Quelle: Max-Planck-Institut für Astrophysik.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Originalveröffentlichungen

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

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Universität Stuttgart.

SOFIA – Beobachtungen beweisen erstmals, dass in der Atmosphäre des Zwergplaneten Pluto wiederholt Nebel produziert wird, der aus kleinen Partikeln besteht und für längere Zeit dort verharrt, anstatt sofort auf die Oberfläche abzuregnen. Außerdem lassen die neuen Daten vermuten, dass die Gashülle des Zwergplaneten widerstandsfähiger ist, als bislang angenommen. Die Ergebnisse stehen im Widerspruch zu bisherigen Vorhersagen und wurden von einem Team um Michael Person vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in der wissenschaftlichen Zeitschrift „Icarus“ veröffentlicht, zu dem auch Jürgen Wolf, Enrico Pfüller und Manuel Wiedemann vom DSI gehören. „Pluto ist ein mysteriöses Objekt, das uns immer wieder überrascht“, sagte Michael Person. „In früheren Beobachtungen hatte es Hinweise darauf gegeben, dass es Dunst geben könnte, aber es gab keine stichhaltigen Beweise dafür, dass er wirklich existierte, bis die Daten von SOFIA kamen.“

Zur rechten Zeit am rechten Ort
Am Morgen des 30. Juni 2015 zog Pluto am neuseeländischen Nachthimmel vor einem weit entfernten Stern hinweg. Von hinten durch den Stern angestrahlt hat der Zwergplanet etwa 90 Sekunden lang einen etwa 2.000 Kilometer breiten Schatten auf die Erdoberfläche geworfen, der mit rund 85.000 Kilometer pro Stunde über den Pazifischen Ozean raste. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten so die seltene Gelegenheit, Pluto und seine dünne Atmosphäre detailliert zu untersuchen. „Dazu mussten wir aber mit SOFIA zur rechten Zeit am rechten Ort sein“, erinnert sich Enrico Pfüller, DSI-Instrument Wissenschaftler, der bei der Mission mit an Bord war.

Dank der hervorragenden Vorarbeit der Kollegen und Kolleginnen am (MIT) konnte SOFIA auf den richtigen Kurs gebracht werden. Selbst eine letzte Korrektur der Schattenposition um 330 km nach Norden, mittels neuer astrometrischer Daten aus Chile, konnte berücksichtigt werden. Pünktlich zum vorhergesagten Zeitpunkt sank das Signal des verfinsterten Sterns für rund 130 Sekunden um etwa zwei Magnituden ab. Zum Zeitpunkt der zentralen Bedeckung – in der Mitte der Lichtkurve – konnte der sogenannte „Central Flash“ gemessen werden. Dabei wird Licht des Sterns durch die Plutoatmosphäre gebrochen und so zum Beobachter gelenkt. Der Effekt ist nur in einer schmalen Zone um die Zentrallinie des Schattens sichtbar. Dieses starke Signal zeigt, wie dieses Ereignis vorhergesagt werden konnte und ist der Beweis dafür, dass die Piloten SOFIA nahe an die Mitte des Schattens manövriert hatten.

Die Bedeckung des Sterns UCAC2 139-209445 durch Pluto wurde mit dem vom DSI entwickelten Focal Plane Imager+, (FPI+) sowie den Instrumenten HIPO (High-speed Imaging Photometer for Occultations) und FLITECam (First Light Infrared TEst CAMera) aufgezeichnet. Die so gewonnenen Aufnahmen bei infraroten und visuellen Wellenlägen ermöglichten vor allem eine Untersuchung der mittleren Schichten der Plutoatmosphäre.

Genau zwei Wochen nach dieser spektakulären Beobachtung – auf astronomischen Zeitskalen also praktisch zeitgleich – flog die Raumsonde News Horizons am 14. Juli 2015 an Pluto vorbei und machte atemberaubende Bilder von dieser kleinen, kalten Welt und ihrer dunstigen Atmosphäre. Mit Radiowellen und ultraviolettem Licht untersuchte die Sonde anders als SOFIA die oberen und unteren Schichten der Gashülle des Zwergplaneten. Diese kombinierten Datensätze von SOFIA und New Horizons, liefern das bisher vollständigste Bild der Plutoatmosphäre und helfen zu erklären, wie Nebel in der Plutoatmosphäre entsteht, während der Zwergplanet sich auf einer ungewöhnlichen Umlaufbahn bewegt.

Blaue, trübe Atmosphäre
Die Bilder der New Horizons Sonde deuten auf eine bläuliche Färbung des Nebelschleiers um Pluto hin. Die Daten von SOFIA zeigen, dass diese Partikel extrem klein sind, nur 0,06 bis 0,10 Mikrometer im Durchmesser (etwa tausend Mal dünner als ein menschliches Haar). Aufgrund ihrer geringen Größe streuen sie blaues Licht stärker als andere Farben, wodurch der blaue Farbton entsteht.

Die Plutoatmosphäre entsteht, wenn sein Oberflächeneis unter dem Licht der 4,5 Milliarden Kilometer entfernten Sonne verdampft. Pluto umkreist die Sonne auf einer 248 Erdenjahre langen, exzentrischen – oder elliptischen – Umlaufbahn, die zusätzlich um 17 Grad gegenüber den Umlaufbahnen der anderen Planeten geneigt ist, und rotiert dabei um seine eigene Achse. Frühere Vorhersagen deuteten darauf hin, dass weniger Oberflächeneis verdampfen würde, wenn sich Pluto auf seiner elliptischen Bahn von der Sonne entfernt. Dadurch würden weniger atmosphärische Gase entstehen, während die Verluste in den Weltraum anhalten würden – was schließlich zum Kollaps der Atmosphäre führen könnte. Aber anstatt zu kollabieren, scheint sich die Plutoatmosphäre in einem, wenige Jahre andauernden Zyklus zu regenerieren. Einige Bereiche des Zwergplaneten scheinen an verschiedenen Punkten der Umlaufbahn mehr Sonnenlicht ausgesetzt zu sein als andere. Wenn also eine eisreiche Regionen stark vom Sonnenlicht beschienen wird, kann sich die Atmosphäre ausdehnen und mehr Dunstpartikel erzeugen. Wenn aber diese Gebiete weniger Sonnenlicht erhalten, schrumpft die Gashülle und wird klarer. Selbst mit zunehmendem Abstand des Pluto von der Sonne scheint sich dieser Zyklus zu wiederholen, auch wenn nicht klar ist, wie lange sich dieses Muster fortsetzen wird.

„Es gibt noch vieles, was wir nicht verstehen, aber wir sind jetzt gezwungen, frühere Vorhersagen zu überdenken“, so Mike Person. „Die Atmosphäre des Pluto könnte langsamer kollabieren als zuvor vorhergesagt, oder vielleicht auch gar nicht. Wir müssen sie weiter beobachten, um das herauszufinden.“

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301 und 50OK1701) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA, Popular Mechanics.

Dabei wurde im Verlauf des vergangenen Wochenendes die rund fünffache der gewöhnlich möglichen Datenübertragungsgeschwindigkeit erreicht. LADEE sendete Daten mit 622 Megabit pro Sekunde. Beim Goddard-Zentrum für Weltraumflug (GSFC) der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) freut man sich über den Erfolg und bescheinigt der Laser-Kommunikationsnutzlast ein über den Erwartungen liegendes gutes Funktionieren. Das Experiment ist ein Gemeinschaftsprojekt des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Lincoln Laboratory LI mit dem GSFC.

Die Verwendung von Laserlicht für die Kommunikation von Raumfahrzeugen mit der Erde und untereinander eröffnet neue Möglichkeiten, so etwa die Übertragung von 3D-Videodatenströmen. Der Geschwindigkeitsunterschied bezogen auf das vollständige Übertragungssystem ist erheblich, Laser ermöglicht unter Ausnutzung der gegenüber Funk deutlich geringeren Wellenlänge des Lichtes, pro Zeiteinheit eine größere Menge Bits zu übertragen. Beispielsweise könnte LADEE einen Spielfilm üblicher Länge in gewöhnlicher HD-Qualität in weniger als 8 Minuten zur Erde senden, beim Einsatz herkömmlicher Funktechnik für das S-Band würde die Übertragung etwa 640 Stunden dauern.

Die Datenübertragungsrate von 622 Megabit pro Sekunde erreichte LADEE, als das Laserlicht von der Sonde im Mondorbit einigermaßen steil durch die Erdatmosphäre geschickt werden konnte. Mussten deutlich mächtigere Atmosphärenschichten durchdrungen werden, weil LADEE gegenüber der Empfangsstation weniger hoch am Himmel stand, ließen sich noch 311 Megabit pro Sekunde übertragen. Die Umschaltung der Datenübertragungsrate erfolgte nach Plan, und war dazu gedacht, die Anpassungsfähigkeit des Laser-Datenübertragungssystems zu demonstrieren.

Erfasst wurden die durch LADEE gesendeten Daten mit einem Empfangsterminal namens Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT) auf dem Testgelände White Sands in Las Cruces im US-amerikanischen Bundesstaat Neumexiko. Dieses Bodenterminal sendete vor der eigentlichen Datenübertragung ein Ortungssignal, damit das Lunar Lasercom Space Terminal (LLST) der Kommunikationsnutzlast an Bord von LADEE das Bodensystem anvisieren konnte. Man erwartete eine gewisse Suchzeit, doch es stellte sich heraus, dass das Bodenterminal mit seinen vier 40-Zentimeter-Teleskopen für den Empfang exzellent ausgerichtet war, und Daten unmittelbar übertragen werden konnten.

Der Strahl, den LADEE mit seiner LLCD aussendete, übertrug in der Kommunikationstechnik übliche Testdaten über eine Strecke von rund 383.000 Kilometern. Er wurde von einem 0,5 Watt-Laser erzeugt, der ein 10-Zentimeter-Cassegrain-Teleskop an Bord von LADEE bediente. Neben dem Senden von Daten via Laserlicht gelang LADEE auch der Empfang von via Laserlicht transportierten Informationen. Aus Neumexiko errichten Daten mit 20 Megabit pro Sekunde den Mondorbiter.

Die LLCD will man jetzt weiter testen. Insgesamt rund 30 Einsatztage sind vorgesehen. Die Einbindung einer Bodenstation der Europäischen Raumfahrtorganisation (ESA) auf der Kanareninsel Teneriffa ist vorgesehen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Massachussetts Institute of Technologie (USA).

TESS steht für Transiting Exoplanet Survey Satellite (Transit-Exoplaneten Durchmusterungssatellit) und wird unter Federführung des Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI) am Massachussetts Institute of Technologie (MIT) entwickelt. Der Satellit soll 2017 gestartet und auf einer Bahn abgesetzt werden, auf der er weder Erde noch Mond zu nahe kommt und die für Jahrzehnte stabil sein soll.

In Erdferne bieten sich ideale Beobachtungsbedingungen, in Erdnähe aber noch oberhalb der irdischen Strahlungsgürtel wird Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung auch mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich sein. Immerhin wird TESS mit geschätzten Kosten von etwa 200 Millionen US-Dollar und auch von der Masse her eher ein Leichtgewicht.

TESS wird wahrscheinlich mit 4 kleinen und schnellen Weitwinkelteleskopen ausgerüstet werden, die einen 400-fach größeren Himmelsbereich mit einem Mal erfassen können, als jedes vorherige derartige Projekt (CoRoT bzw. Kepler). Ursprünglich (2010) waren noch 6 Teleskope an Bord geplant. Hochentwickelte Sensoren erfassen dann das gesammelte Licht und werten es aus. In erster Linie geht es darum, periodische Verdunklungen von Sternen zu erfassen, die durch den Vorbeiflug von Planeten, die den jeweiligen Stern umlaufen, verursacht werden. Dazu müssen die Planeten allerdings die Sichtlinie von uns zum jeweiligen Stern durchlaufen und die Sterne bereits als Scheibchen auf den Sensoren registriert werden.

Bisher führendes Instrument für diese Aufgabe ist das NASA-Weltraumteleskop Kepler, welches sich seit 2009 in einer Sonnenumlaufbahn befindet und einen kleinen Himmelsausschnitt in den Sternbildern Schwan und Leier beobachtet. Hier befinden sich keine hellen Sterne, die mehr als 150.000 Lichtpünktchen im Blickfeld der zusammen 95 Megapixel umfassenden 42 Sensoren sind eher weit von uns entfernt. Mittlerweile hat man damit aber bereits mehr als 100 Planeten gefunden und weitere etwa 2.700 Kandidaten auf einer Liste.

Mit TESS sollen aber Planeten bei mehreren Millionen Sterne in relativer Nähe zur Erde, also in einem Umkreis von nur einigen Hundert Lichtjahren, aufgespürt werden können. Bei ihnen wäre dann auch die Untersuchung eventuell vorhandener Atmosphären möglich. Mit Hilfe anderer Methoden und weiterer Teleskope könnte sich auch die Masse der Planeten genauer bestimmen lassen, womit Aussagen über Dichte und Art der Planeten möglich wären.

Fortschritte in der Optoelektronik der letzten Jahre machen es jetzt offenbar möglich, derartige Sensoren zu entwickeln. Damit will man vor allem erdähnliche, kleine Gesteinsplaneten um sonnenähnliche Sterne finden, die obendrein diese in der sogenannten habitablen Zone umlaufen. Innerhalb dieser Zone ist es durch Sonneneinstrahlung sowie Dichte und Treibhauseffekt unterschiedlicher Atmosphären möglich, dass Wasser im flüssigen Aggregatzustand auftritt und damit Lebensprozesse begünstigt.

Projektleiter ist George Ricker vom MKI. Er betonte, dass durch den speziell ausgewählten Erdorbit die Geräte an Bord des Weltraumteleskops innerhalb eines stabilen Temperaturbereiches arbeiten können. Sara Sieger, Professorin für Planetenwissenschaften am MIT, blickt zuversichtlich in die Zukunft: „Die Auswahl des TESS-Projektes beschleunigt unsere Chancen, innerhalb des nächsten Jahrzehnts Leben auf einem fremden Planeten zu finden.“

Am Projekt TESS beteiligt sind neben dem MIT Kavli Institute auch das Lincoln Laboratory, das Goddard Spaceflight Center der NASA, die Orbital Sciences Corporation (Start mit Pegasus XL), das NASA Ames Research Center, das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die Aerospace Corporation und das Space Telescope Science Institute (STScI).

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

Das „Progamm Board“ der ESA hatte während einer Tagung in Paris vom 14. bis zum 15. Februar 2012 mit großer Zustimmung den durch eine belgische Delegation übermittelten Vorschlag angenommen, den fünften und nach bisherigem Planungsstand letzten europäischen automatischen Raumfrachter vom Typ ATV „Georges Lemaître“ zu taufen.

Der Astrophysiker und Priester Georges Lemaître, geboren am 17. Juli 1894 in der belgischen Stadt Charleroi, ist Schöpfer einer Reihe von Lösungen für Gleichungssysteme zu Einsteins Relativitätstheorie.

Doktor der Physik und der Mathematik wurde Lemaître 1920, 1923 wurde er zum Priester geweiht. Anschließend folgte ein Graduiertenstudium an der englischen Universität Cambridge, wo sich Lemaître mit Kosmologie, Astronomie der Sterne und numerischer Analyse beschäftigte. Nach Studienaufenthalten in Harvard und beim Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den Vereinigten Staaten von Amerika kehrte Lemaître 1925 nach Belgien zurück, um für den Rest seiner Karriere als Vollzeit-Professor an der katholischen Universität Leuven zu arbeiten.

1927 fand Lemaître eine Reihe von Lösungen für Einsteinsche Gleichungen zur Relativitätstheorie, die für ein sich stetig ausdehnendes Universum sprechen, und nicht für eines statischer Größe. Aus astronomischen Beobachtungen schloss Lemaître außerdem als erster auf einen ungefähren Wert für die Hubble-Konstante. Später wurden diese Zusammenhänge als Theorie vom Urknall bekannt.

Lemaître erhielt in Belgien die höchste wissenschaftliche Auszeichnung des Landes. 1936 wurde er zum Mitglied der päpstlichen Akademie der Wissenschaften ernannt, in der er bis zu seinem Tod 1966 wirkte. Kurz vor seinem Ableben konnte er einer Bestätigung seiner Theorien gewahr werden, als die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entdeckt wurde.

Im März 2014 könnte eine Ariane 5 ES das ATV 5 „Georges Lemaître“ mit Nachschub für die Internationale Raumstation (ISS) in den Weltraum bringen, wenn es gelingt, existierende Zeitpläne einzuhalten.

Das erste ATV namens „Jules Verne“ war am 9. März 2008 auf einer Ariane-5-Rakete gestartet worden und vom 3. April 2008 bis zum 5. September 2008 mit der ISS gekoppelt. Am 29. September 2008 war das Transportschiff wieder in die Erdatmosphäre eingetreten und dabei wie vorgesehen zerstört worden.

2011 flog das ATV 2 „Johannes Kepler“ zur ISS. Nach dem Start am 16. Februar 2011 war das ATV vom 24. Februar bis zum 20. Juni 2011 mit der ISS gekoppelt. Seine Existenz endete am 21. Juni 2011 beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre.

Das ATV 3 „Edoardo Amaldi“ soll in Kürze zu seiner Mission aufbrechen. Der Start ist für den 9. März geplant, das Ankoppeln an die ISS für den 19. März 2012.

„Albert Einstein“, das ATV 4, entsteht zur Zeit in Bremen bei EADS Astrium. Geflogen werden soll es im Jahr 2013.

Aufgabe der unbemannten ATV ist es, die ISS mit Treibstoff, Nahrung, Wasser und Verbrauchsgütern zu versorgen und einen Teil der zum Bahnerhalt der Station nötigen Manöver, man spricht von sogenannten Reboosts, mit den eigenen Triebwerken durchzuführen. Außerdem übernehmen die ATV einen Teil der Abfallentsorgung für die ISS, sie werden vor dem Abkoppeln von der Station entsprechend beladen.

Raumcon:

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• ISS-Versorger ATV

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: MIT.

Wenn man über einen Ort etwas wissen will, der Milliarden an Meilen entfernt ist, muss man auch ein wenig Glück haben. Genau dieses Glück hatten Astronomen vom Williams College und von MIT. Sie konnten Plutos größten Mond Charon untersuchen. Sie untersuchten ihm als er gerade vor einem Stern vorüberzog. So konnten sie den Schatten des Mondes analysieren und das Licht, wie es vom Mond Charon geändert wird. Diese Untersuchungen wurden bereits letzten Sommer abgeschlossen, die selbst nur etwa eine Minute lang dauerten. Neue Details über den Mond wurden entdeckt und nun veröffentlicht.
Das MIT-Williams Team konnte die wahrscheinliche Größe von Charon messen und entdeckte, dass der Mond Charon keine Atmosphäre besitzt. „Das Resultat gibt uns Einblicke in die Evolution von Weltraumobjekten im äußeren Sonnensystem“, sagte Chefautorin Amanda Gulbis, eine Mitarbeiterin vom MIT Department of Earth. Der Mond Charon hat einen Radius von 606 Kilometern. „Man kann die genaue Größe von Charon nicht ganz bestimmen. Plus oder Minus acht Kilometer muss man mit einkalkulieren.“ Die Größe, kombiniert mit den Gewichtdaten vom Hubble Teleskop, ergibt eine Dichte von etwa einem Drittel der Erddichte. Dies beweist, dass Charon eine eisige und felsige Oberfläche besitzt.

Das Team hat auch herausgefunden, dass die Dichte der Atmosphäre nur ein Millionstel der Erdatmosphärendichte beträgt. Diese Funde sprechen gegen die bisher geltende Theorie, dass Charon und Pluto durch ein Abkühlen von Gas und Staub, bekannt als der Sonnennebel, entstanden. Stattdessen ist Charon vermutlich durch eine Kollision zwischen einem Weltraumobjekt und dem Pluto entstanden. „Unsere Entdeckungen zeigen, dass Charon keine wirkliche entscheidende und merkbare Atmosphäre besitzt – eine mögliche Nachwirkung einer früheren Kollision“, erklärt Amanda Gulbis. Ähnliche Theorien existieren auch um die Entstehung des Erde-Mond System. Diese Entdeckungen und Erkenntnisse werden auch Einfluss auf die späteren Forschungsmissionen und Forschungsprogramme haben. „Wir sind bereit diese Erkenntnisse in späteren Forschungsmissionen ein zu setzen. So können wir effizienter nach Kuiper-Gürtel Objekten suchen, die etwa die Größe vom Pluto haben“, erhofft sich James Elliot aus den gewonnenen Daten. Elliot hat bereits länger als drei Jahrzehnte nach solchen Objekten gesucht.

Jay Pasachoff, Teamleader bei Williams College und Professor in der Astronomie-Abteilung meinte: „Es ist bemerkenswert, dass unser Team zur richtigen Zeit am richtigen Ort war, um ein kleines Objekt zu beobachten das Milliarden Meilen entfernt liegt. Die erfolgreichen Beobachtungen sind nur möglich gewesen, weil unser Team so gut zusammengearbeitet hat. Ich bedanke mich bei allen Mitarbeitern, die dazu beigetragen haben, dass unser Projekt so gut verlief.“

Das Projekt wurde von der NASA und dessen Einrichtungen unterstützt und gefördert.

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Ein Beitrag von Julian Schlund. Quelle: Technology Review.

Ein Mensch in einem Raumanzug inmitten eines öden, rötlichen Terrains testet gerade das Info-Display seines Anzugs. Ein paar Zelte und ein automatisiertes Gewächshaus sind die einzigen anderen Anzeichen für Leben. Plötzlich taucht jedoch ein Geländewagen in der Ferne auf. Es ist also nicht der Mars. Stattdessen befinden wir uns auf der Erde. Genauer gesagt in Devon Island in der kanadischen Arktis, einer Region, wie sie den Verhältnissen auf dem Mars nicht ähnlicher sein könnte.

Jeden Sommer, wenn das Wetter entsprechend mild ist, kommen Forscher aus aller Welt zur Haughton-Mars Project-Basis. Das Haughton-Mars Project ist ein von der NASA ins Leben gerufene Projekt, das aus zwei parallel ablaufenden Programmen besteht. Einerseits wird in Devon Island, oft auch als irdisches Analog zum Mars bezeichnet, Grundlagenforschung betrieben. Die felsige, polare Wüstengegend als auch die geologischen und biologischen Eigenschaften dieses Ortes sind denen des Mars frappierend ähnlich und bieten daher einen einmaligen Einblick in die mögliche Entwicklung des Mars, besonders in die Vergangenheit von Wasser sowie von früheren Klimaverhältnissen. Die Mars-gleichen Verhältnisse sind allerdings von ebenso großem Nutzen für die Entwicklung neuer Technologien, Strategien, Erforschung des sogenannten Human Factors (Rolle psychologischer und sozialer Einflussfaktoren) und operativem Know-How (Planung der Missionen).

Vergangenen Sommer betrat zum ersten Mal ein Team des Massachusets Institute of Technology (MIT) die Basis. Und zwar mit der Aufgabe, die passende Ausrüstung zu entwerfen und zu testen, um bei zukünftigen bemannte Missionen zum vierten Planeten unseres Sonnensystems (Merkur, Venus, Erde, Mars) über möglichst effiziente Methoden zur Versorgung der Crew zu verfügen. Geleitet von Olivier de Weck, assistierendem Professor für Luft- und Raumfahrt-Technik, sowie Umwelttechnik-Professor David Simchi-Levi, werden dem Team von der NASA 3,8 Millionen US-Dollar für eine Forschungszeit von zwei Jahren gestattet.

Zeitlastige Nebensächlichkeiten
In der ersten Phase ging es um onboard-Inventar, das lediglich die kostare Zeit der Astronauten vergeudet. Laut de Weck verbringen die Astronauten an Board der ISS mehrere Stunden am Tag damit, einen Überblick über Dinge wie Essen oder wissenschaftliche Ausrüstung zu behalten.

„Was sie wirklich machen sollen, das ist produktive wissenschaftliche Arbeit.“

Gegenwärtig bedienen sich Astronauten einfachen Barcodes, um sich einen Überblick über ihre Vorräte zu verschaffen. Jeder Artikel ist dabei mit zwei Barcodes etikettiert: einer dient zur Identifizierung, während der andere Aufschluss über den Bewahrungsort gibt. Das Problem: bislang bedarf es Barcode-Scannern, mit denen quasi jeder Artikel einzeln und von Hand abgescannt werden muss, wie es die Kassierer/-innen im Supermarkt machen.

Den Astronauten muss diese zeitlastige und nebensächliche Handarbeit abgenommen werden.

Dies versuchte das Team, indem es zahlreiche Objekte, von getrockneten Früchten bis hin zu einem Geländewagen, mit einem RFID-Chip kennzeichnete. Im Gegensatz zu Barcodes, die wie gesagt von Hand abgescannt werden müssen, benutzen RFID-Chips Radiosignale, um mit nahe gelegenen Empfängern zu kommunizieren.

De Weck und Simchi-Levi’s Team benutzten in ihren Tests die an Wänden, Vehikeln oder Toren anzubringenden RFID-Empfänger beispielsweise, um sich eine Übersicht über die zahlreichen Geländfahrzeuge der Basis zu verschaffen. Auf dem Mond oder Mars könnten sie Aufschluss darüber geben, was sich in dem Erkundungsfahrzeug befindet und ob die dortigen Versorgungsmittel für einen Tagestrip ausreichen oder nicht.

Auch wenn die MIT-Wissenschaftler die Daten noch nicht vollständig ausgewertet haben, glauben sie, dass RFID-Chips deutlich effizienter als die bisher eingesetzten Barcodes sind, auch wenn sie nicht so präzise arbeiten. So kam es manchmal vor, dass der RFID-Empfänger ein Signal nicht aufgefangen hat. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es Empfängern, die in der Lage sind, Signale aus größeren Winkeln zu empfangen.

Momentan beschäftigen sich die Wissenschaftler mit der Frage, wieviele Empfänger in einem Space-Shuttle gebraucht werden würden. Fest steht, dass die Anwort auf diese Frage das Design zukünftiger Raumfahrzeuge beeinflussen wird. „Das müssen wir der NASA und deren Zulieferern nun klar machen…“, erläutert Weck, „sodass RFID-Chips in fünf oder zehn Jahren eine brauchbare Technologie sein werden“.

Fest steht auch, dass sich künftige bemannte Missionen zum Mond oder zum Mars deutlich von den Appollo-Flügen unterscheiden werden. Während bei letzteren fast alles, was hinaufbefördert worden war, bei der Rückkehr dortgelassen wurde, plant die NASA für künftige Missionen die Errichtung von „Warenhäusern“ zur Versorgung im Weltraum, ob auf dem Mond, auf unserem roten Nachbarn oder gar auf einer gravitational stabilen Region auf etwa 85 Prozent der Strecke von der Erde zum Mond. Auch hier könnte sich die RFID-Technologie bezahlt machen, zum Beispiel zur Überprüfung der Qualität der Versorgungsmittel, die im Weltall teilweise extremen Umweltverhältnissen wie hohen und rapiden Temperaturschwankungen ausgesetzt sein werden.

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Ein Beitrag von Michael Stein, bearbeitet Star-Light. Quelle: NASA/CXC.

Die Beobachtungen von Chandra in Verbindung mit weiteren Beobachtungen im ultravioletten Spektralbereich sind ein wesentlicher Fortschritt für unser Verständnis, wie sich das Universum in den letzten zehn Milliarden Jahren entwickelt hat“, sagt Fabrizio Nicastro vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) in Cambridge (USA) und Leiter eines der an dieser Entdeckung beteiligten Teams.

Vier verschiedene Wissenschaftlerteams haben mit Hilfe des Röntgenteleskops Chandra intergalaktische Gase mit Temperaturen zwischen 300.000 und 5 Millionen Grad Celsius entdeckt. Diese Gase bilden einen Teil eines gigantischen Systems von heißen Gasen und Dunkler Materie, das die „kosmische Landschaft“ prägt. Alleine die gasförmigen Bestandteile dieses Systems enthalten mehr Materie als alle Sterne im Universum zusammen.

„Wir hatten von der Urknalltheorie und Beobachtungen des frühen Universums her starke Indizien für die Existenz dieses Gases in der Gegenwart, aber es entzog sich […] bisher unserer Entdeckung“, so Claude Canizares vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der zusammen mit Taotao Fang eines der vier Teams leitete.

Die von Chandra entdeckten heißen Gase können benutzt werden, um das Vorhandensein der dichteren Dunklen Materie zu verfolgen, da sich sich aufgrund gravitativer Verbindungen dort konzentrieren, wo auch die Dunkle Materie gehäuft vorkommt. Ihre Entdeckung kann die Astronomen unter Umständen in Zukunft in die Lage versetzen, die Verteilung der Dunklen Materie zu kartieren und ihren Ursprung zu verstehen.

Teleskope, die im ultravioletten Spektralbereich arbeiten, hatten kühlere Bestandteile des Systems aus heißen Gasen bereits entdeckt, aber der Großteil dieser Gase ist aufgrund der enorm hohen Temperaturen nur mit einem sehr empfindlichen Röntgenteleskop wie Chandra sichtbar.

Die verschiedenen Wissenschaftlerteams haben zwei Techniken für den Nachweis des intergalaktischen Gases benutzt. Eine Methode nutzte den Effekt aus, dass das Gas Röntgenstrahlen, die von weit entfernten Galaxien emittiert werden, auf ihrem Weg zur Erde teilweise absorbiert. Durch die Messung der Abschwächung dieser Strahlung – verursacht durch Sauerstoff und andere Elemente in den Gaswolken – konnten Astronomen Rückschlüsse auf die Temperatur, Dichte und Masse ziehen. Beobachtungen der beiden Quasare PKS 2155-304 und H1821+643 durch drei Teams enthüllten verschiedene Teile dieses Systems von heißen Gaswolken. In einem dieser Teile scheinen unter anderem unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, wie auch die Andromeda-Galaxie eingebettet zu sein, während andere mit dieser Methode entdeckte Gaswolken sich Milliarden von Lichtjahren entfernt befinden.

Diese Ergebnisse bestätigten frühere Arbeiten der Wissenschaftler Joel Bregman und Jimmy Irwin von der University of Michigan (USA), die mit der genau entgegengesetzten Methode arbeiteten: Sie nutzten die Tatsache aus, dass das heiße Gas selbst eine Röntgenquelle ist, und beobachteten die Abschwächung dieser Röntgenstrahlen bei ihrem Durchgang durch eine im Vordergrund befindliche Galaxie, was Rückschlüsse auf das dahinter liegende heiße Gas zuließ. „Normalerweise studieren Ärzte die Schatten, die unsere Knochen bei einer Röntgenaufnahme werfen, um mehr über die Knochen zu erfahren“, so Bregman. „Wir jedoch haben die Schatten genutzt, um etwas über den Röntgenapparat zu lernen.“

Während der ersten Milliarden Jahre nach der Entstehung unseres Universums haben sich rund 20 Prozent der Materie durch die Schwerkraft zu Strukturen wie Galaxien zusammengefunden. Verschiedene Theorien behaupten, dass der Großteil der verbleibenden Materie ein gigantisches Netzwerk bildet, dass die verschiedenen Gruppen und Cluster von Galaxien miteinander verbindet und so heiß ist, dass es für optische, infrarote und Radioteleskope nicht sichtbar ist. Nun scheint es, als ob erste Schatten dieses Netzwerkes gefunden sind.

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