoher Datenraten durch Glasfasernetze im Einsatz. Im Projekt QuNET steuert das Institut seine Expertise in photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs) für das Quantennetz sowie in Test und Management von Glasfasernetzen bei.

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts MPL
Das MPL der Max-Planck-Gesellschaft deckt ein breites Forschungsspektrum ab, darunter nichtlineare Optik, Quantenoptik, Nanophotonik, photonische Kristallfasern, Optomechanik, Quantentechnologien, Biophysik und Verbindungen zwischen Physik und Medizin. Das Institut bringt seine Expertise in der Quantenkommunikation bei QuNET federführend in das Gesamtkonzept und die Sicherheitsanalyse durch interdisziplinäre Fragestellungen ein. Dies umfasst die Grundlagenforschung in der Quantenoptik sowie informationstheoretische und technische Aspekte. Gleichzeitig entwickelt das MPL zusammen mit den anderen Partnern neuartige Quantenquellen, Techniken für die effiziente Kopplung an Quantengattern und Systeme für die Quantenschlüsselverteilung, die effizient mit klassischen Telekommunikationstechniken zusammenarbeiten.

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Einen völlig neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie haben Wissenschaftler der BASE-Kollaboration am europäischen Forschungszentrum CERN zusammen mit einer Arbeitsgruppe am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) verfolgt: Erstmals haben sie den Einfluss von Dunkler Materie auf Antimaterie statt auf gewöhnliche Materie untersucht. Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Beteiligt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des japanischen Forschungszentrums RIKEN, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) Braunschweig, die wiederum im Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries zusammenarbeiten, sowie des CERN, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Tokyo, der GSI Darmstadt und der Leibniz Universität Hannover.

„Bisher haben Wissenschaftler in Präzisionsexperimenten bei niedrigen Energien stets materie-basierte Proben benutzt, um an ihnen eine Kopplung von Dunkler Materie nachzuweisen“, erläutert der Erstautor der aktuellen Studie, Dr. Christian Smorra, der zurzeit am japanischen Forschungsinstitut RIKEN tätig ist und in den nächsten Jahren im Rahmen eines ERC Starting Grants am Institut für Physik der JGU eine Arbeitsgruppe aufbauen wird. „Wir suchen zum ersten Mal explizit nach einer Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie. Die meisten Studien gehen von einer symmetrischen Wechselwirkung der Dunklen Materie mit Teilchen und Antiteilchen aus. Wir überprüfen in unserer Studie, ob das wirklich der Fall ist.“

Dieser Ansatz hat doppelten Charme: Über die mikroskopischen Eigenschaften der Dunklen Materie ist bisher nur sehr wenig bekannt – einer der viel diskutierten Kandidaten sind sogenannte ALPs (Axion Like Particles). Darüber hinaus liefert das Standardmodell der Teilchenphysik keine Erklärung, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt. „Wir hoffen, durch unsere Experimente einen Hinweis zu finden, der die beiden Fragestellungen verbinden könnte“, so Dr. Yevgeny Stadnik, der im Rahmen eines Humboldt Fellowships am HIM an der Studie mitgewirkt hat. „Denn sowohl theoretisch als auch experimentell ist eine asymmetrische Wechselwirkung dieser Art zuvor noch nicht untersucht worden. In unserer aktuellen Forschungsarbeit gehen wir einen ersten Schritt in diese Richtung.“

Gefangene Antiprotonen sollen Hinweise auf Dunkle Materie liefern
Das Untersuchungsobjekt der Wissenschaftler ist ein einzelnes Antiproton, gefangen in einer speziellen Teilchenfalle, einer sogenannten Penningfalle. Diese Teilchen erzeugten die Wissenschaftler am Antiproton Decelerator (AD) am CERN, der weltweit einzigen Forschungsanlage, in der Antiprotonen bei niedriger Energie zur Verfügung gestellt werden. Anschließend speicherten und untersuchten die Wissenschaftler die dort erzeugten Antiprotonen im Fallensystem der BASE Kollaboration.

Das Antiproton besitzt nicht nur eine Ladung, sondern auch einen Eigendrehimpuls – im Fachjargon Spin. In einem Magnetfeld präzediert dieser Spin mit einer ganz bestimmten, konstanten Frequenz – der Spinpräzessionsfrequenz. „Die Anwesenheit von Dunkler Materie könnten wir dadurch detektieren, dass sich diese Frequenz verändert“, so Christian Smorra. „Dabei betrachten wir die potentiellen Teilchen der Dunklen Materie als klassisches Feld mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Dunkle Materie Wellen laufen kontinuierlich durch unser Experiment und verändern dort periodisch die eigentlich konstante Präzessionsfrequenz des Antiproton-Spins im Magnetfeld.“

Mit ihrem experimentellen Aufbau haben die Forscher einen bestimmten Frequenzbereich abgesucht – und bisher keine Hinweise auf Dunkle Materie gefunden. „Mit unserem aktuellen Messaufbau haben wir zwar keine signifikante und periodische Änderung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons gefunden“, erläutert Stefan Ulmer, Sprecher der BASE Kollaboration am CERN. „Gleichwohl haben wir die Empfindlichkeit im Vergleich zu astrophysikalischen Beobachtungen um bis zu fünf Größenordnungen übertroffen. Das bedeutet, wir haben basierend auf der jetzigen Empfindlichkeit unseres Experiments eine neue obere Grenze für die Stärke einer potentiellen Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und Antimaterie definiert.“

Zwei Forschungsgruppen zusammengeführt
Im Grunde genommen haben die Wissenschaftler in ihrem aktuellen Projekt zwei Forschungsgruppen zusammengeführt. Die BASE Kollaboration am CERN beschäftigt sich schon sehr lange und erfolgreich mit den fundamentalen Eigenschaften des Antiprotons, während die Gruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker, Wissenschaftler am Exzellenzcluster PRISMA+ der JGU und am HIM, sehr aktiv bei der Suche nach Dunkler Materie ist und entscheidend zur Interpretation der Studie beigetragen hat. „Wir haben festgestellt, dass unsere Forschung sehr viele Schnittmengen aufweist und daraus die Idee für diesen neuen Ansatz bei der Suche nach Dunkler Materie geboren“, so Dmitry Budker.

Künftig wollen die Wissenschaftler die Genauigkeit bei der Messung der Spinpräzessionsfrequenz des Antiprotons weiter verbessern – dies wäre dann auch die Voraussetzung dafür, die Antimaterie-basierte Suche nach Dunkler Materie noch empfindlicher zu machen. Hierzu werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jochen Walz am Institut für Physik der JGU, in Zusammenarbeit mit MPIK und RIKEN, neue Kühlmethoden für Protonen und Antiprotonen entwickelt, während eine Gruppe von Wissenschaftlern an der PTB Braunschweig, der Leibniz Universität Hannover und RIKEN derzeit Methoden zur Quantenlogik-Spektroskopie des Antiproton-Spins entwickelt. Es wäre darüber hinaus interessant, ähnliche Studien mit anderen Antiteilchen durchzuführen, zum Beispiel mit Positronen oder Antimyonen.

Veröffentlichung
C. Smorra, Y. V. Stadnik, P. E. Blessing, M. Bohman, M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. Erlewein, J. A. Harrington, T. Higuchi, A. Mooser, G. Schneider, M. Wiesinger, E. Wursten, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, D. Budker& S. Ulmer: Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Oktober 2019 – Wer ihn in diesem Jahr verpasst, wird dreizehn Jahre auf den nächsten warten müssen… Die Rede ist vom Merkurtransit, einer Konstellation, bei der Merkur an der Sonne vorbeizieht und von der Erde aus (mit Teleskopen) als schwarzer Fleck auf der Sonnenscheibe zu sehen ist. Am Montag, 11. November 2019, wird dieses Himmelsphänomen über Europa zu beobachten sein. Mit Vorträgen, Shows im mobilen Planetarium, Beobachtungen des Transits mit Sonnenteleskopen und weiteren Aktionen bieten das Institut für Astrophysik der Universität Göttingen (IAG), das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) und der Förderkreis Planetarium Göttingen (FPG) in der Zeit von 13 bis 18 Uhr am Nordcampus ein umfangreiches Rahmenprogramm für das Schauspiel am Himmel.

Merkur ist der kleinste und sonnennächste Planet. Etwa alle 116 Tage überholt er auf seiner Innenbahn die Erde. Aber nur wenn dieses in der Nähe der Schnittlinie zwischen Merkur- und Erdbahnebene geschieht, kommt es zu einem Merkurtransit. Dies passiert etwa 13 bis 14 Mal im Jahrhundert und ist aufgrund der Bahngeometrie nur zwischen dem 6. und dem 11. Mai oder zwischen dem 6. und dem 15. November möglich. Während der letzte Merkurtransit vor etwas mehr als drei Jahren zu sehen war, wird der nächste erst für 2032 erwartet.

Der diesjährige Transit beginnt in der Mittagszeit. Um 13.35 Uhr schiebt sich der Planet vor die Sonne. Die Mitte der Sonnenscheibe erreicht er um 16.19 Uhr. Wenige Minuten später geht die Sonne unter.

Wegen der geringen Größe des Merkurs wird dies alles nur mit Hilfe von Teleskopen zu sehen sein. Auf der Beobachtungsplattform des IAG stehen deshalb drei Sonnenteleskope bereit, die den Besucherinnen und Besuchern einen gefahrlosen und hochaufgelösten Blick auf die Sonne ermöglichen. Nach Sonnenuntergang lassen sich von dort auch die Planeten Venus, Jupiter und Saturn ausmachen.

Auch am benachbarten MPS dreht sich an diesem Nachmittag alles um Sonne, Merkur und Planetentransite. Um 15 Uhr beantwortet MPS-Wissenschaftler Dr. René Heller in einem Vortrag für Kinder und Jugendliche die Frage „Wie findet man einen Exoplaneten?“ Bei der Suche nach solchen Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems setzen Forscherinnen und Forscher auf Transite: Wenn der Planet vor seinem Stern vorbeizieht, verdunkelt sich der Stern leicht – und verrät so seinen planetaren Begleiter. Die Entdeckung des ersten Exoplaneten vor 24 Jahren wurde vor wenigen Wochen mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ebenfalls für Kinder geeignet sind die Shows im mobilen Planetarium des FPG, das im Foyer des MPS aufgebaut sein wird. Um 13 Uhr und 16 Uhr laufen mit „Das Phantom des Universums“ und „Europas Weg zu den Sternen“ Shows, die sich an Kinder ab 10 Jahren sowie an Jugendliche und Erwachsene richten. Während die erste Show die Besucherinnen und Besucher auf die Suche nach der geheimnisvollen Dunklen Materie führt, nimmt die zweite die Zuschauerinnen und Zuschauer mit auf eine epische Reise hinter die Kulissen des leistungsstärksten bodenbasierten Observatoriums der Welt. Um 14 Uhr kommen die jüngeren Weltraumbegeisterten zu ihrem Recht. Die Show „Polaris – Das Rätsel der Polarnacht“ entführt Kinder ab einem Alter von 5 Jahren auf eine spannende Reise um die Erde, zum Mars und zum Saturn.

Nach Sonnenuntergang um 17 Uhr bietet Prof. Dr. Wolfgang Müller von der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) einen Vortrag zum Thema „Planetentransite und die Vermessung des Weltalls“. Dabei spannt er einen breiten Bogen von historischen Expeditionen zur Beobachtung von Venus-Transits bis zum Nobelpreis für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums.

Zudem werden Live-Bilder des Merkurtransits aufgenommen von der NASA-Raumsonde Solar Dynamics Observatory gezeigt, die gemeinsame Astro-AG des Otto-Hahn-Gymnasiums und des Felix-Klein-Gymnasiums ist mit einem Stand vertreten und es gibt Waffeln und Getränke.

Für die Vorträge und Planetariumshows ist keine Anmeldung erforderlich. Der Eintritt ist kostenlos. Für die Vorstellungen im Planetarium werden Einlasskarten vor Ort ausgegeben. Nach Beginn der Vorstellungen ist kein Einlass möglich.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

31. Oktober 2019 – Astronomen unter der Leitung von Eduardo Bañados vom Max-Planck-Institut für Astronomie haben eine Gaswolke entdeckt, die Informationen über die Frühphase der Galaxien- und Sternentstehung liefert, bloße 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Die Gaswolke wurde zufällig bei der Beobachtung eines entfernten Quasars gefunden, und sie sieht so aus, wie sich die Astronomen die Vorläufer moderner Zwerggalaxien vorgestellt haben. Was die relativen Häufigkeiten der chemischen Elemente angeht, ist die Wolke dagegen überraschend modern. Das ist nur möglich, wenn sich die ersten Sterne im Universum sehr rasch direkt nach dem Urknall gebildet haben. Die neuen Ergebnisse wurden jetzt im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Wenn Astronomen ferne Himmelsobjekte beobachten, dann blicken sie zwangsläufig in die Vergangenheit zurück. Die von Bañados et al. entdeckte Gaswolke ist so weit entfernt, dass ihr Licht fast 13 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Dementsprechend zeigt uns das Licht, das uns jetzt erreicht, wie die Gaswolke vor fast 13 Milliarden Jahren aussah, nicht mehr als etwa 850 Millionen Jahre nach dem Urknall. Für Astronomen ist jene Zeit besonders interessant, innerhalb der ersten mehreren hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten sich die ersten Sterne und Galaxien – und die Details dieser frühen Entwicklung sind noch weitgehend unbekannt.

Die Entdeckung der außergewöhnlichen Gaswolke verdanken die Astronomen dem Zufall. Bañados, damals an der Carnegie Institution for Science, und seine Kollegen waren dabei, eine Gruppe von Quasaren genauer zu untersuchen. Jene Gruppe von 15 fernen Quasare hatte Ko-Autorin Chiara Mazzucchelli für ihre Doktorarbeit am Max-Planck-Institut für Astronomie zusammengestellt und dazu die entferntesten bekannten Vertreter der Gattung (Rotverschiebung z³6.5) versammelt. Zuerst stellten die Forscher nur fest, dass der Quasar P183+05 ein eher ungewöhnliches Spektrum aufwies. Aber als Bañados dann eine detailreichere Aufnahme eines Spektrums analysierte, die er mit einem der Magellan-Teleskope am Las-Campanas-Observatorium in Chile angefertigt hatte, erkannte er, worum es sich eigentlich handelte: Das Ungewöhnliche in dem Spektrum waren die Spuren einer Gaswolke, die sehr nahe an dem entfernten Quasar lag – eine der entferntesten Gaswolken, die Astronomen bisher haben identifizieren können.

Durchleuchtet von einem fernen Quasar
Quasare sind die extrem hellen aktiven Kerne entfernter Galaxien. Verantwortlich für ihre große Leuchtkraft ist das zentrale supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie. Materie, die um dieses schwarze Loch kreist (bevor sie dann hineinfällt), erwärmt sich dabei auf Temperaturen von Hunderttausenden von Grad und sendet deswegen enorme Mengen an Strahlung aus. Die große Helligkeit ermöglicht es Astronomen, Quasare als Hintergrund-Lichtquellen zu nutzen, um Wasserstoff und andere chemische Elemente „in Absorption“ zu beobachten: Befindet sich eine Gaswolke direkt zwischen dem Beobachter und einem entfernten Quasar, absorbiert sie einen Teil des Quasar-Lichts und lässt sich auf diese Weise nachweisen.

Astronomen untersuchen zu diesem Zweck das Spektrum des Quasars, also die regenbogenartige Zerlegung des Lichts in die verschiedenen Wellenlängenbereiche. Die Stärke der Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen liefert Informationen über die chemische Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und sogar über die Entfernung der Gaswolke von uns (sowie ihre Entfernung vom Quasar). Verantwortlich dafür ist der Umstand, dass jedes chemische Element einen „Fingerabdruck“ von Spektrallinien hat – jede Linie ein enger Wellenlängenbereich, in dem die Atome dieses Elements Licht besonders gut emittieren oder absorbieren können. Das Vorhandensein eines charakteristischen Fingerabdrucks zeigt das Vorhandensein eines bestimmten chemischen Elements an und lässt sogar Rückschlüsse darauf zu, eine wie große Menge des Elements in der Wolke vorhanden ist.

Spuren der ersten Sterne?
Aus dem Spektrum der neu entdeckten Gaswolke konnten die Forscher sofort erkennen, wie weit die Wolke von uns entfernt ist – und das sie in diesem Falle in die erste Milliarde Jahre kosmischer Geschichte zurückblickten. Sie fanden auch Spuren von mehreren chemischen Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und Magnesium. Die Menge dieser Elemente war jedoch winzig und entsprach nur rund einem Achthundertstel der Häufigkeit jener Elemente in der Atmosphäre unserer Sonne. Astronomen fassen alle Elemente schwerer als Helium unter den Sammelbegriff „Metalle“ zusammen; die Messung macht die Gaswolke zu einem der metallärmsten (und entferntesten) Himmelsobjekte, das wir kennen. Michael Rauch von der Carnegie Institution of Science, Mitautor der neuen Studie, sagt: „Nachdem wir überzeugt waren, dass wir nur 850 Millionen Jahre nach dem Urknall auf urtümliches Gas gestoßen waren, haben wir uns gefragt, ob dieses System vielleicht sogar die chemischen Fingerabdrücke der allerersten Generation von Sternen enthält.“

Die Suche nach diesen Sternen der ersten Generation, die zur sogenannten „Population III“ gehören, ist eine der wichtigsten Aufgaben die es zu lösen gilt um herauszufinden, was im frühen Universum geschah. Im späteren Universum spielen chemische Elemente, die schwerer als Wasserstoff sind, eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, Gaswolken zu Sternen kollabieren zu lassen. Aber diese chemischen Elemente, insbesondere Kohlenstoff, werden ihrerseits erst in Sternen produziert und in Supernova-Explosionen ins All geschleudert. Für die ersten Sterne stand noch kein Kohlenstoff als Kollaps-Beschleuniger zur Verfügung, denn direkt nach der Urknallphase gab es nur Wasserstoff- und Heliumatome. Das macht die ersten Sterne grundlegend anders als alle späteren Sterne.

Die Analyse des Spektrums der Wolke zeigte, dass deren chemische Zusammensetzung alles andere als urtümlich war, sondern erstaunlich genau den relativen Häufigkeiten der Elemente entsprach, wie man sie in den heutigen intergalaktischen Gaswolken findet. Das stellt für die Modelle der Entstehung der ersten Sterne eine beachtliche Herausforderung dar.

So viele Sterne, so wenig Zeit
Insbesondere muss die Entstehung der ersten Sterne diesen Ergebnissen nach bereits deutlich früher begonnen haben muss als zu jener Zeit, zu der wir die Gaswolke beobachten. Es musste nämlich seit Beginn der ersten Sternentstehung genügend Zeit vergangen sein, dass sich das heutige Gleichgewicht einstellen konnte – und die Spuren der frühen Sternchemie von den nachfolgenden Sternexplosionen mindestens einer weiteren Generation von Sternen überlagert werden konnten. Besonders wichtig ist dabei die Rolle der sogenannten Supernovae vom Typ Ia. Solche Supernovae finden rund eine Milliarde Jahre nach der Entstehung der beteiligten Sterne statt. Das schiebt die Entstehung jener Sterne weit in die Vergangenheit, in die Zeit direkt nach dem Urknall.

Nachdem die Astronomen diese eine sehr frühe Wolke gefunden haben, suchen sie systematisch nach weiteren Exemplaren. „Es ist spannend, dass wir die Metallizität und die Elementhäufigkeiten so früh in der Geschichte des Universums messen können. Aber wenn wir die Spuren der allerersten Sterne identifizieren wollen, müssen wir noch weiter in die Vergangenheit vordringen. Ich bin optimistisch, dass wir noch weiter entfernte Gaswolken finden werden, die uns helfen können zu verstehen, wie die ersten Sterne geboren wurden.“

Hintergrundinformationen
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden als Bañados et al., „A metal-poor damped Ly-alpha system at redshift 6.4„, im Astrophysical Journal veröffentlicht.

Die von MPIA-Seite Beteiligten sind Eduardo Bañados (auch Carnegie Institution for Science), Emanuele Farina und Joe Hennawi (beide auch UCSB), Bram P. Venemans und Fabian Walter (auch NRAO), in Zusammenarbeit mit Michael Rauch (Carnegie Institution for Science), Roberto Decarli (INAF Bologna), Chiara Mazzucchelli (ESO), Robert A. Simcoe (MIT-Kavli Center for Astrophysics and Space Research), J. Xavier Prochaska (UCSC), Thomas Cooper (Carnegie Institution for Science), Frederick B. Davies (UCSB) und Shi-Fan S. Chen (MIT-Kavli Center for Astrophysics and Space Research und UC Berkeley).

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal haben Astronomen ein chemisches Element identifiziert, das durch das Verschmelzen zweier Neutronensterne gebildet wurde. Der verantwortliche Mechanismus, der als r-Prozess bezeichnet wird – auch bekannt als schneller Neutroneneinfang – gilt als der Ursprung großer Mengen von Elementen, die schwerer sind als Eisen. Diese Entdeckung wirft neues Licht auf das Rätsel über diejenigen Objekte, in denen dieser r-Prozess stattfindet. Mit wichtigen Beiträgen des Max-Planck-Instituts für Astronomie (MPIA) in Heidelberg konnten Astronomen nun eindeutig zeigen, dass die Vereinigung zweier Neutronensterne die Voraussetzungen für diesen Prozess schafft und als Reaktor dient, in dem neue Elemente erbrütet werden.

Die Herkunft von schweren Elementen wie Gold, Blei und Uran ist bis heute nicht völlig geklärt. Die leichtesten Elemente – Wasserstoff und Helium – wurden in nennenswerten Mengen bereits mit dem Urknall erzeugt. Die Kernfusion in den Zentren der Sterne ist zudem als Quelle für Atome vom Helium bis hin zum Eisen gut etabliert.

Für die Erzeugung von schwereren Atomen vermuten Wissenschaftler einen Prozess, der freie Neutronen an bereits bestehende Bausteine anlagert. Die schnelle Variante dieses Mechanismus ist der r-Prozess (r steht für rapid, d.h. schnell) oder schneller Neutroneneinfang. Welche Objekte solche Reaktionen ermöglichen, wird derzeit erforscht. Als potentielle Kandidaten gelten bislang seltene Formen von Supernovaexplosionen und die Verschmelzung von dichten Endstadien von Sternen wie Neutronen-Doppelsterne [1].

Große Mengen an Strontium bilden sich in weniger als einer Sekunde
Eine internationale Gruppe von Astronom mit wesentlicher Beteiligung von Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hat nun durch die Auswertung von Spektren die Signatur des Elements Strontium entdeckt, das während einer explosionsartigen Verschmelzung von zwei Neutronensternen durch den r-Prozess gebildet wurde.

Die explosive Vereinigung erzeugte eine Blase, die sich mit rasenden 20% bis 30% der Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Der Anteil des neu gebildeten Strontiums an der expandierenden Hülle beträgt etwa fünf Erdmassen (1 Erdmasse = 6·10²⁴ kg). Somit liefern die Forscher zum ersten Mal den eindeutigen Nachweis, dass solch eine Kollision die Bedingungen für den r-Prozess bietet, in denen schwere Elemente erzeugt werden können. Nebenbei ist dies die erste empirische Bestätigung, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen.

Der r-Prozess ist wahrhaftig rasant. Pro Sekunde strömen mehr als 10²² Neutronen durch eine Fläche von einem Quadratzentimeter. Durch den Beta-Zerfall verwandeln sich einige der angehäuften Neutronen in Protonen, wobei jeweils ein Elektron und ein Antineutrino abgegeben werden. Das Besondere an dieser Reaktion ist, dass sich die Neutronen schneller zu großen Objekten zusammenfügen, als dass die neu entstandenen Konglomerate wieder zerfallen. So können selbst aus einzelnen Neutronen innerhalb weniger als eine Sekunde schwere Elemente entstehen.

Verschmelzende Neutronensterne erzeugen Gravitationswellen
Die Daten wurden im Nachgang der spektakulären Entdeckung des Gravitationswellensignals GW170817 vom August 2017 mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) erstellt. Neben einem Gammastrahlungsausbruch wurde an selber Stelle die Kilonova AT2017gfo beobachtet, ein Nachleuchten im sichtbaren Licht aufgrund der radioaktiven Prozesse, das nach einem zunächst starken Helligkeitsanstieg innerhalb weniger Tage verblasste. Die erste Analyse der Spektren im Jahr 2017 durch eine andere Forschungsgruppe konnte zunächst kein klares Ergebnis über die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte liefern.

Die aktuelle Auswertung von Dr. Hansen und ihren Kollegen basiert auf der Erstellung von synthetischen und der Modellierung der beobachteten Spektren, die über vier Tage hinweg in einem Abstand von je einem Tag aufgenommen wurden. Die Spektren deuten auf ein Objekt mit einer anfänglichen Temperatur von ca. 4000K (ca. 4300 °C) hin, welches sich in den folgenden Tagen abschwächte und abkühlte. Auffällig sind die Helligkeitsdefizite bei Wellenlängen von 350 und 850 nm. Diese sind gleichsam die Fingerabdrücke des Elements, das an diesen Stellen Licht absorbiert.

Unter Berücksichtigung der Blauverschiebung dieser Absorptionsbanden, die durch die Expansion der Hülle wegen des Doppler-Effekts hervorgerufen wird, hat die Forschungsgruppe synthetische Spektren von einer großen Anzahl von Atomen [2] mittels dreier Methoden mit zunehmender Komplexität berechnet. Da all diese Methoden konsistente Ergebnisse liefern, gilt die Schlussfolgerung als robust. Es stellte sich heraus, dass einzig Strontium, erzeugt durch den r-Prozess, in der Lage ist, die Positionen und die Stärke der Absorptionen in den Spektren zu erklären.

Ein Fortschritt im Verständnis der Entstehung schwerer Elemente
„Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein wichtiger Schritt bei der Entschlüsselung der Nukleosynthese von schweren Elementen und ihren kosmischen Brutstätten“, schlussfolgert Hansen. „Dies war nur durch die Verknüpfung der erst jungen Disziplin der Gravitationswellenastronomie mit präziser Spektroskopie elektromagnetischer Strahlung möglich. Diese neuen Messmethoden geben Hoffnung auf weitere bahnbrechende Erkenntnisse über die Eigenschaften des r-Prozesses.“

Endnoten
[1] Neutronensterne sind extrem dichte Überreste von massereichen Sternen, nachdem sie am Ende ihres Lebens in einer Supernova explodieren. Neutronensterne können Massen zwischen 1,4 und einer theoretischen oberen Grenze von 3,2 Sonnenmassen (1 Sonnenmasse = 2·10³⁰ kg) aufweisen. Ihr typischer Durchmesser beträgt 10 km. [2] Die Wissenschaftler untersuchten Atome zwischen Gallium (₃₁Ga) und Uran (₉₂U).
Hintergrundinformationen
Die Spektren wurden mit dem Spektrografen X-Shooter am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte (ESO) während des Beobachtungsprogramms 099.D-0382 aufgenommen und erstmals von Pian et al. (2017, Nature, 551, 67) publiziert. Die aktuellen Ergebnisse wurden in Zusammenarbeit mit Darach Watson und Jonatan Selsing (Universität Kopenhagen, Cosmic Dawn Center, Dänemark) sowie weiteren Mitarbeitern der Universität Kopenhagen sowie dem Cosmic Dawn Center, Dänemark, dem Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien, der TU Darmstadt, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, dem Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, sowie weiterer wissenschaftlicher Institute in Dänemark, Italien, Island, den USA sowie in Großbritannien gewonnen.

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Quelle: ESO ESON.

23. Oktober 2019 – Zum ersten Mal wurde ein frisch produziertes schweres Element – Strontium – im Weltraum nachgewiesen, nachdem zwei Neutronensterne miteinander verschmolzen. Dieser Befund wurde vom X-Shooter-Spektrografen der ESO am Very Large Telescope (VLT) beobachtet und wird heute in Nature veröffentlicht. Die Detektion bestätigt, dass sich die schwereren Elemente im Universum bei Neutronensternfusionen bilden können, was bislang als fehlendes Puzzleteil bei der Entschlüsselung der chemischen Elementbildung galt.

Nach der Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2017 richtete die ESO ihre Teleskope in Chile, einschließlich des VLT, auf die Quelle des Signals: eine Verschmelzung von Neutronensternen mit dem Namen GW170817. Astronomen vermuteten dass, wenn sich bei Neutronensternkollisionen schwerere Elemente bilden würden, Signaturen dieser Elemente in Kilonovae, den explosiven Folgen dieser Fusionen, nachgewiesen werden könnten. Genau das hat jetzt ein europäisches Forscherteam getan, das Daten aus dem X-Shooter-Instrument des ESO VLT nutzte.

In der Folge der Entdeckung von GW170817 begannen die von der ESO betriebenen Teleskope mit der Überwachung der entstehenden Kilonova-Explosion über einen weiten Wellenlängenbereich. Insbesondere X-Shooter nahm eine Reihe von Spektren vom ultravioletten bis zum nahen Infrarot auf. Die erste Analyse dieser Spektren deutete auf das Vorhandensein schwerer Elemente in der Kilonova hin, aber die Astronomen konnten bisher keine einzelnen Elemente identifizieren.

„Durch die Neuanalyse der im Jahr 2017 gewonnenen Daten des Ereignisses haben wir nun die Signatur eines schweren Elements in diesem Feuerball, Strontium, identifiziert und damit bewiesen, dass die Kollision von Neutronensternen dieses Element im Universum erzeugt“, erläutert der Hauptautor der Studie, Darach Watson von der Universität Kopenhagen in Dänemark. Auf der Erde kommt Strontium natürlich im Boden vor und ist in bestimmten Mineralien konzentriert. Seine Salze werden verwendet, um dem Feuerwerk eine leuchtend rote Farbe zu verleihen.

Astronomen kennen seit den 1950 er Jahren die physikalischen Prozesse, die die Elemente erzeugen. In den folgenden Jahrzehnten haben sie die kosmischen Standorte jeder dieser großen Elementfabriken, mit Ausnahme einer, entdeckt. „Dies ist die letzte Phase einer jahrzehntelangen Suche, um den Ursprung der Elemente zu ermitteln“, führt Watson aus. „Wir wissen jetzt, dass die Prozesse, die die Elemente geschaffen haben, hauptsächlich in gewöhnlichen Sternen, in Supernova-Explosionen oder in den äußeren Schichten alter Sterne stattfanden. Aber bis jetzt wussten wir nicht, wo sich der letzte, unentdeckte Prozess befand, der als schneller Neutroneneinfang bekannt ist und der die schwereren Elemente im Periodensystem erzeugt.“

Der schnelle Neutroneneinfang ist ein Prozess, bei dem ein Atomkern Neutronen so schnell aufnimmt, dass sehr schwere Elemente erzeugt werden können. Obwohl viele Elemente in den Kernen von Sternen produziert werden, erfordert die Herstellung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, wie beispielsweise Strontium, eine noch heißere Umgebung mit vielen freien Neutronen. Der schnelle Neutroneneinfang erfolgt nur in extremen Umgebungen, in denen Atome mit einer großen Anzahl von Neutronen bombardiert werden.

„Dies ist das erste Mal, dass wir neu geschaffenes Material, das durch Neutroneneinfang gebildet wurde, direkt mit einer Neutronensternfusion assoziieren können, die zudem bestätigt, dass Neutronensterne aus Neutronen bestehen, und den lang diskutierten schnellen Neutroneneinfangprozess mit solchen Kollisionen verknüpft“, erklärt Camilla Juul Hansen vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die eine wichtige Rolle bei der Studie spielte.

Erst jetzt beginnen die Wissenschaftler, die Verschmelzungen von Neutronenstern und Kilonovae besser zu verstehen. Aufgrund des begrenzten Verständnisses dieser neuen Phänomene und anderer Komplexitäten in den Spektren, die der X-Shooter des VLT von der Explosion aufgenommen hat, waren die Astronomen bisher nicht in der Lage gewesen, einzelne Elemente zu identifizieren.

„Wir kamen eigentlich auf die Idee, dass wir Strontium ziemlich schnell nach dem Ereignis sehen sollten. Der Nachweis, dass dies eindeutig der Fall war, erwies sich jedoch als sehr anspruchsvoll. Diese Schwierigkeit ist auf unsere sehr unvollständigen Kenntnisse über das spektrale Erscheinungsbild der schwereren Elemente im Periodensystem zurückzuführen“, führt der Forscher der Universität Kopenhagen, Jonatan Selsing aus, der ein wichtiger Autor des Artikels war.

Das Ereignis GW170817 war die fünfte Detektion von Gravitationswellen, die dank des Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) des NSF in den USA und des Virgo Interferometer in Italien möglich wurde. Die Verschmelzung in der Galaxie NGC 4993 war die erste und bisher einzige Gravitationswellenquelle, bei der das sichtbare Gegenstück von Teleskopen auf der Erde erkannt wurde.

Durch die gemeinsamen Anstrengungen von LIGO, Virgo und VLT haben wir das bisher klarste Verständnis für das Innenleben von Neutronensternen und deren explosive Fusionen gewonnen.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit wird in einem Papier vorgestellt, das am 24. Oktober 2019 in Nature erscheint.

Die beteiligten Wissenschaftler sind D. Watson (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), C. J. Hansen (Max-Planck-nstitut für Astronomie, Heidelberg, Deutschland), J. Selsing (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Koch (Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Deutschland), D. B. Malesani (DTU Space, National Space Institute, Technical University of Denmark, & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. C. Andersen (Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), J. P. U. Fynbo (Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Arcones (Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt, Deutschland & GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland), A. Bauswein (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland & Heidelberger Institut für theoretische Studien, Deutschland), S. Covino (Astronomisches Observatorium Brera, INAF, Mailand, Italien), A. Grado (Capodimonte Astronomisches Observatorium, INAF, Neapel, Italien), K. E. Heintz (Zentrum für Astrophysik und Kosmologie, Wissenschaftsinstitut, Universität Island, Reykjavík, Island & Niels Bohr Institute & Cosmic Dawn Center, Universität Kopenhagen, Dänemark), L. Hunt (Arcetri Astrophysikalisches Observatorium, INAF, Florenz, Italien), C. Kouveliotou (George Washington University, Physics Department, Washington DC, USA & Astronomy, Physics and Statistics Institute of Sciences), G. Leloudas (DTU Space, National Space Institute, Technische Universität Dänemark, & Niels Bohr Institute, Universität Kopenhagen, Dänemark), A. Levan (Department of Physics, University of Warwick, UK), P. Mazzali (Astrophysics Research Institute, Liverpool John Moores University, UK & Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Deutschland), E. Pian (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, INAF, Bologna, Italien).

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

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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Quelle: DLR.

„Ein First Light Ereignis ist immer ein bewegender Moment. Nach vielen Jahren der Vorbereitung, des Baus und nach einem Bilderbuchstart in der kasachischen Steppe sehen wir nun, dass sich alle Anstrengungen gelohnt haben. Das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik hat hier ganze Arbeit geleistet und wir sind sehr froh, dass diese wichtige deutsche Mission nun seine Arbeit aufnehmen kann“, freut sich Dr. Thomas Mernik, eROSITA-Projektleiter im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), mit dessen Unterstützung eROSITA vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) gebaut wurde, in Washington, DC. Dort auf dem 70. International Astronautical Congress 2019 und in Deutschland am MPE in Garching wurde das Ereignis gemeinsam mit den russischen Partnern entsprechend gefeiert. Denn neben dem deutschen Röntgenteleskop ist auch das russische ART-XC mit an Bord der russischen Raumsonde Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG).

„First Light“ mit kurzer Verzögerung
eROSITA besteht aus sieben einzelnen Teleskopmodulen, die das einfallende Röntgenlicht aus den heißen Quellen des Universums sammeln. Seit dem Start von SRG am 13. Juli 2019 haben die Techniker und Astrophysiker des MPE an der Inbetriebnahme des Teleskops gearbeitet. Zunächst wurden nur einzelne Komponenten angeschaltet und vorsichtig nach und nach auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. Doch kam es in den ersten Wochen nach der Inbetriebnahme gelegentlich in einzelnen Teleskopmodulen zu einem Fehlverhalten der Elektronik. So wurden Parameter ohne erkennbaren Grund verstellt. „Um möglichen Schaden vom Instrument abzuwenden, wurden die Module „schlafen geschickt“ und einzelne Bauteile nur sehr vorsichtig wieder „aufgeweckt“, um sie einzeln zu testen. Als „Übeltäter“ steht die kosmische Strahlung im Verdacht, die kleine Änderungen in manchen Bausteinen ausgelöst haben könnte. Mittlerweile sind wir zu der Auffassung gelangt, dass das Risiko vertretbar ist, so dass eROSITA nach einer kurzen Verzögerung nun seinen Betrieb aufgenommen hat“, erklärt Thomas Mernik erleichtert. Seit dem 13. Oktober 2019 beobachten alle sieben Module des Röntgenteleskops gleichzeitig den Himmel mit ihren maßgeschneiderten CCD-Kameras.

Historischer Moment im Leben eines Teleskops
„Nun ist der historische Moment im Leben eines Teleskops gekommen, an dem wir zum ersten Mal sehen können, wie gut das Gesamtsystem tatsächlich ist. Mit der Aufnahme von der großen Magellanschen Wolke hat eROSITA eindrucksvoll bewiesen, zu welcher Leistung dieses Instrument fähig ist. Wir sehen ein gestochen scharfes Bild mit erstaunlich wenig Hintergrundrauschen. Diese ersten Eindrücke lassen auf großartige Ergebnisse in den kommenden Jahren hoffen“, freut sich Thomas Mernik. Bei der Röntgenquelle handelt es sich um einen alten Bekannten, der bereits mit anderen Teleskopen wie XMM-Newton beobachtet worden ist. „Wir haben uns für die große Magellansche Wolke entschieden, weil sie schon oft mit anderen Röntgenteleskopen beobachtet worden ist. Der direkte Vergleich mit früheren Aufnahmen zeigt die wahre Leistungsfähigkeit von eROSITA. XMM-Newton beobachtet hauptsächlich speziell ausgewählte Objekte und sieht sie deshalb besonders detailreich. eROSITA liefert genauso detailreiche Aufnahmen – allerdings vom gesamten heißen Universum. Zum anderen haben wir diese Region ausgewählt, weil sie sehr mit „nur“ 170.000 Lichtjahren Entfernung unserem Sonnensystem sehr nahe liegt“, erklärt Thomas Mernik. Bei dem zweiten beobachteten Motiv – den zwei verschmelzenden Galaxienhaufen A3391 und A3395 – ist das Gegenteil der Fall. „Beide Galaxienhaufen liegen 800 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Hier wollten wir mal sehen, wie weit eROSITA ins heiße Universum schauen kann und wie klar auf diese unvorstellbar große Distanz die Aufnahmen noch sind. Das brillante Ergebnis hat uns alle überrascht“, freut sich Mernik. eROSITA wird in den kommenden Monaten noch weitere solche Aufnahmen machen, um das ganze Leistungsspektrum des deutschen Röntgenteleskops zu überprüfen. Die Sonde Spektrum-Röntgen-Gamma ist nach mehr als drei Monaten Flugzeit nun in einen Orbit um den Lagrange-Punkt 2, der von der Sonne aus betrachtet 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde liegt, eingeschwenkt. Von hier aus wird eROSITA mit einer Durchmusterung des gesamten Himmels beginnen, um eine Karte der heißen Strukturen im Universum zu erstellen.

eROSITA erstellt eine Himmelskarte des Universums – im Röntgenbereich
Ein Röntgenteleskop sieht die Materie im Universum die besonders heiß ist. Typische Röntgenquellen sind beispielsweise Doppelsternsysteme in denen ein normaler Stern wie unsere Sonne, sich mit einem Neutronenstern oder einem schwarzen Loch umkreist. Hier wird dem Stern durch die starke Anziehungskraft des kompakten Begleiters Masse in Form von Gas abgesogen. Dieses Gas fällt dann auf eine Scheibe welches das schwarze Loch umgibt. Dabei heizt es sich zu extrem hohen Temperaturen auf und sendet Licht im Röntgenbereich aus, das wiederum von Röntgenteleskopen gesehen werden kann. eROSITA wurde auch entwickelt, um Aktive Galaxienkerne (AGNs) zu beobachten. Dies sind supermassereiche schwarze Löcher mit vielen Millionen Sonnenmassen. Auch sie sind von heißen Scheiben umgeben, die im Röntgenbereich gut zu beobachten sind. Einen besonderen Schwerpunkt der Mission liegt allerdings auf der Entdeckung und Kartierung von Galaxienhaufen. Diese bestehen aus mehreren hundert Galaxien und saugen durch ihre Schwerkraft Gas aus ihrer Umgebung ein. Das einströmende Gas erhitzt sich und strahlt intensiv im Röntgenbereich. Im Laufe der Missionsdauer wird eROSITA bis zu 100.000 Galaxienhaufen finden und kartieren. Dafür durchmustert eROSITA alle sechs Monate den gesamten Himmel und erstellt in vier Jahren eine tiefe und detaillierte Karte des Universums. Diese gigantische kosmische Inventur des heißen Universums wird uns helfen, die Struktur des Kosmos und dessen Entwicklung besser zu verstehen. Denn speziell die Expansion des Universums bereitet den Astronomen großes Kopfzerbrechen. Aus bislang ungeklärten Gründen beschleunigt sich diese Ausdehnung immer weiter. Jene geheimnisvolle Kraft die das Universum auseinandertreibt nennen wir Dunkle Energie. „Da eROSITA uns hilft die Dynamik der größten Strukturen im Universum besser zu verstehen, lernen wir auch mehr über die kosmische Expansion. eROSITA liefert uns somit Parameter, um der Lösung des Rätsels um die Dunkle Energie näher zu kommen“, erklärt Thomas Mernik.

Spektrum-Röntgen-Gamma – eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern
Spektrum-Röntgen-Gamma (SRG) ist eine Raumfahrtmission mit vielen Partnern. Auf russischer Seite sind die Raumfahrtagentur Roskosmos, der Raumfahrtkonzern Lavochkin sowie das Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften (IKI) eingebunden. Das deutsche Röntgenteleskop eROSITA wurde mit der Unterstützung des DLR Raumfahrtmanagements vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) Potsdam sowie den Universitäten Erlangen-Nürnberg, Hamburg und Tübingen entwickelt und gebaut. Zudem bereiten die Universitäten München und Bonn die wissenschaftliche Auswertung der eROSITA-Daten mit vor. Die am deutschen Teleskop beteiligten Partnerinstitute haben Software für die Datenanalyse, Missionsplanung und Simulationen erstellt sowie Teile der Hardware beigestellt. Die hauptsächliche Hardwareverantwortung lag aber im Wesentlichen beim MPE. Hier wurden viele Komponenten entwickelt und zum Teil in Partnerschaft mit ausgewählten Industrieunternehmen gefertigt. Auch der Zusammenbau des Teleskops fand in Garching statt. Von hier aus wurde das Teleskop nach Moskau verbracht, um gemeinsam mit dem russischen Teleskop auf die Satellitenplattform integriert zu werden.

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Quelle: DLR.

14. Oktober 2019 – Ein interdisziplinäres Team von vier Forschern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie, der spanischen Universität Valencia und der US-amerikanischen Columbia Universität wurde am 11. Oktober 2019 mit einem ‚Synergy Grant‘ des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) ausgezeichnet. Das Team überzeugte den Forschungsrat mit seinem Projekt USMILE (Understanding and Modelling the Earth System with Machine Learning). Die Forschenden wollen das Verständnis und die Modellierung des Erdsystems durch die Entwicklung und Anwendung von maschinellen Lernverfahren, kurz ML, verbessern. ML ist einer der bedeutendsten Ansätze im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI). Die renommierte Auszeichnung – 10 Millionen Euro über sechs Jahre – unterstützt die Arbeit des Teams bei der Weiterentwicklung von Erdsystemmodellen und ihrer Bewertung. Sie bilden die Grundlage für die weitere Erforschung des Klimawandels.

Prof. Veronika Eyring vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erläutert den Ansatz des Teams: „Wir haben uns zusammengeschlossen, um unsere multidisziplinäre Expertise in den Bereichen Klimamodellierung, Landökosysteme, maschinelles Lernen und Wolken-Parametrierung zu bündeln. So wollen wir einige der zurzeit noch, die komplexen Prozesse von Erde und Atmosphäre besser verstehen und unbekannte Ursachen und Treiber im Erdsystem entdecken.“ Prof. Eyring koordiniert das Projekt und ist ‚corresponding Principal Investigator‘ (cPI) von USMILE.

Die Motivation für das neu geförderte ERC-Projekt Understanding and Modelling the Earth System with Machine Learning (USMILE) besteht darin, dass es beim Verständnis des Erdsystems noch einige grundlegende Einschränkungen gibt, die auch unsere Fähigkeit für akkurate Vorhersagen des Klimawandels einschränken. Während sich die Erdsystemmodelle in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich verbessert haben, ist die Fähigkeit der Modelle, sowohl globale als auch regionale Reaktionen des Erdsystems zu simulieren, die für die Beurteilung des Klimawandels und seiner Auswirkungen auf die Ökosysteme entscheidend sind, durch die Darstellung physikalischer und biologischer kleinräumiger Prozesse wie Wolken, Stomata und Mikroben begrenzt.

KI trifft Physik
„Unsere zentrale Hypothese ist, dass das Verständnis durch den Einsatz von maschinellen Lernverfahren verbessert werden kann. Erstens verfügen wir in der Erdbeobachtung und Atmosphärenforschung heute über Datenvolumina im Petabyte-Bereich mit einer beispiellosen räumlichen und zeitlichen Abdeckung für viele Prozesse. Zweitens stehen nun hochauflösende Klimamodellsimulationen zur Verfügung, in denen Wolkenprozesse explizit simuliert werden können. Aber diese Simulationen sind sehr teuer und können daher momentan nur für wenige Tage durchgeführt werden“, sagt Prof. Pierre Gentine, Co-PI des Projekts von der School of Engineering and Applied Science an der Columbia University.

Prof. Gustau Camps-Valls von der Universität Valencia, ebenfalls Co-PI bei USMILE, ergänzt: „Der Bereich des maschinellen Lernens hat sich schnell weiterentwickelt und ermöglicht Durchbrüche bei der Erkennung und Analyse komplexer Beziehungen und Muster in großen multivariaten Datensätzen. Wir können jetzt nicht nur komplexe Funktionen anpassen und modellieren, sondern auch kausale Zusammenhänge lernen.“

Das Team wird maschinelle Lernverfahren entwickeln, um Erdbeobachtungsdatensätze zu erweitern, die gleichzeitige, räumlich-zeitliche Veränderungen mehrerer Parameter berücksichtigen. Das Forschungsteam wird diese maschinellen Lernverfahren verwenden um Parametrisierungen und Submodelle für Wolken und Landoberflächenprozesse zu entwickeln, die den Fortschritt in der Klimamodellierung seit Jahrzehnten behindern. Darüber hinaus wird das Team interne Klimaschwankungen und multivariaten Extreme erkennen und verstehen. Die dynamischen Aspekte des Erdsystems will das Team mit neuartigen Techniken des Deep Learnings aufdecken, um sie auf mögliche kausale Zusammenhänge hin zu beurteilen.

Traditionell werden physkalische Modellierung und maschinelle Lernverfahren oft als zwei verschiedene Welten mit entgegengesetzten wissenschaftlichen Paradigmen behandelt: theoriegetrieben versus datengetrieben. „Ein besseres Verständnis und eine bessere Modellierung des Erdsystems sind dringend notwendig. Maschinelles Lernen hat hier ein außerordentliches Potenzial und kann die Klimaforschung deutlich weiterbringen. Wir hoffen, dass wir durch die Brücke zwischen Physik und maschinellem Lernen die Modellierung und Analyse des Erdsystems revolutionieren und langfristig zu robusten Klimaprojektionen kommen“, betont Prof. Markus Reichstein, Co-PI des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie. Er fügt hinzu: „USMILE kann einen Paradigmenwechsel in der aktuellen Modellierung des Erdsystems hin zu einer neuen ‚datengetriebenen Physik‘ vorantreiben“.

Synergy Grants des Europäischen Forschungsrats
Die 2007 von der Europäischen Union gegründete Europäische Forschungsrat, englisch European Research Council (ERC), ist die führende europäische Förderorganisation für exzellente Pionierforschung. Jedes Jahr wählt und finanziert sie die besten, kreativsten Forscher aller Nationalitäten und Altersstufen für die Durchführung von Projekten in Europa mit Preisen wie den ‚Synergy Grants‘. „Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit in diesem interdisziplinären Team und danken dem ERC, dass er uns diese großartige Chance gibt“, sagt Prof. Veronika Eyring.

In den meisten Fällen sind die ERC-Synergiegruppen interdisziplinär, oft mit multidisziplinären Ansätzen. Die Nationale Kontaktstelle zum ERC in Deutschland wird gemeinsam vom EU-Büro des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im DLR-Projektträger und der Kooperationsstelle EU der Wissenschaftsorganisationen betreut.

Die beteiligte Institutionen im USMILE-Team:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist das nationale Luft- und Raumfahrtforschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland. Die umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in den Bereichen Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr, Sicherheit und Digitalisierung sind in nationale und internationale Kooperationen integriert. Das DLR ist auch für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten im Auftrag der Bundesregierung verantwortlich. Darüber hinaus ist das DLR ist auch Dachverband für einen der größten Projektträger Deutschlands.

Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Das Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena ist Teil der Deutschen Max-Planck-Gesellschaft. Seine Mission ist es, biogeochemische Kreisläufe (Kohlenstoff, Wasser, Nährstoffe) insbesondere auch im Hinblick auf das Klimasystem von lokalen bis zur globalen Ebene zu untersuchen. Dabei verwenden und kombinieren die Wissenschaftler ein breites Methodenspektrum, zum Beispiel Manipulationsexperiment, Langzeitbeobachtungen und daten- und theoriegesteuerte Modellierungsansätze.

Universität Valencia
Die Universitat de València ist mehr als 500 Jahre alt ist und gilt als eine der besten Universitäten für Physik in Spanien. Das Image Processing Lab (IPL) ist ein multidisziplinäres Institut, an dem mehr als 60 Fakultäten und Forscher aus den Bereichen Erdbeobachtung, Bildverarbeitung, Bildwissenschaften und maschinelles Lernen teilnehmen. Das Labor arbeitet aktiv mit ESA, NASA und EUMETSAT zusammen, um neue Sensorgeräte, Messkampagnen und datenintensive Verarbeitungsketten zu entwickeln. Die IPL-Fakultät bildet den Nachwuchs an Physikern, Datenwissenschaftlern, Fernerkundungsanalysten, Mathematikern und Elektroingenieuren in aus.

Columbia University’s School of Engineering and Applied Science
Die Columbia Engineering in New York City ist eine der angesehensten und ältesten Hochschulen für Ingenieurswissenschaften der USA. Die Fu Foundation School of Engineering and Applied Science entwickelt Technologien durch die Forschung ihrer mehr als 220 Fakultäten. Sie bildet Studierende und Absolventen in einer kollaborativen Umgebung aus, um zu Führungskräften zu werden. Im Mittelpunkt steht die interdisziplinäre Forschung, zu der die Institute Data Science, Earth, Zuckerman Mind Brain Behavior, Precision Medicine und der Columbia Nano gehören. Geleitet von ihrer strategischen Vision „Columbia Engineering for Humanity“ will die Schule Ideen in Innovationen umsetzen, die eine nachhaltige, gesunde, sichere, vernetzte und kreative Menschheit fördern.

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Quelle: MPS.

Die Ballonmission Sunrise, die aus einer Flughöhe von mehr als 35 Kilometern ein hochauflösendes Teleskop auf die Sonne richtet, bereitet sich auf ihren nächsten Flug vor. Im Sommer 2021 soll das Observatorium auf seine dritte Forschungsreise aufbrechen. Die Vorbereitungsarbeiten am Hauptspiegel, dem ein Meter großen Herzstück des Teleskops, haben bereits begonnen. Am Calar Alto Observatorium im Süden Spaniens wurde der Spiegel jetzt mit einer neuen Aluminiumschicht bedampft. Wissenschaftler und Ingenieure des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen, das die Mission leitet, haben die Arbeiten dort begleitet.

Sunrise ist eine abenteuerliche Mission: Getragen von einem riesigen Heliumballon schaut das unbemannte Observatorium aus einer Flughöhe von mehr als 35 Kilometern auf die Sonne; nach mehrtägigem Flug folgt dann die halsbrecherische Landung am Fallschirm. Zweimal bereits hat der empfindliche Hauptspiegel des Sunrise-Teleskops die tollkühne Forschungsreise mit Sonnenblick unbeschadet überstanden. „Ganz spurlos geht ein solcher Flug an dem Spiegel aber nicht vorbei“, erklärt Sunrise-Projektleiter Dr. Andreas Lagg vom MPS. Die äußere Schicht aus spiegelndem Aluminium leidet und muss deshalb vor jedem weiteren Flug erneuert werden.

Teleskopen, die vom Boden aus ins All schauen, geht es nicht anders: Wind und Wetter setzen auch ihrer dünnen Aluminiumschicht zu. Das Calar Alto Observatorium in der Sierra de los Filabres im Süden Spaniens, welches das Andalusische Institut für Astrophysik (IAA), ein Partner der Sunrise-Mission, betreibt, verfügt deshalb über eine eigene Anlage, um Spiegel mit einer neuen Aluminiumschicht zu versehen. Auch der Sunrise-Spiegel wurde dort nun auf Vordermann gebracht.

„Alles hat wunderbar geklappt“, freut sich MPS-Wissenschaftler Dr. Achim Gandorfer, der zusammen mit weiteren MPS-Kolleginnen und -Kollegen, vor Ort war. „Der Spiegel ist wieder so gut wie neu.“

Bis das gute Stück erneut abheben darf, wird allerdings noch etwas Zeit vergehen. Der dritte Flug von Sunrise ist für Juni 2021 geplant. Bis dahin sind auch die wissenschaftlichen Instrumente, die das Sonnenlicht des Teleskops nutzen und auswerten, startklar. Sunrise III wird mit drei Messinstrumenten ausgestattet sein. Diese messen die Magnetfelder an der Oberfläche der Sonne, untersuchen ihre ultraviolette (UV-)Strahlung sowie ihr sichtbares Licht bis hin zur nahen Infrarotstrahlung. „Durch unsere Messinstrumente erhalten wir Informationen aus verschiedenen Schichten der Sonne“, erklärt Missionsleiter Prof. Dr. Sami K. Solanki, Direktor am MPS. „Mit Sunrise lässt sich die vertikale Schichtstruktur der Sonnenatmosphäre mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen“, fügt er hinzu. Neben dem Teleskop selbst trägt das MPS den UV-Spektrographen SUSI, die Lichtverteileinheit ISLiD und den 320 Terabyte-Datenspeicher an Bord zur Mission bei.

Ebenso entscheidend für den einzigartigen Blick auf die Sonne ist die Flughöhe des Observatoriums. „Der Beobachtungsstandort in der Stratosphäre ist der jedes irdischen Sonnenteleskops überlegen. Und das ohne die immensen Kosten einer Weltraummission“, erklärt Lagg. In der Stratosphäre angekommen hat Sunrise mehr als 95 Prozent der Atmosphäre unter sich gelassen. Diese wabernde Luftschicht schluckt einen Großteil der ultravioletten Strahlung von der Sonne, die Informationen über die äußeren Schichten des Gasballs enthält. Bodengebundenen Teleskopen steht dieser Teil der Strahlung deshalb nicht zur Verfügung.

Außerdem stören die ständigen Luftbewegungen in der Atmosphäre den Blick von der Erdoberfläche. Ununterbrochene Beobachtungen über mehrere Stunden hinweg sind nahezu unmöglich. „Sunrise hingegen hat das Potential zu verfolgen, wie sich einzelne Strukturen auf der Sonne über einen deutlich längeren Zeitraum hinweg verändern und entwickeln“, so Solanki.

Die Sunrise-Mission wird geleitet vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Das Institut entwickelt zudem das Teleskop des Observatoriums, den UV-Spektrographen SUSI, die Lichtverteilungseinheit und den Bordspeicher. Das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), das Andalusischen Institut für Astrophysik (IAA), das Leibniz-Institut für Sonnenphysik (KIS) in Freiburg sowie das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in den USA tragen weitere Messinstrumente und entscheidende Hardware-Komponenten zu der Mission bei. Ein weiterer Partner ist die Columbia Scientific Balloon Facility (CSBF) der amerikanische Weltraumagentur NASA. Bereits zweimal, 2009 und 2013, ist Sunrise abgehoben und nach erfolgreichem Flug nach mehreren Tagen wieder gelandet.

Raumcon und Raumfahrer.net haben das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 2015 besucht:

• Raumcon-Treffen 2015 in Kassel und Göttingen ( 31. Mai 2015)

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• SUNRISE – Sonnenobservatorium am Ballon

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.

Die meisten Sterne im Universum befinden sich in Doppelsternsystemen oder sogar Mehrfach-Sternensystemen. Nun wurde die Entstehung eines solchen Doppelsternsystems erstmals mit hochaufgelösten Aufnahmen mit dem ALMA-Teleskopverbund (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) beobachtet. Ein internationales Team von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik untersuchte ein Stern-System mit dem Namen [BHB2007] 11, das jüngste Mitglied einer kleinen Gruppe junger Sterne im Barnard 59-Kern, einem Teil der als Pfeifennebel bekannten, ausgedehnten interstellaren Dunkelwolke. Während frühere Beobachtungen bereist eine Akkretionshülle um eine gemeinsame Scheibe zeigten, lassen die neuen Beobachtungen nun auch deren innere Struktur erkennen.

„Wir sehen zwei kompakte Quellen, die wir als Scheiben um die beiden jungen Sterne interpretieren“, erklärt Felipe Alves vom MPE, der die Studie leitete. „Diese Scheiben haben jeweils eine Größe ähnlich dem Asteroidengürtel in unserem Sonnensystem, und ihr gegenseitiger Abstand ist 28 Mal der Abstand Erde-Sonne.“ Beide Proto-Sterne sind zudem von einer gemeinsamen Scheibe mit einer Gesamtmasse von etwa 80 Jupitermassen umgeben, die ein komplexes Netzwerk aus Staub enthält, der in spiralförmigen Strukturen verteilt ist. Die Form der Filamente deutet auf Bahnen einfallenden Materials hin, was durch die Beobachtung von molekularen Emissionslinien bestätigt wird.

„Das ist ein wirklich wichtiges Ergebnis“, betont Paola Caselli, Direktorin am MPE und Leiterin des Zentrums für Astrochemische Studien. „Wir haben nun endlich ein Bild von der komplexen Struktur um junge Doppelsterne und sehen insbesondere Filamente, die sie aus der gemeinsamen Scheibe speisen. Dies liefert uns wichtige Informationen um unsere derzeitigen Modelle der Sternentstehung zu verbessern.“

Die Astronomen interpretieren die Filamente als Zuflüsse aus der ausgedehnten umliegenden Scheibe, wobei der stellaren Scheibe um den weniger massereichen der beiden Protosterne mehr Materie zugeführt wird, was mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Die geschätzte Akkretionsrate beträgt nur etwa 0,01 Jupitermassen pro Jahr, was mit den geschätzten Raten für andere proto-stellare Systeme übereinstimmt. Ähnlich wie die gemeinsame Scheibe die einzelnen Scheiben um jeden Proto-Stern speist, wird von jeder stellaren Scheibe Materie auf dem jungen Stern in ihrem Zentrum übertragen. In diesem Fall allerdings ist die aus den Beobachtungen abgeleitete Akkretionsrate für das massereichere Objekt höher. Die Beobachtung der Emission eines ausgedehnten Radiojets für das nördliche Objekt bestätigt dieses Ergebnis; ein unabhängiges Indiz dafür, dass dieser Proto-Stern tatsächlich mehr Material aus der ihn umgebenden stellaren Scheibe ansammelt.

„Wir erwarten, dass dieser zweistufige Akkretionsprozess die Dynamik des Doppelstern-Systems während seiner Massenakkretionsphase antreibt“, sagt Alves. „Während die gute Übereinstimmung dieser Beobachtungen mit der Theorie bereits sehr vielversprechend ist, müssen wir mehr junge Doppelstern-Systeme im Detail untersuchen, um mehr über die Bedingungen zu lernen, die zu Mehrfachsternsystemen führen.“

Originalveröffentlichung:

• F.O. Alves et al. Gas flow and accretion via spiral streamers and circumstellar disks in a young binary protostar

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Quelle: DLR.

Nur fünf Zentimeter des Marsmaulwurfs ragen noch aus dem Boden heraus, während dieser zunächst 35 Zentimeter in den Boden eindringen konnte. Dabei hat sich ein kleiner Krater um den Schaft gebildet, wodurch die kleine Rammsonde zu wenig seitliche Reibung erfährt, um tiefer einzudringen. Erste Versuche, mit der Schaufel am Arm des InSight-Landers das „Maulwurfloch“ zu verfüllen, scheiterten an der harten Oberflächenkruste. Nun nehmen die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des Jet Propulsion Laboratory der NASA einen neuen Anlauf. Sie planen, den Marsmaulwurf seitlich mit der Schaufel des robotischen Arms gegen die Kraterwand zu drücken, um diesem genug Halt und Reibung für das weitere Eindringen zu geben.
„Bei einer Tiefe von 35 Zentimetern hatte der Maulwurf die Führungsfedern des Gehäuses verlassen und sich dann aufgrund unzureichender Bodenreibung im Kreis gedreht, ohne weiter vorzudringen“, erklärt Prof. Tilman Spohn vom DLR-Institut für Planetenforschung und wissenschaftlicher Leiter des HP³-Experiments. „Durch seitlichen Druck der Schaufel des robotischen Arms wollen wir nun versuchen, ihm diese fehlende Reibung zu geben.“ Der Marsmaulwurf funktioniert wie ein selbstschlagender Nagel, dessen Rückstoß durch Reibung aufgefangen werden muss.

Im Juni 2019 hatten die Forscher zunächst die Stützstruktur des HP³-Experiments (Heat Flow and Physical Properties Package) entfernt und damit den Blick auf den Marsmaulwurf freigelegt. „Es zeigte sich, dass offenbar eine feste Kruste von etwa zehn Zentimetern zementierten Sands über recht lockerem Sand liegt“, sagt Tilman Spohn und erklärt dies in seinem Logbuch zur Mission. Im Juli und August 2019 folgten Versuche, das Loch um den Marsmaulwurf mit der flachen Schaufel und dann mit der Spitze der Schaufel des robotischen Arms einzudrücken. Doch die Kruste stellte sich als zu widerstandsfähig heraus.
Die nun verfolgte Taktik, die das Team als „Pinning“ bezeichnet, wird in den kommenden Wochen auf dem Mars durchgeführt. Dabei wird der Maulwurf erneut hämmern, unterstützt durch den seitlichen Druck des Arms. Die Technik kann allerdings vorab nicht vollständig auf der Erde getestet werden. Das JPL in Kalifornien hat eine funktionierende Nachbildung der InSight-Sonde in einem Testfeld aufgebaut, wo ebenfalls ein Nachbau des HP³-Experiments des DLR installiert ist. Dort können Bewegungen des robotischen Arms geübt werden, aber die Wissenschaftler können den Boden nicht vollständig replizieren, ohne weitere Informationen über seine Bildung und Zusammensetzung zu haben. „Wir wissen nur so viel über den Boden, wie uns die Bilder zeigen“, sagt Spohn.
Das Forscherteam denkt bereits darüber nach, welche zukünftigen Schritte noch alternativ unternommen werden könnten. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der Schaufel, um Oberflächenmaterial in das Loch zu kratzen, anstatt zu versuchen, dieses zu komprimieren. Ein Problem für jede Lösung ist der Roboterarm selbst. Er ist so konzipiert, dass er mit möglichst wenig Gewicht und Stromverbrauch auf InSight mitreisen konnte, um auf dem Mars die Experimente auszusetzen. Er bewegt sich vorsichtig und stoppt jede Bewegung, die bestimmte Parameter überschreiten. Das kann vieles beinhalten, von einem Gelenkmotor mit zu viel Spannung bis hin zu einer unzureichenden Erwärmung. Im Gegensatz zum Roboterarm des NASA-Rovers Curiosity hat er keine Kraftsensoren, sodass er nicht erkennen kann, wie viel Kraft er ausübt, und er kann nicht kontinuierlich drücken. „Wir werden den Arm anweisen, über seine vorgesehenen Parameter hinaus zu agieren“, sagt Ashitey Trebi-Ollennu, leitender Ingenieur des Roboterarms am JPL. „Er kann aber nicht so auf den Marsmaulwurf drücken, wie es ein Mensch könnte. Es wäre einfacher, wenn er es könnte, aber das ist einfach nicht der Arm, den wir haben.“

Das HP³-Instrument auf der NASA-Mission InSight
Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuert zur Mission das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, welches das Experiment federführend in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik sowie Robotik und Mechatronik entwickelt und realisiert hat. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca, das Institut für Photonische Technologie (IPHT) sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern. Der Betrieb von HP³ erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln. Darüber hinaus hat das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert.

Ausführliche Informationen zur Mission InSight und zum Experiment HP³ finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission mit ausführlichen Hintergrundartikeln sowie in der Animation und der Broschüre zur Mission und über den Hashtag #MarsMaulwurf auf dem DLR-Twitterkanal. Aktuell berichtet Prof. Tilman Spohn, leitender Wissenschaftler des HP³-Experiments, in Blogposts über die Aktivitäten des ‚Marsmaulwurfs‘.
Video:

• DLR-Planetenforscher Spohn erklärt den neuen Plan, Halt und Reibung der Sonde zu erhöhen. (DLR / NASA / JPL-Caltech)

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• InSight auf Atlas V 401

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