Quelle: RWTH 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Das Euclid-Konsortium veröffentlicht heute die ersten wissenschaftliche Arbeiten, die auf Beobachtungen des Euclid-Teleskops basieren. Forschende des Euclid-Konsortiums beobachteten und analysierten während der Early Release-Observationsphase eine Reihe wissenschaftlich interessanter Ziele. Sie geben einen Einblick in das beispiellose Potenzial des Teleskops, das die Aufgabe hat, die umfassendste und genaueste Karte unseres Universums zu erschaffen. An dem Großprojekt sind Professor Julien Lesgourgues und Dr. Santiago Casas vom Lehrstuhl für Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie und Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie (TTK) der RWTH Aachen beteiligt.

„Diese erste beeindruckende Veröffentlichung von Euclid-Bildern bestätigt, dass die Mission in den kommenden Jahren in der Lage sein wird, eines ihrer Hauptziele zu erreichen: einen riesigen Katalog von Bildern von etwa einer Milliarde Galaxien erstellen – der größte Galaxienbildkatalog, der jemals kreiert wurde. Mit einem solchen Katalog werden wir in der Lage sein, den detaillierten Entstehungsprozess großer Strukturen unseres Universums – zum Beispiel Galaxienhaufen, kosmische Filamente und riesige Leerräume – während der letzten Milliarden Jahre zu verstehen“, erklärt Professor Lesgourgues.

Einsichten in die Verteilung der dunklen Materie – und vieles mehr
Zehn wissenschaftliche Publikationen präsentieren nun spannende Ergebnisse zur Entdeckung frei schwebender, neu entstandener Planeten sowie neuer Zwerggalaxien und Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit, zur Population von Kugelsternhaufen in der Nähe von Galaxien, zur Verteilung der dunklen Materie und des Lichts in Galaxienhaufen oder zu sogenannten gelinsten Galaxien mit hoher Rotverschiebung (high-redshift magnified lensed galaxies). Ebenso veröffentlicht das Konsortium heute weitere technische Informationen zur Mission, die die herausragenden Fähigkeiten von Euclid bestätigen sollen.

„Für mich als theoretischen Kosmologen ist es besonders spannend, dass wir nun in der Lage sein sollten, die Masse der leichtesten bekannten Teilchen, der Neutrinos, zu bestimmen und die Eigenschaften der beiden geheimnisvollsten Bestandteile des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, besser zu verstehen. Tatsächlich sind Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie im Universum sehr häufig, und ihre Eigenschaften – wie eben die Masse von Neutrinos – bestimmen die Art und Weise, wie sich diese großen Strukturen bilden“, erläutert Lesgourgues. „Um die Masse von Neutrinos oder die Eigenschaften von dunkler Materie und dunkler Energie zu bestimmen, müssen wir die realen Daten mit vielen Computersimulationen des Universums vergleichen, die unter verschiedenen Annahmen durchgeführt wurden.“

Simulationen spielen für die Forschungsgruppe Kosmologie der RWTH Aachen eine wichtige Rolle. Die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln Simulationscodes und stellen diese der internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Sie zeigen, wie das großräumige Universum unter anderem von den Eigenschaften der Neutrinos, der dunklen Materie und der dunklen Energie abhängt.

„Diese Instrumente werden eine wesentliche Rolle beim Vergleich zwischen den kosmologischen Modellen und den Beobachtungen von Euclid spielen. Wir haben uns seit vielen Jahren auf die Analyse der Euclid-Daten vorbereitet und freuen uns sehr darüber, dass die Satelliteninstrumente so gut funktionieren wie erwartet“, fügt Dr. Santiago Casas hinzu. „Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Bayes’sche Parameterschätzung, bei der wir hochentwickelte statistische Methoden einsetzen, um die Parameter unseres Modells an die Beobachtungsdaten anzupassen. Diese Methoden sind sehr rechenintensiv, so dass wir für Teile dieser Berechnungen auf das RWTH High Performance Computing Cluster zurückgreifen. Indem wir verschiedene Szenarien simulieren und unterschiedliche Annahmen untersuchen, prognostizieren wir die Leistungsfähigkeit der Euclid-Mission bei der Messung der kosmologischen Parameter unseres Universums, wie z.B. die Häufigkeit von dunkler Materie und dunkler Energie. An der RWTH Aachen haben wir zwei in der kosmologischen Gemeinschaft weithin anerkannte Codes entwickelt – CLASS und MontePython – die erheblich dazu beitragen, diese Analysen zu ermöglichen.“

Das Euclid-Konsortium
In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist das Euclid-Konsortium für die Durchführung der Mission verantwortlich. Das Konsortium hat die Mission des Weltraumteleskops Euclid geplant und die benötigten Instrumente gebaut. Ziel der Mission ist es, den extragalaktischen Himmel über einen Zeitraum von sechs Jahren zu kartieren und Daten zu liefern, die neue Erkenntnisse über dunkle Energie und dunkle Materie ermöglichen. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 ins All gestartet und begann am 14. Februar 2024 mit der Durchmusterung des Himmels. Das Euclid-Konsortium umfasst mehr als 2.600 Mitglieder, darunter über 1.000 Forscher aus mehr als 300 Forschungseinrichtungen in 15 europäischen Ländern sowie Kanada, Japan und den Vereinigten Staaten. Die beteiligten Institute und Labore decken die verschiedenen Bereiche der Astrophysik, Kosmologie, theoretischen Physik und Teilchenphysik ab. Heute können die Arbeiten des Konsortiums durch eine erste Reihe von Publikationen nachgewiesen werden.

Während der ersten Monate von Euclid im Weltraum wurde ein Early Release-Observationsprogramm durchgeführt, das einen ersten Blick auf die Tiefe und Vielfalt der durch Euclid ermöglichten Forschung erlaubt. Hierzu nahm das Teleskop für einen Zeitraum von 24 Stunden ausgewählte Ziele in den Blick, um eindrucksvolle Bilder zu erstellen, die gleichzeitig wertvolle Erkenntnisse für die Wissenschaft liefern. Fünf dieser Bilder wurden im November 2023 veröffentlicht. Weitere fünf Bilder werden heute von der ESA publiziert. Die wissenschaftlichen Arbeiten, die einem internen Peer-Review-Prozess unterliegen, sind bei Euclid Consortium Publications erhältlich und werden als Vorabveröffentlichungen auf ArXiv erscheinen. Die Bilder und der so genannte Science-Ready Catalog stehen bei der ESA zum Download bereit.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: MPA 16. Mai 2024.

16. Mai 2024 – Die Kombination von Beobachtungen eines neu entdeckten Doppelsternsystems mit hochentwickelten Modellen für den Kollaps von Sternen liefert wichtige Erkenntnisse über die Entstehung schwarzer Löcher mit stellarer Masse. Ein internationales Team des Max-Planck-Instituts für Astrophysik und des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen kommt zu dem Schluss, dass massereiche schwarze Löcher auch ohne eine helle Supernova-Explosion entstehen können. Die Energie des Kollapses wird hauptsächlich durch leichte Neutrinos mit nur geringer Asymmetrie abgestrahlt, was zu einem kleinen Rückstoß für das neu geborene schwarze Loch führt.

Seit Jahrzehnten weiß man, dass es in unserer Milchstraße Doppelsternsysteme gibt, bei denen einer der beiden Sterne ein schwarzes Loch ist. „Die Entdeckung des Doppelsternsystems VFTS 243 in unserer Nachbargalaxie, der Großen Magellanschen Wolke, war außergewöhnlich, und das System selbst ist bemerkenswert“, sagt Alejandro Vigna-Gómez, der zum Zeitpunkt der Entdeckung von VFTS 243 als Postdoktorand am Niels-Bohr-Institut (NBI) tätig war und jetzt am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) arbeitet. Das Doppelsternsystem besteht aus einem Stern mit der 25-fachen Masse der Sonne und einem begleitenden schwarzen Loch mit der 10-fachen Masse der Sonne.

Supernova-Explosionen
Sterne, die um ein Vielfaches massereicher sind als die Sonne, beenden ihr Leben in gewaltigen und leuchtstarken Explosionen, sogenannten Supernovae. Beim Kollaps des dichten metallischen Kerns des massereichen Sterns wird eine große Menge Energie freigesetzt, die hauptsächlich in Form von Neutrinos entweicht, während die äußeren Schichten des Sterns ins Weltall geschleudert werden. Dieses Material kann ein Vielfaches der Masse der Sonne betragen und wird mit Geschwindigkeiten von Hunderten bis Tausenden von Kilometern pro Sekunde ausgestoßen. Dies führt zu großskaligen Asymmetrien der ausgestoßenen Materie, die wir auch in den Überresten der Supernova-Explosionen beobachten.

Diese Asymmetrien und Auswürfe von Materie wirken sich direkt auf den sehr dichten Überrest im Kern aus: der neu entstandene Neutronenstern erfährt einen Rückstoß – einen Geburtskick – der seine Geschwindigkeit abrupt ändern kann. Für Neutronensterne gibt es zahlreiche Belege für solche Kicks, da wir ihre Bewegung mit hohen Geschwindigkeiten in der gesamten Milchstraße beobachten. Bei den massereichsten kompakten Objekten, den schwarzen Löchern, sind diese Geburtskicks jedoch nicht gut verstanden. Solche stellaren schwarzen Löcher entstehen beim Kollaps massereicher Sterne, insbesondere wenn keine Explosion zustande kommt und die einfallende Materie in sich kollabiert.

Die jüngste Entdeckung „verschwindender“ Sterne lässt vermuten, dass ein großer Teil der kollabierenden massereichen Sterne stattdessen schwarze Löcher ohne begleitende Explosion bildet, die wir im Gegensatz zu den hellen Supernovae nicht beobachten können. Es ist jedoch unklar, wie viel Masse diese Sterne bei der Entstehung von schwarzen Löchern verlieren, oder wie groß ihre ursprünglichen Kicks sind. Wenn der massereiche Stern direkt zu einem schwarzen Loch kollabiert, wird keine baryonische Materie herausgeschleudert, und die Energie geht überwiegend in Form von Neutrinos verloren. „VFTS 243 hat es uns ermöglicht, dieses Szenario zu testen“, sagt Vigna-Gómez.

Kollaps-Szenario
Das Team untersuchte das vollständige Kollaps-Szenario für das Doppelsternsystem VFTS 243, bei dem ein Stern, zehnmal massereicher als die Sonne, seinen Lebenszyklus durch eine Implosion beendete. Mit modernsten Modellen des Sternkollapses, die am MPA entwickelt wurden, berechneten sie die Auswirkungen auf die Umlaufbahn eines Doppelsternsystems während der Entstehung des schwarzen Lochs. Im Szenario des vollständigen Kollapses wird die enorme gravitative Bindungsenergie, die bei der Entstehung des schwarzen Lochs freigesetzt wird, ausschließlich von den schwach wechselwirkenden, neutralen und leichten Neutrinos fortgetragen.

„Die Untersuchung der physikalischen Prozesse, die im tiefsten Inneren kollabierender Sterne ablaufen, ist extrem schwierig und nur unter besonderen Umständen möglich“, sagt H.-Thomas Janka, Supernova-Theoretiker am MPA. „Das im Doppelsternsystem VFTS 243 beobachtete schwarze Loch ist ein solcher Spezialfall“, ergänzt Daniel Kresse, Postdoktorand in Jankas Gruppe. „Es erlaubte uns zum ersten Mal die Schlussfolgerung, dass Neutrinos nahezu gleichmäßig in alle Richtungen emittiert werden, wenn der massereiche Vorläufer kollabiert und das schwarze Loch entsteht.“

„Unsere Studie ist ein Paradebeispiel für die Synergie zwischen Theorie und Beobachtungen“, schließt Vigna Gómez. „Durch die Kombination hochentwickelter numerischer Modelle des Sternkollapses mit den grundlegenden Effekten von Supernovae in Doppelsternsystemen konnten wir entscheidende Einblicke gewinnen, wenn Sterne vollständig kollabieren, und insbesondere nachweisen, dass massereiche schwarze Löcher auch ohne Explosion entstehen können.“

Originalveröffentlichung
Vigna-Gómez et al.
„Constraints on neutrino natal kicks from black-hole binary VFTS 243“
Physical Review Letters, 132, 191403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.191403
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.191403
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.191403

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• Doppelsterne

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 13. Mai 2024.

13. Mai 2024 – Der νr-Prozess funktioniert, wenn neutronenreiches Material intensiver Neutrinobestrahlung ausgesetzt ist. Der theoretische Vorschlag, der kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, könnte die Lösung für ein seit langem bestehendes Problem im Zusammenhang mit der Produktion einer Gruppe seltener Isotope sein: Die sogenannten p-Kerne kommen im Sonnensystem vor, ihr Ursprung ist aber immer noch schlecht verstanden.

Fusionsprozesse in massereichen Sternen erzeugen Kerne bis hin zu Eisen und Nickel. Darüber hinaus werden die meisten stabilen schweren Kerne, wie Blei und Gold, durch langsame oder schnelle Neutroneneinfangprozesse erzeugt. Für die Produktion der übrigen, neutronenarmen Kerne wurde eine Vielzahl von Nukleosyntheseprozessen vorgeschlagen. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, die großen Mengen an ^92,94Mo, ^96,98Ru und ⁹²Nb im (frühen) Sonnensystem zu erklären.

Der νr-Prozess ermöglicht die gleichzeitige Produktion all dieser Kerne, da Neutrinos eine Reihe von Einfangreaktionen katalysieren. So funktioniert der Prozess: Der νr-Prozess findet in neutronenreichen Ausströmungen astrophysikalischer Explosionen statt, die anfangs, wenn die Temperaturen hoch sind, aus Neutronen und Kernen im Bereich von Eisen und Nickel bestehen. Wenn die Temperatur des Materials sinkt, werden schwerere Kerne aus leichteren Kernen durch eine Abfolge von Neutroneneinfang- und schwachen Wechselwirkungsprozessen erzeugt. Anders als beim schnellen Neutroneneinfangprozess, bei dem die schwachen Reaktionen Betazerfälle sind, handelt es sich beim νr-Prozess jedoch um Neutrino-Absorptionsreaktionen. Sobald die freien Neutronen aufgebraucht sind, werden die in den Kernen gebundenen Neutronen durch weitere Neutrinoabsorptionen in Protonen umgewandelt, wodurch Atomkerne nahe der Beta-Stabilitätslinie und sogar darüber hinaus erzeugt werden. Die Energie der Neutrinos ist groß genug, um Kerne in Zustände anzuregen, die durch die Emission von Neutronen, Protonen und Alphateilchen zerfallen. Die emittierten Teilchen werden von den schweren Kernen eingefangen. Dadurch wird eine Reihe von Einfangreaktionen ausgelöst, katalysiert durch Neutrinos, die die endgültigen Häufigkeiten der durch den νr-Prozess erzeugten Elemente bestimmen. Auf diese Weise können Neutrinos neutronenarme Kerne erzeugen, die sonst unerreichbar sind. „Unsere Entdeckung eröffnet eine neue Möglichkeit, die Entstehung von p-Kernen durch Neutrino-Absorptionsreaktionen mit Kernen zu erklären“, sagt Zewei Xiong, Wissenschaftler der GSI/FAIR-Abteilung „Nukleare Astrophysik und Struktur“ und korrespondierender Autor der Publikation.

Offen ist noch die Frage, in welcher Art stellarer Explosion der νr-Prozess auftritt. In ihrer Veröffentlichung schlagen die Autoren vor, dass der νr-Prozess in Material abläuft, das in einer Umgebung mit starken Magnetfeldern ausgestoßen wird, wie z. B. in magneto-rotierenden Supernovae, Kollapsaren oder Magnetaren. Dieser Vorschlag hat Astrophysiker*innen dazu veranlasst, nach den geeigneten Bedingungen zu suchen, und in der Tat wurde in einer ersten Veröffentlichung bereits berichtet, dass magnetisch getriebene Massenauswürfe die notwendigen Bedingungen erreichen.

Der νr-Prozess erfordert die Kenntnis von Neutrinoreaktionen und Neutroneneinfangreaktionen an Kernen, die sich auf beiden Seiten der Beta-Stabilitätslinie befinden. Die Messung der relevanten Reaktionen wird mit den einzigartigen Speicherringkapazitäten der GSI/FAIR-Anlage möglich werden.

Original-Publikation:
Production of p Nuclei from r-Process Seeds: The νr Process
Zewei Xiong, Gabriel Martínez-Pinedo, Oliver Just, and Andre Sieverding
Phys. Rev. Lett. 132, 192701 – Published 9 May 2024 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.192701
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.192701

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Justus-Liebig-Universität Gießen 11. April 2024.

11. April 2024 – Die Erde wird fortlaufend von Neutrinos – sehr leichten Teilchen, die im Kosmos, in der Sonne, aber auch in unserer Atmosphäre erzeugt werden – bombardiert. Allein von der Sonne kommen 70 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Erde an. Dass sie keinen größeren Schaden anrichten, liegt an der extrem niedrigen Wahrscheinlichkeit, mit anderen Teilchen zu kollidieren: Neutrinos durchdringen die Erde nahezu wechselwirkungsfrei. Physikerinnen und Physiker interessieren sich für diese sehr geringen Wechselwirkungen, denn sie können Informationen über das Verhalten von Materie zu Antimaterie und über die Eigenschaften der Neutrinos liefern.

Gezielte Experimente in Japan und in den USA sollen Erkenntnisse zu diesen Fragen bringen. Dabei können Neutrinos auf der Erde unter kontrollierten Bedingungen erzeugt werden. So soll zum Beispiel in einem Beschleuniger am Fermilab bei Chicago (USA) ein Neutrino-Strahl erzeugt werden, der über eine Distanz von 1.300 Kilometern die Erde durchdringen und schließlich in großen Detektoren tief unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine in Süd-Dakota nachgewiesen werden soll.

Der Neutrino-Strahl in dem sogenannten DUNE-Experiment, das 2030 anlaufen soll, hat viele verschiedene Energien, weil Neutrinos keine elektrische Ladung haben und deshalb nicht nach ihrer Energie unterschieden werden können. Für die Ergebnisse muss die genaue Energie der Neutrinos aber bekannt sein. Diese Information kann nur indirekt gewonnen werden, indem der Endzustand der Reaktion beobachtet wird. Hier setzt ein Forschungsprojekt am Institut für Theoretische Physik der JLU an. Seit etwa 20 Jahren entwickelt eine Arbeitsgruppe dort den Ereignisgenerator GiBUU (Giessen-Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck Project). Ereignisgeneratoren erzeugen zufällig simulierte Ereignisse der Hochenergie-Teilchenphysik, wie sie in Teilchenbeschleunigern, Collider-Experimenten oder im frühen Universum auftreten.

Das Gießener Forschungsteam um Prof. Dr. Ulrich Mosel und Dr. Kai Gallmeister hat mit GiBUU eine Fülle von möglichen Reaktionen der Neutrinos mit dem Detektormaterial beschrieben und simuliert. Der Endzustand der Reaktion mit vielen auslaufenden Teilchen wird so in Abhängigkeit von der Energie des einlaufenden Neutrinos berechnet. Durch Vergleich mit dem Experiment kann dann die Neutrino-Energie „zurückgerechnet“ werden.

Bereits jetzt laufen Vorläufer-Experimente für DUNE am Fermilab. Die dort schon gewonnenen Daten sind nun mit Berechnungen von GiBUU verglichen worden. Die schon durchgeführten Analysen der experimentellen Gruppen deuten darauf hin, dass GiBUU allen anderen Ansätzen in der Beschreibung der Daten überlegen ist.

Originalpublikation
U. Mosel and K. Gallmeister: Lepton-induced reactions on nuclei in a wide kinematical regime, Phys. Rev. D 109, 033008 – Published 20 February 2024
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.033008
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.033008

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• Neutrinos

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Quelle: MPE 14. Februar 2024.

14. Februar 2024 – Eine neue Analyse davon, wie sich Galaxienhaufen im Laufe der Zeit entwickelt haben, hat präzise Messungen des gesamten Materiegehalts im Universums und seiner Verklumpung ergeben. Diese und andere Ergebnisse stellt das deutsche eROSITA-Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik heute in einer Reihe von Veröffentlichungen vor. Sie entschärfen unter anderem eine Diskrepanz zwischen vorherigen Messungen der Verklumpung und geben gleichzeitig Aufschluss über die schwer fassbare Masse der Neutrinos und die Zustandsgleichung der dunklen Energie. Einer der größten Röntgenkataloge von Galaxienhaufen wurde ebenfalls heute veröffentlicht. Viele der Quellen waren bisher nicht bekannt, was das immense Entdeckungspotenzial von eROSITA verdeutlicht.

Vor zwei Wochen veröffentlichte das deutsche eROSITA-Konsortium seine Daten der ersten vollständigen Himmelsdurchmusterung. Das Hauptziel der Mission ist ein besseres Verständnis der Kosmologie mittels der Messung, wie sich Galaxienhaufen – einige der größten Strukturen in unserem Universum – im Laufe der kosmischen Zeit zusammenballen. eROSITA beobachtet die Röntgenstrahlung, die von heißem Gas in Galaxienhaufen emittiert wird, und kann damit sowohl die Gesamtmenge der Materie im Universum als auch deren Verklumpung präzise messen. Die eROSITA-Messungen beseitigen frühere Unstimmigkeiten zwischen bisherigen Messungen der Verklumpung mit verschiedenen Techniken, insbesondere dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) und dem schwachen Gravitationslinseneffekt.

„eROSITA hebt damit die Messung der Entwicklung von Galaxienhaufen als Instrument für die Präzisionskosmologie auf eine neue Stufe“, sagt Dr. Esra Bulbul (MPE), die das eROSITA-Team für Galaxienhaufen und Kosmologie leitet und die bahnbrechenden Ergebnisse heute vorstellt. „Die kosmischen Parameter, die wir aus Galaxienhaufen messen, stimmen mit den modernsten CMB-Daten überein und zeigen, dass das gleiche kosmologische Modell von kurz nach dem Urknall bis heute gilt.“

Nach dem kosmischen Standardmodell, dem sogenannten Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-Modell, war das junge Universum ein extrem heißes, dichtes Meer aus Photonen und Teilchen. Im Laufe der kosmischen Zeit wuchsen winzige Dichteunterschiede zu den großen Galaxien und Galaxienhaufen, die wir heute sehen. Die Beobachtungen der eROSITA-Galaxienhaufen zeigen, dass alle Arten von Materie (sichtbare und dunkle) 29 % der derzeitigen Gesamtenergiedichte des Universums ausmachen – in hervorragender Übereinstimmung mit Werten aus Messungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung aus der Frühzeit des Universums.

Neben der Messung der Gesamtmateriedichte hat eROSITA auch die Verklumpung der Materieverteilung mit Hilfe eines Parameters namens S8 gemessen. In den letzten Jahren hat sich in der Kosmologie die so genannte „S8-Spannung“ herausgebildet. Diese besteht darin, dass bei Studien basierend auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund ein höherer S8-Wert gemessen wird als z. B. bei kosmologischen Durchmusterungen aufgrund des schwachen Gravitationslinseneffekts. Es könnte auf eine neue Physik hindeuten, wenn diese Spannung nicht aufgelöst werden kann – und genau das hat eROSITA getan. „eROSITA sagt uns, dass sich das Universum während der gesamten kosmischen Geschichte verhalten hat wie erwartet“, sagt Dr. Vittorio Ghirardini, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die kosmologische Studie. „Es gibt keine Spannungen mit dem CMB – vielleicht können sich die Kosmologen jetzt ein wenig entspannen.“

Die größten Strukturen im Universum enthalten zudem Informationen über die kleinsten Teilchen: Neutrinos. Diese Leichtgewichte sind fast unmöglich zu entdecken. „Es mag paradox klingen, aber wir haben durch die Häufigkeit der größten Objekte im Universum enge Grenzen für die Masse der leichtesten bekannten Teilchen gefunden“, sagt Ghirardini. Obwohl Neutrinos klein sind, sind sie „heiß“, d. h. sie bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit. Daher neigen sie dazu, die Verteilung der Materie zu glätten – was durch die Analyse der Entwicklung der größten kosmischen Strukturen untersucht werden kann. „Wir stehen sogar kurz vor einem Durchbruch bei der Messung der Gesamtmasse der Neutrinos, wenn wir sie mit Neutrinoexperimenten auf der Erde zusammenbringen“, fügt Ghirardini hinzu. Die Häufigkeit der Haufen in den eROSITA-Daten allein ergibt eine Obergrenze für die Gesamtmasse von 0,22 eV; in Kombination mit den CMB-Daten verringert sich diese sogar auf 0,11 eV (bei einem Vertrauensniveau von 95 %). Dies ist die bisher genaueste kombinierte Messung aus allen kosmologischen Beobachtungen.

eROSITA kann uns aber noch mehr über die Beschaffenheit des Universums verraten. Die Gravitationstheorien sagen voraus, dass große kosmische Strukturen im Laufe der Entwicklung des Universums mit einer bestimmten Geschwindigkeit wachsen sollten. Mit den eROSITA-Daten kann diese Wachstumsrate gemessen werden. Die derzeitige Analyse hat bereits eine Reihe von Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ausgeschlossen. „Aber es gibt noch mehr,“ sagt Dr. Emmanuel Artis, ein Postdoktorand am MPE. „Wenn wir irgendwelche Hinweise finden, wird eROSITA den Weg für neue spannende Theorien jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie weisen.“

All diese Ergebnisse basieren auf einem der bisher größten reinen Kataloge von Galaxienhaufen, der ebenfalls heute der Öffentlichkeit vorgestellt wird. In der Hälfte der ersten eROSITA-Himmelsdurchmusterung entdeckten die Wissenschaftler 12.247 optisch identifizierte Galaxienhaufen. „8.361 davon sind Neuentdeckungen – mehr als 80 %“, staunt Dr. Matthias Kluge, Postdoktorand am MPE und verantwortlich für die optische Identifikation der entdeckten Haufen. „Das zeigt das enorme Entdeckungspotenzial von eROSITA.“

Bezieht man die Entfernung der Galaxienhaufen mit ein, so befinden sich diese an den Schnittpunkten des sogenannten kosmischen Netzes. Der ebenfalls heute veröffentlichte Superhaufen-Katalog kartiert die Galaxienhaufen und wie sie mit großräumigen Filamenten miteinander verbunden sind. „Wir haben mehr als 1300 Superhaufensysteme gefunden, was dies zur bisher größten Sammlung von Röntgen-Superhaufen macht“, sagt Dr. Ang Liu, Postdoktorand am MPE.

Ein weiteres Erfolgsgeheimnis dieser Studie war die korrekte Reproduktion der eROSITA-Beobachtungen durch umfangreiche Computersimulationen. „Auf diese Weise konnten wir die Haufen in den eROSITA-Daten vollständig erfassen, indem wir verstanden, welche wir übersehen haben“, sagt Dr. Nicolas Clerc, Forscher am IRAP in Toulouse. „Der Umgang mit diesen so genannten ‚Selektionsfehlern‘ war eine zusätzliche Schwierigkeit bei unserer Arbeit“.

Um die Masse der einzelnen Sternhaufen zu messen, nutzten die Wissenschaftler des eROSITA-Teams ein schwaches Gravitationssignal, das aus drei optischen Durchmusterungen stammt: der von Europa geleiteten KiloDegree-Survey, der von den USA geleiteten Dark Energy Survey und das von Japan geleitete Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, ein wahrhaft globales Unterfangen. Der so genannte schwache Gravitationslinseneffekt tritt auf, wenn das Licht von Hintergrundgalaxien durch gravitative Wechselwirkungen mit dem Haufen im Vordergrund verzerrt wird. „Wir entschlüsseln dann diese Verzerrungen, um die Masse der Galaxienhaufen zu bestimmen“, sagt Sebastian Grandis, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Innsbruck.

„Während wir die monumentale Leistung des eROSITA-Teams würdigen, sind wir gespannt auf die aufregenden weiteren Entdeckungen, die unser Verständnis der Ursprünge und der Entwicklung unseres Universums vertiefen werden“, betont Dr. Esra Bulbul. Das eROSITA-Team ist gespannt darauf, die im Februar 2022 abgeschlossenen 4,5 vollständigen Himmelsdurchmusterungen weiter zu analysieren. „Wenn die vollständigen Daten ausgewertet sind, wird eROSITA erneut unsere kosmologischen Modelle dem strengsten Test unterziehen, der jemals mit einer Durchmusterung von Galaxienhaufen durchgeführt wurde.“

Hinweis
Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert („Grant Agreement No 101002585“).

Originalveröffentlichung
The SRG/eROSITA All-Sky Survey – Cosmology Constraints from Cluster Abundances in the Western Galactic Hemisphere
V. Ghirardini, E. Bulbul, E. Artis et al.
Submitted to A&A
https://arxiv.org/abs/2402.08458
pdf: https://arxiv.org/abs/2402.08458

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Eigentlich wollten die USA nur überprüfen, ob sich auch alle Beteiligten an den Partiellen Teststopp-Vertrag halten, der bestimmte Atomwaffentests und andere Kernexplosionen verbot: Dafür wurden in den 1960er-Jahren die Vela-Satelliten in hohe Erdumlaufbahnen geschickt. Doch zunächst fanden diese Satelliten keine Anzeichen auf geheime Kernwaffen-Tests, sondern mysteriöse helle Lichter aus dem All: Diese Gammablitze leuchteten im hochenergetischen Gammastrahlenbereich sekundenlang auf, bevor sie wieder verblassten. Sie schienen von überall her aus dem All zu kommen – was steckte dahinter?

Heute wissen wir: Gammablitze kommen von sehr weit weg, zum Glück, möchte man sagen: Denn würde ein Gammablitz von nebenan auf die Erdatmosphäre treffen, hätte das drastische Auswirkungen auf die Erde und auf das Leben auf ihrer Oberfläche. Ein solcher Gammablitz könnte ein Massenaussterben auslösen – und vielleicht ist das in der Vergangenheit schon einmal passiert.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi die Geschichte der Gammablitze und was wir über sie bereits wissen. Und sie erzählt vom 9. Oktober 2022, als der bislang hellste jemals gemessene Gammablitz namens GRB 221009A auf die Erdatmosphäre traf, Spitzname: BOAT – brightest of all time.

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

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

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• Gamma Ray Bursts

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Es schützt uns vor gefährlichen Ausbrüchen der Sonne und zaubert Polarlichter an den Himmel: Heute wissen wir, dass wir dem Magnetfeld der Erde eine Menge verdanken. Tatsächlich aber dauerte es 2500 Jahre, um zu verstehen, wie es entsteht.

Karl erzählt in dieser Folge des Podcasts, wie das Erdmagnetfeld über die Jahrhunderte immer genauer untersucht wurde, ohne dass Forscherinnen und Forscher ihm wirklich auf die Schliche kommen konnten. Beginnend vom ersten Kompass im alten China, über erste Versuche mit runden Magneten bis zur Entdeckung des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert: Der Geodynamo tief im Erdinnern weigerte sich, seine wahre Natur zu zeigen.

Am Ende brauchte es tief gehende Erkenntnisse aus der Geologie und Supercomputer, um dem Erdmagnetfeld mit seinen verwirrenden Schwankungen und Umpolungen auf die Schliche zu kommen.

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

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• Das Erdmagnetfeld

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Warum scheint unsere Sonne? Antwort: Kernfusion! Tief in ihrem Innern verschmelzen also unter anderem Atomkerne des Wasserstoffs zu Helium. Doch Forschende wollten sich in den 1960er Jahren nicht nur mit schönen Erklärungen begnügen, sondern eine so schlüssige Erklärung auch experimentell überprüfen: zum Beispiel mit einem unterirdischen Tank in der Homestake-Mine in South Dakota, der, gefüllt mit chemischem Reinigungsmittel, darauf wartete, dass ab und an ein Neutrino von der Sonne vorbeikäme.

Denn unsere Sonne erzeugt bei der Kernfusion auch Neutrinos – und diese wollten Forscherinnen und Forscher finden und zählen. Das gelang ihnen auch. Doch leider kamen in den irdischen Neutrinodetektoren nur rund ein Drittel der erwarteten Neutrinos an. War gar die Sonne kaputt? Hatte man doch nicht verstanden, warum die Sonne scheint? Oder war das Problem ganz woanders zu verorten – vielleicht waren die Neutrinos selbst schuld?

Franzi erzählt Karl in dieser Ausgabe des AstroGeo Podcasts vom Rätsel der fehlenden Sonnen-Neutrinos – und zur Beruhigung: Nein, unsere Sonne war wohl doch nicht kaputt.

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

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 11. Oktober 2023.

11. Oktober 2023 – Die nukleare Astrophysik untersucht die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit. Ihre Modelle verwenden Parameter, die die Forschenden aus Messdaten gewinnen. Eine wichtige Rolle spielen dabei Kernreaktionen, die im Inneren der Sterne ablaufen. Ein Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun gemeinsam mit Forschenden aus Italien, Ungarn und Schottland am Dresdner Felsenkeller- Beschleuniger erneut eine der zentralen Reaktionen untersucht – mit einem überraschenden Ergebnis, wie sie im Fachmagazin Physical Review C (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801) berichten.

„Wir haben eine altbekannte Kernreaktion unter die Lupe genommen, die für die Elemententstehung in massereichen Sternen bedeutsam und darüber hinaus eine der frühesten ist, die im Labor mit Beschleunigern untersucht wurde: Die Kollision eines Wasserstoffkerns mit einem Kohlenstoffkern, in deren Folge das Isotop Stickstoff-13 entsteht und Gammastrahlung freigesetzt wird. Sie ist der erste Schritt des sogenannten CNO-Zyklus, auch als Bethe-Weizsäcker-Zyklus bekannt. Wir waren vor allem am Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt“, sagt Prof. Daniel Bemmerer vom HZDR-Institut für Strahlenphysik.

Diesen Parameter hat ein Team aus italienischen, ungarischen, schottischen und deutschen Wissenschaftler*innen im Untertagelabor Felsenkeller nun mit bisher beispielloser Präzision bestimmt. Das überraschende Ergebnis: der bisher akzeptierte Wert muss um rund 25 Prozent nach unten korrigiert werden. Das Ergebnis legt nahe, dass das Einbrennen des CNO-Zyklus länger gedauert hat als bisher gedacht und die Emission solarer 13N-Neutrinos im Mittel näher am Zentrum der Sonne stattfindet als vermutet. Die neuen Daten erlauben zudem genauere theoretische Vorhersagen für das Verhältnis der Kohlenstoff-Isotope 12C/13C in Sternen, die wiederum helfen, Modelle für die Vorgänge in deren Innerem zu überprüfen und zu verbessern.

Die Sonne ins Labor holen – en miniature
Sterne beziehen ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Abhängigkeit der Masse des Himmelskörpers sind dafür unterschiedliche Prozesse bekannt. So läuft in massearmen Sternen wie unserer Sonne vor allem die sogenannte Proton-Proton-Kette ab. In massereichen Sternen pressen die starken Gravitationskräfte die Wasserstoffkerne jedoch so sehr zusammen, dass hier deutlich höhere Temperaturen herrschen. Dadurch können die Wasserstoffkerne zusätzlich mit Kohlenstoffkernen reagieren. Obwohl diese keine zwei Prozent der interstellaren Materie ausmachen, aus der Sterne entstehen, reicht diese Konzentration aus, um den CNO-Zyklus in Gang zu bringen und am Laufen zu halten. Sie wirken dabei als Katalysator: Sie beschleunigen die Reaktion, ohne jedoch selbst dabei verbraucht zu werden. Die Netto-Reaktion ist am Ende die gleiche wie beim Proton-Proton-Zyklus: die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Doch in Sternen mit CNO-Zyklus läuft diese Reaktion wesentlich schneller ab.

„Als Targets verwenden wir Scheiben aus Tantal, auf die Kohlenstoff aufgedampft ist. Darauf schießen wir Protonen, die aus unserem 5-MV-Pelletron-Beschleuniger stammen und einen relativ weiten Energiebereich überstreichen. Die bei der Reaktion entstehenden Gammaquanten können wir mit 20 empfindlichen Reinstgermanium-Detektoren nachweisen“, schildert Bemmerer das experimentelle Vorgehen.

Das gemeinsam vom HZDR und der TU Dresden betriebene Untertagelabor Felsenkeller im Plauenschen Grund ist für solche Messungen optimal. Eine 45 Meter dicke Felsschicht im Stollen des ehemaligen Eislagers der Dresdner Felsenkeller-Brauerei schützt die Detektoren vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Die aktuelle Arbeit ist darüber hinaus ein gutes Beispiel für die innereuropäische Zusammenarbeit in der Astrophysik-Community: Ein Doktorand der Universität Padua forschte während des Experiments für sechs Monate am Felsenkeller. Die Teilnahme weiterer Messgäste aus Italien, Ungarn und Schottland wurde von der EU im Rahmen des Projekts „ChETEC-INFRA“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
J. Skowronski, E. Masha, D. Piatti, M. Aliotta, H. Babu, D. Bemmerer, A. Boeltzig, R. Depalo, A. Caciolli, F. Cavanna, L. Csedreki, Z. Fülöp, G. Imbriani, D. Rapagnani, S. Rümmler, K. Schmidt, R. S. Sidhu, T. Szücs, S. Turkat, A. Yadav: „Improved S factor of the 12C(p,γ)13N reaction at E=320–620 keV and the 422 keV resonance“, in Physical Review C 107, (2023) (DOI: 10.1103/PhysRevC.107.L062801)
https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.107.L062801

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• Unsere Sonne

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 7. September 2023.

7. September 2023 – Neutrinos sind allgegenwärtige Elementarteilchen, die nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirken. Deshalb durchdringen sie diese meist ungehindert und werden daher auch Geisterteilchen genannt. Nichtsdestotrotz spielen Neutrinos eine überragende Rolle im frühen Universum. Um vollständig erklären zu können, wie sich unser Universum entwickelt hat, müssen wir vor allem ihre Masse kennen. Doch bisher ist es nicht gelungen, diese Masse zu bestimmen.

Das möchte die internationale Project 8 Kollaboration mit ihrem neuen Experiment jetzt ändern. Project 8 setzt erstmals auf eine völlig neue Technologie zur Bestimmung der Neutrinomasse, die sogenannte „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ – kurz CRES. In einer aktuellen Veröffentlichung in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters konnte die Project 8 Kollaboration jetzt zeigen, dass die CRES-Methode tatsächlich dazu geeignet ist, die Neutrinomasse zu bestimmen und hat dabei in einer ersten Messung bereits eine obere Grenze für diese fundamentale Größe gesetzt – ein wichtiger Meilenstein ist damit erreicht. Von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sind die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martin Fertl und Prof. Dr. Sebastian Böser beteiligt, beide Forscher am Exzellenzcluster PRISMA+. Dr. Christine Claessens, ehemalige Doktorandin von Sebastian Böser und nun Postdoc an der University of Washington in Seattle (USA), hat im Rahmen ihrer Doktorarbeit einen entscheidenden Beitrag zu der aktuellen Veröffentlichung geleistet.

Elektronen als Schlüssel zur Neutrinomasse
Das Project 8 Experiment nutzt den Beta-Zerfall von radioaktivem Tritium, um der Neutrinomasse auf die Spur zu kommen. Tritium ist ein schwerer Verwandter des Wasserstoffs, ein sogenanntes Isotop. Es ist instabil und besteht aus einem Proton und zwei Neutronen. Durch Umwandlung eines dieser Neutronen in ein Proton zerfällt Tritium zu Helium und sendet dabei ein Elektron und ein Antineutrino aus. „Und nun kommt der Clou“, sagt Martin Fertl. „Da Neutrinos und ihre Antiteilchen keine elektrische Ladung haben, sind sie sehr schwer nachzuweisen. Wir versuchen daher erst gar nicht, sie aufzuspüren. Stattdessen messen wir die Energie der entstehenden Elektronen über ihre Umlauffrequenz in einem Magnetfeld. Anhand der Form des Energiespektrums der Elektronen bestimmen wir dann die Neutrinomasse bzw. setzen so eine Obergrenze für diese Masse.“

Sehr präzise Messung der Elektronenenergie ist nötig
Um belastbare Ergebnisse zu erhalten, muss die Energie der Elektronen extrem präzise gemessen werden. Denn das entstehende (Anti)Neutrino ist unglaublich leicht, mindestens 500.000 Mal leichter als ein Elektron. „Wenn Neutrinos und Elektronen gleichzeitig erzeugt werden, hat die Neutrinomasse nur einen winzigen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Und diesen kleinen Effekt wollen wir sehen“, erläutert Sebastian Böser. Die Methode, die das möglich macht, heißt „Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“ (CRES). Mit ihr wird die Mikrowellenstrahlung registriert, die von den entstehenden Elektronen ausgesandt wird, wenn sie in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn gelenkt werden. Die Frequenz der emittierten Strahlung lässt sich extrem präzise bestimmen und dann über die Elektronenenergie auf die Masse des Neutrinos rückschließen.

Damit das funktioniert hat Christine Claessens einen entscheidenden experimentellen Beitrag geleistet: „Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich unter anderem ein Ereignis-Detektionssystem, bestehend aus einem Echtzeit-Trigger und einer Offline-Ereignisrekonstruktion, entwickelt. Dieses System sucht in dem kontinuierlich digitalisierten und verarbeiteten Hochfrequenzsignal nach den charakteristischen CRES-Merkmalen. Die Rekonstruktion der Startfrequenz jedes Elektronenereignisses ermöglicht die hochpräzise Aufnahme eines Tritium-Zerfallsspektrums.“ Auf dieser Grundlage gelang Christine Claessens die Analyse des ersten mit CRES aufgenommenen Tritium-Spektrums im Hinblick auf systematische Unsicherheiten – und somit die Berechnung einer ersten Obergrenze für die Neutrinomasse mit dieser neuen Technologie, die nun Eingang in die neueste Publikation gefunden hat.

Dort berichtet die Project 8 Kollaboration konkret von 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignissen, welche sie über einen Zeitraum von 82 Tagen in einer Probenzelle von der Größe einer einzelnen Erbse registriert hat. Die Probenzelle wird auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen so lange auf einer Kreisbahn laufen lässt, dass die Detektoren ein Mikrowellensignal registrieren können. Entscheidend ist, dass keine falschen Signale oder Hintergrundereignisse registriert werden, die mit dem „echten Signal“ verwechselt werden könnten oder dieses überdecken. „Die daraus resultierende erstmalige Bestimmung der Obergrenze für die Neutrinomasse mit einer rein frequenzbasierten Messtechnik ist ein sehr vielversprechendes Resultat, da wir Frequenzen heutzutage sehr genau messen können“, so das Fazit von Sebastian Böser und Martin Fertl.

Nächste Schritte sind schon in Angriff genommen
Nach dem erfolgreichen „Proof of Principle“ steht der nächste Schritt an: Für das finale Experiment brauchen die Forschenden einzelne Tritiumatome – welche sie aus der Spaltung von Tritium-Molekülen erzeugen. Das ist knifflig, da Tritium, genau wie Wasserstoff, bevorzugt Moleküle bildet. Die Entwicklung einer solchen Quelle – zunächst für atomaren Wasserstoff und später für atomares Tritium – ist ein wichtiger Beitrag des Mainzer Teams.

Im Moment arbeitet die Project 8 Kollaboration, an der Mitglieder aus zehn Forschungseinrichtungen weltweit beteiligt sind, an der Erprobung von Entwürfen für die Vergrößerung des Experiments von einer erbsengroßen Probenkammer auf eine tausendmal größere. So sollen noch weit mehr Beta-Zerfallsereignisse registriert werden. Am Ende eines mehrjährigen Forschungs- und Entwicklungsprogramms soll das Project 8 Experiment die Empfindlichkeit bisheriger Experimente – wie des aktuellen KATRIN Experiments – schließlich übertreffen und so erstmals einen Wert für die Neutrinomasse ermitteln.

Veröffentlichung:
A. Ashtari Esfahani et al., „Tritium Beta Spectrum Measurement and Neutrino Mass Limit from Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy“,
Phys. Rev. Lett. 131, 102502 (6 September 2023),
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.102502,
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.102502,
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.131.102502.

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• Neutrinos

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

19. Juli 2023 – Ein internationales Astrophysik-Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Deutschland, der Harvard University in den USA und der Durham University im Vereinigten Königreich hat den ehrgeizigen Versuch unternommen, gleichzeitig die Entstehung von Galaxien und die großräumige Struktur im Kosmos in erstaunlich großen Regionen des Weltalls zu simulieren. Ihre Simulationen berücksichtigen zudem die geisterhaften Neutrinos und könnten dazu beitragen, die Masse dieser Elementarteilchen einzugrenzen. Die ersten Ergebnisse des „MillenniumTNG“-Projekts wurden soeben in einer Reihe von 10 Artikeln in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Die neuen Rechnungen tragen dazu bei, das kosmologische Standardmodell einem Präzisionstest zu unterziehen und die meisten Informationen aus den bevorstehenden kosmologischen Beobachtungen herauszuholen.

In der Kosmologie hat sich in den letzten Jahrzehnten die verblüffende Annahme etabliert, dass die Materie im Universum von einer rätselhaften ‚Dunklen Materie‘ dominiert wird und dass ein noch seltsameres Feld aus ‚Dunkler Energie‘ als eine Art Anti-Schwerkraft wirkt, und die Expansion des heutigen Kosmos beschleunigt. Die gewöhnliche baryonische Materie trägt mit weniger als 5 % zum kosmischen Gemisch bei, dennoch bildet sie die Grundlage für die Sterne und Planeten in Galaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Dieses seltsam anmutende kosmologische Modell wird LCDM genannt. Es liefert eine hartnäckig erfolgreiche Beschreibung einer Vielzahl von Beobachtungsdaten: von der kosmischen Mikrowellenstrahlung – der Restwärme, die der heiße Urknall hinterlassen hat – bis hin zum „kosmischen Netz“, in dem die Galaxien entlang eines verschlungenen Netzes mit Filamenten aus Dunkler Materie angeordnet sind.

Die tatsächliche physikalische Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist jedoch immer noch nicht verstanden, weshalb Astrophysiker und Astrophysikerinnen nach Defiziten in der LCDM-Theorie suchen. Fänden sich Ungereimtheiten im Vergleich zu Beobachtungsdaten so könnte dies zu einem besseren Verständnis dieser grundlegenden Rätsel unseres Universums führen. Empfindliche Tests sind erforderlich, die beides brauchen: aussagekräftige neue Beobachtungsdaten und detailliertere Vorhersagen darüber, was das LCDM-Modell tatsächlich impliziert.

Forschenden am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) ist es nun zusammen mit einem internationalen Team der Harvard University und der Durham University sowie der York University in Kanada und des Donostia International Physics Center in Spanien gelungen, bei der theoretischen Beschreibung einen entscheidenden Schritt voranzukommen. Aufbauend auf ihren früheren Erfolgen mit den Projekten „Millennium“ und „IllustrisTNG“ entwickelten sie eine neue Reihe von Simulationsmodellen mit dem Namen „MillenniumTNG“, die die Physik der kosmischen Strukturbildung mit wesentlich höherer statistischer Genauigkeit nachzeichnen, als dies mit früheren Berechnungen möglich war.

Große Simulationen mit neuen physikalischen Details
Das Team nutzte den fortschrittlichen kosmologischen Rechen-Code GADGET-4, der speziell für diesen Zweck am MPA entwickelt wurde, um die bisher größten, hochaufgelösten Dunkle-Materie-Simulationen zu berechnen, die eine Region von fast 10 Milliarden Lichtjahren abdecken. Darüber hinaus verwendeten sie den hydrodynamischen Code AREPO, dessen Zellgröße sich dynamisch anpasst, um die Prozesse der Galaxienbildung direkt in so großen Volumina zu verfolgen, dass sie als repräsentativ für das gesamte Universum angesehen werden können. Aus dem Vergleich der beiden Arten an Simulation kann genau bewertet werden, wie sich baryonische Prozesse im Zusammenhang mit Supernova-Explosionen und supermassereichen Schwarzen Löchern auf die Gesamtverteilung der Materie auswirken. Dies wiederum erlaubt kommende Beobachtungen korrekt zu interpretieren, wie z. B. die so genannten schwachen Gravitationslinseneffekte. Diese reagieren auf Materie unabhängig davon, ob sie dunkel oder baryonisch ist.

Außerdem bezog das Team massereiche Neutrinos in seine Simulationen ein – zum ersten Mal in Simulationen, die groß genug sind, um kosmologische Beobachtungen aussagekräftig nachzustellen. In früheren kosmologischen Simulationen wurden Neutrinos meist der Einfachheit halber weggelassen, da sie höchstens 1-2 % der Masse der Dunklen Materie ausmachen und ihre nahezu relativistischen Geschwindigkeiten ein Zusammenklumpen verhindern. Nun aber werden künftige kosmologische Durchmusterungen des Universums (wie mit dem kürzlich gestarteten Euclid-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation) eine Genauigkeit erreichen, die einen Nachweis der damit verbundenen prozentualen Effekte ermöglicht. Dies eröffnet die verlockende Aussicht, die Neutrinomasse selbst zu bestimmen, eine grundlegende, offene Frage in der Teilchenphysik – es steht viel auf dem Spiel.

Für die bahnbrechenden MillenniumTNG-Simulationen nutzten die Forscher zwei extrem leistungsstarke Supercomputer: den SuperMUC-NG am Leibniz-Rechenzentrum in Garching und den Cosma8-Rechner, der von der Durham University im Auftrag der britischen DiRAC-Hochleistungsrechenanlage betrieben wird. Mehr als 120 000 Rechnerkerne arbeiteten am SuperMUC-NG fast zwei Monate lang, wobei die vom deutschen Gauß-Zentrum für Hochleistungsrechnen zur Verfügung gestellte Rechenzeit genutzt wurde, um das bisher umfassendste hydrodynamische Simulationsmodell zu erstellen. MillenniumTNG verfolgt die Entstehung von etwa einhundert Millionen Galaxien in einer Region des Universums mit einem Durchmesser von etwa 2400 Millionen Lichtjahren (siehe Abbildung 1). Diese Berechnung ist etwa 15 Mal größer als die bisher beste in dieser Kategorie, das TNG300-Modell des IllustrisTNG-Projekts.

Mit Cosma8 berechnete das Team ein noch größeres Volumen des Universums, das mit mehr als einer Billion Teilchen der Dunklen Materie und mehr als 10 Milliarden Teilchen gefüllt ist, um den massereichen Neutrinos zu folgen (siehe Abbildung 2). Obwohl diese Simulation die baryonische Materie nicht direkt verfolgte, können die Galaxien in MillenniumTNG mit Hilfe eines semi-analytischen Modells, das gegen die baryonische Berechnung des Projekts kalibriert wird, genau vorhergesagt werden. Dieses Verfahren führt zu einer detaillierten Verteilung der Galaxien und der Materie in einem Volumen, das zum ersten Mal groß genug ist, um für das gesamte Universum repräsentativ zu sein, so dass Vergleiche mit bevorstehenden Beobachtungen auf eine solide statistische Grundlage gestellt werden können.

Theoretische Vorhersagen für die Kosmologie
Die ersten Ergebnisse des MillenniumTNG-Projekts zeigen eine Fülle von neuen theoretischen Vorhersagen, die die Bedeutung von Computersimulationen in der modernen Kosmologie unterstreichen. Das Team hat zehn wissenschaftliche Paper für das Projekt verfasst und eingereicht. Acht davon sind soeben in der Fachzeitschrift MNRAS erschienen, die beiden anderen werden in Kürze folgen.

Eine der Studien beschäftigte sich mit der Form von Galaxien. Nahe Galaxien haben die subtile Tendenz, ihre Formen ähnlich auszurichten anstatt in willkürliche Richtungen zu zeigen – ein Effekt, der „intrinsische Galaxienausrichtung“ genannt wird. Dieser kaum erforschte Effekt verzerrt die Ergebnisse, die sich aus dem schwachen Gravitationslinseneffekt ergeben, der ja sein eigenes statistisches Ausrichtungssignal erzeugt. Im Rahmen des MillenniumTNG-Projekts konnten zum ersten Mal intrinsische Ausrichtungen mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis direkt bei den simulierten Galaxien gemessen werden, und zwar bis zu Entfernungen von mehreren hundert Millionen Lichtjahren. „Unsere Bestimmung der intrinsischen Ausrichtung von Galaxien kann vielleicht dazu beitragen eine Diskrepanz aufzulösen, die derzeit zwischen zwei Methoden herrscht, um die Amplitude zu messen, wie stark Materie klumpt“, sagt die Doktorandin Ana Maria Delgado, Erstautorin dieser Studie im MillenniumTNG-Team. „Die Materie-Anhäufung wird dabei einmal über den schwachen Gravitationslinseneffekt bestimmt und einmal aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet.“ Mit Hilfe der MillenniumTNG-Ergebnisse werden die Astronomen in der Lage sein, diesen wichtigen systematischen Effekt viel besser zu korrigieren.

Ein weiteres aktuelles Ergebnis bezieht sich auf die jüngste Entdeckung einer Population sehr massereicher Galaxien im jungen Universum mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST). Kurze Zeit nach dem Urknall sind die Massen dieser Galaxien unerwartet groß, was den theoretischen Erwartungen zu widersprechen scheint. Dr. Rahul Kannan analysierte die Vorhersagen von MillenniumTNG für diese frühe Epoche. Während die Simulationen bis zu einer Rotverschiebung von z=10 (als das Universum weniger als 500 Millionen Jahre alt war) mit den Beobachtungen übereinstimmen, bestätigte er, dass die neuen JWST-Ergebnisse bei einer noch höheren Rotverschiebung im Widerspruch zu den Vorhersagen der Simulationen stehen, falls sie Bestand haben. „Vielleicht ist die Sternentstehung kurz nach dem Urknall viel effizienter als zu späteren Zeiten, oder vielleicht sind damals massereiche Sterne in höheren Anteilen entstanden, was diese Galaxien ungewöhnlich hell macht“, erklärt Dr. Kannan.

Andere Arbeiten des Teams konzentrieren sich auf die Signale der Haufenbildung bei Galaxien. So erstellte die MPA-Doktorandin Monica Barrera extrem große und äußerst realistische Scheinkataloge von Galaxien auf dem rückwärtigen „Lichtkegel“ eines Referenzbeobachters (siehe Abbildung 3). In diesem Fall sind Galaxien, die weiter entfernt sind, automatisch auch jünger, was die Reisezeit des Lichts widerspiegelt, das unsere Teleskope erreicht. Anhand dieser virtuellen Beobachtungen untersuchte sie die so genannte baryonische akustische Oszillation (BAO) – ein kosmologisch wichtiges Standard-„Maßband“ – in der projizierten Zweipunkt-Korrelationsfunktion von Galaxien. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Messung dieser BAOs ein ziemlich kniffliges Unterfangen ist, das durch so-genannte kosmische Varianzeffekte erheblich beeinflusst werden kann – selbst wenn in Beobachtungen extrem große Volumina durchmustert und untersucht werden. Während man in Simulationen das modellierte Universum aus verschiedenen Blickwinkeln beobachten kann, um den korrekten statistischen Ensemble-Mittelwert zu ermitteln, ist dies für das reale Universum nicht ohne weiteres möglich. „Die MillenniumTNG-Simulationen sind so groß und enthalten so viele Galaxien – mehr als eine Milliarde in der größten Berechnung – dass es wirklich schwierig war, sie zu untersuchen“, sagt Monica Barrera. „Skripte, die für die Analyse kleinerer Simulationen gut funktionieren, brauchen für MillenniumTNG ewig.“

Analyse der kosmologischen Daten
Die Serie der ersten Ergebnisse der MillenniumTNG-Simulationen macht deutlich, dass die Berechnungen eine große Hilfe bei der Entwicklung besserer Strategien für die Analyse künftiger kosmologischer Daten sein werden. Der Leiter des Teams, Prof. Volker Springel vom MPA, führt an, dass „MillenniumTNG die jüngsten Fortschritte bei der Simulation der Galaxienentstehung mit dem Bereich der großräumigen kosmischen Struktur verbindet und eine verbesserte theoretische Modellierung ermöglicht, wie sich Galaxien mit dem Rückgrat der Dunklen Materie des Universums verbinden. Dies könnte sich als entscheidend für Fortschritte bei wichtigen Fragen in der Kosmologie erweisen, etwa wie die Masse von Neutrinos am besten mit Daten zur großräumigen Struktur eingeschränkt werden kann.“ Die MillenniumTNG-Simulationen lieferten mehr als 3 Petabyte an Simulationsdaten und bilden damit einen reichen Fundus für die weitere Forschung, die das Wissenschaftlerteam noch viele Jahre lang beschäftigen wird.

Wissenschaftliche Originalpublikationen:

• The MillenniumTNG Project: High-precision predictions for matter clustering and halo statistics
  C. Hernández-Aguayo, V. Springel, R. Pakmor, M. Barrera, F. Ferlito, S. D. M. White, L. Hernquist, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10059)
• The MillenniumTNG Project: The hydrodynamical full physics simulation and a first look at its galaxy clusters
  R. Pakmor, V. Springel, J. P. Coles, T. Guillet, C. Pfrommer, S. Bose, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10060)
• The MillenniumTNG Project: Semi-analytic galaxy formation models on the past lightcone
  M. Barrera, V. Springel, S. White, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, C. Frenk, R. Pakmor, F. Ferlito, B. Hadzhiyska, A. M. Delgado, R. Kannan, S. Bose
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10419)
• The MillenniumTNG Project: The galaxy population at z ≥ 8
  R. Kannan, V. Springel, L. Hernquist, R. Pakmor, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, S. Bose, S. D. M. White, C. Frenk, A. Smith, E. Garaldi
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10066)
• The MillenniumTNG Project: Refining the one-halo model of red and blue galaxies at different redshifts
  B. Hadzhiyska, L. Hernquist, D. Eisenstein, A. M. Delgado, S. Bose, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. Contreras, M. Barrera, F. Ferlito, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10068)
• The MillenniumTNG Project: An improved two-halo model for the galaxy-halo connection of red and blue galaxies
  B. Hadzhiyska, D. Eisenstein, L. Hernquist, R. Pakmor, S. Bose, A. M. Delgado, S. Contreras, R. Kannan, S. D. M. White, V. Springel, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, F. Ferlito, M. Barrera
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10072)
• The MillenniumTNG Project: The large-scale clustering of galaxies
  S. Bose, B. Hadzhiyska, M. Barrera, A. M. Delgado, F. Ferlito, C. Frenk, C. Hernández-Aguayo, L. Hernquist, R. Kannan, R. Pakmor, V. Springel, S. D. M. White
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10065)
• The MillenniumTNG Project: Inferring cosmology from galaxy clustering with accelerated N-body scaling and subhalo abundance matching
  S. Contreras, R. E. Angulo, V. Springel, S. D. M. White, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Pakmor, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, M. Barrera, F. Ferlito, A. M. Delgado, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2210.10075)
• The MillenniumTNG Project: Intrinsic alignments of galaxies and halos
  A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, S. Bose, V. Springel, L. Hernquist, M. Barrera, R. Pakmor, F. Ferlito, R. Kannan, C. Hernández-Aguayo, S. D. M. White, C. Frenk
  MNRAS, July 2023 (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12346)
• The MillenniumTNG Project: The impact of baryons and massive neutrinos on high-resolution weak gravitational lensing convergence maps
  F. Ferlito, V. Springel, C. T. Davies, C. Hernández-Aguayo, R. Pakmor, M. Barrera, S. D. M. White, A. M. Delgado, B. Hadzhiyska, L. Hernquist, R. Kannan, S. Bose, C. Frenk
  MNRAS, submitted (preprint: https://arxiv.org/abs/2304.12338)

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• Die großräumige Struktur des Universums

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Quelle: Julia Weiler Ruhr-Universität Bochum (RUB), mit besonderer Genehmigung, 30. Mai 2023.

„Es ist die größte Mission, an der ich je beteiligt war“, stellt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt fest, als er über den Start des Weltraumteleskops Euclid spricht. Rund 1.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Europa, Nordamerika und Japan sind Teil des Forschungskonsortiums, das die Mission vorbereitet hat. Mit Spannung fiebert Hildebrandt nun dem Start entgegen. Im Juli 2023 wird es so weit sein.

Euclid will nichts weniger, als eine der größten physikalischen Fragen unserer Zeit beantworten. Nämlich warum sich die Expansion des Universums beschleunigt. „Das Phänomen ist seit über 20 Jahren bekannt“, sagt Hildebrandt, Leiter des Lehrstuhls Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum. „Aber warum tut unser Universum das? Steckt zum Beispiel ein bestimmtes Teilchen dahinter? Es gibt viele Theorien, die alle unter dem Sammelbegriff der Dunklen Energie zusammengefasst werden.“ Die Natur dieser mysteriösen kosmologischen Größe will das Euclid-Team ergründen.

Euclid erfasst die Geschichte der Weltallexpansion
Voraussichtlich sechs Jahre wird das Teleskop Daten sammeln. Eine Rakete des Unternehmens SpaceX befördert es an einen Ort, der rund viermal weiter entfernt als der Mond auf der sonnenabgewandten Seite der Erde liegt. Von hier aus wird Euclid ein Drittel des Himmels beobachten. Anders als das Hubble-Weltraumteleskop, das nur einen winzigen Ausschnitt des Himmels sieht, hat Euclid quasi ein Weitwinkelobjektiv. Bilder von rund zehn Milliarden Galaxien soll es aufnehmen. Dabei schaut es in bis zu zehn Milliarden Lichtjahre Entfernung und somit auch in die Vergangenheit des Universums. Da das Licht eine gewisse Zeit braucht, um die Erde zu erreichen, sehen die Kosmologinnen und Kosmologen, je weiter sie schauen, immer frühere Zustände des Universums.

Anhand der Euclid-Daten kann das Team herausfinden, wie die Materie im Weltall im Lauf der Zeit verteilt war und wie sich Strukturen daraus gebildet haben. „Nach dem Urknall war die Materie relativ gleichmäßig verteilt“, sagt Hendrik Hildebrandt. „Durch Dichtefluktuationen gab es aber Bereiche, die ein wenig dichter waren als andere – und die Gravitation hat dafür gesorgt, dass sie im Lauf der Zeit immer dichter wurden.“ So entstanden Strukturen wie die Galaxien oder Galaxienhaufen.

Um die Materieverteilung zu bestimmen, nutzen die Forschenden den Gravitationslinseneffekt. Dazu müssen sie auch die Entfernung aller Galaxien zur Erde messen, was mithilfe der Rotverschiebung erfolgt: Das Licht von weiter entfernt liegenden Galaxien ist zu röteren Wellenlängen verschoben.

Experte für die Datenkalibrierung
Hier kommt die Expertise von Hendrik Hildebrandts Team ins Spiel. Denn die Rotverschiebung ist gar nicht so leicht zu detektieren. Üblicherweise dienen spektroskopische Messungen als Grundlage. In einem Spektrum wird exakt aufgetragen, wie viel Licht eine Galaxie bei verschiedenen Wellenlängen aussendet, sodass präzise bestimmt werden kann, wie stark das Licht in den roten Bereich verschoben ist. Spektroskopische Messungen sind allerdings aufwendig und unmöglich für Milliarden von Galaxien zu machen. Euclid nutzt daher ein vereinfachtes Verfahren: Es nimmt Bilder der Galaxien in verschiedenen Farbbändern auf, zum Beispiel eines im blauen, eines im grünen und eines im roten Bereich. Dann ermitteln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Helligkeit der Galaxie in den verschiedenen Bildern. So lässt sich die ungefähre Rotverschiebung messen.

Damit das Verfahren möglichst exakt funktioniert, muss es kalibriert werden. Genau hierfür ist Hendrik Hildebrandt weltweit als Experte gefragt. Seit 2011 ist er in die Vorbereitungen zur Euclid-Mission involviert. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen in Genf, Marseille, Barcelona, Bologna, München und Pasadena nutzt er Daten von anderen Beobachtungsprogrammen, die in kleinen Himmelsbereichen spektroskopische Messungen durchgeführt haben. „In diesen Bereichen gibt es also Galaxien, über die wir sehr viel wissen“, erklärt der Kosmologe. Dieses Wissen können die Forschenden mit den neuen Aufnahmen von Euclid zusammenbringen und so eine Kalibrierung vornehmen, die es erlaubt, die Rotverschiebung auch von neu aufgenommenen Galaxien zuverlässig zu bestimmen. Denn nur wenn die Entfernungen der Galaxien bekannt sind, kann das Euclid-Team die Expansionsgeschichte und das Wachstum der Strukturen des Universums rekonstruieren – und so ergründen, was es mit der Dunklen Energie auf sich hat.

Relativitätstheorie im Test und Neutrinos auf der Waage
Nebenbei widmet sich Euclid noch anderen Fragen, testet zum Beispiel Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie in Bereichen, in denen sie noch nie zuvor auf den Prüfstand gestellt worden ist. Oder versucht, die bislang unbekannte Masse von Neutrinos – einer Sorte von Elementarteilchen – zu ermitteln. Aber das ist noch nicht alles.

„Euclid wird an so viele Stellen des Universums gucken, wo wir noch nie zuvor hingeschaut haben“, schwärmt Hendrik Hildebrandt. „Wenn wir in 20 bis 30 Jahren auf die Mission zurückschauen, wird sie uns eventuell gar nicht für die Erkenntnisse in Erinnerung geblieben sein, für die sie ursprünglich gestartet wurde – sondern für Dinge, die wir jetzt gar nicht erwarten. Das ist vielleicht das Tollste an dieser Mission: Ich bin mir fast sicher, dass wir etwas Neues finden werden. Etwas, womit wir jetzt noch gar nicht rechnen.“

Kooperationspartner
Für die Kalibrierung der Rotverschiebung arbeitet Hendrik Hildebrandt mit Partnerinnen und Partnern der Ludwig-Maximilians-Universität München, des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, der Universität Genf, dem Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, der Universitat Autònoma de Barcelona, dem Osservatorio di Astrofisica di Bologna sowie dem California Institute of Technology in Pasadena, USA, zusammen.

Mission Euclid
Euclid ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA, kurz für European Space Agency. Auch die US-Organisation NASA ist involviert. Im Juli 2023 wird die Mission ein Weltraumteleskop ins All befördern, das eine vergleichbare Auflösung wie das Hubble-Teleskop haben wird, aber einen viel größeren Ausschnitt des Himmels betrachten kann. Euclid schaut quasi überall hin, wo der Blick nicht durch die Milchstraße oder die Ekliptik – die Ebene, in der Sonne und Planeten aus Sicht der Erde liegen – versperrt ist. Es wird aber noch etwas Zeit vergehen, bis es an seinem Bestimmungsort angekommen ist, Daten gesendet hat und diese prozessiert und analysiert sind. Die Forschenden rechnen mit den ersten kosmologischen Auswertungen frühestens in der ersten Jahreshälfte 2025.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: JGU 26. April 2023.

Woraus besteht die unsichtbare Dunkle Materie, die mehr als 80 Prozent der Masse des Kosmos ausmacht? Was ist die Rolle der rätselhaften Neutrinos im frühen Universum? Warum haben sich nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht vollständig gegenseitig vernichtet?

Um den Rätseln des Universums auf die Spur zu kommen, bauen Physikerinnen und Physiker unvorstellbar große und zugleich unglaublich präzise Experimente an den exotischsten Orten der Welt. Prof. Dr. Sebastian Böser und Daniel Wenz von PRISMA+ nehmen die Schülerinnen und Schüler mit auf eine faszinierende Reise zu diesen Experimenten: Im Gletschereis der Antarktis hat das IceCube Experiment kosmische Neutrinos im Blick. Im Gran Sasso Gebirge, 1.400 Meter tief unter der Erde, ist das XENON Experiment auf der Suche nach Dunkler Materie. Dr. Jan Leitner vom Max-Planck-Institut für Chemie holt die Astrophysik ins Labor.

Die Rätsel des Universums stehen auch im Fokus der begleitenden Mitmach-Ausstellung »PRÄZISION – Unvorstellbare Genauigkeit und die Suche nach neuer Physik«. Sie vermittelt die spannende Forschung bei PRISMA+ spielerisch, interaktiv und unterhaltsam.

Unser Universum

• Geheimnisvolle Dunkle Materie: Die dunkle Seite des Universums
  9-11 Uhr: Für die Mittelstufe
  Vortrag von Daniel Wenz
• Unfassbare Neutrinos: Die Vermessung der Geisterteilchen vom Labor bis zum Südpol
  11.15-13.15 Uhr: Für die Oberstufe
  Vortrag von Prof. Dr. Sebastian Böser
• Astrophysik im Labor: Ein Blick in die Milchstraße durch kosmischen Staub
  14-16 Uhr: Offen für Alle
  Vortrag von Dr. Jan Leitner

Termin
Mittwoch 21. Juni 2023

Anmeldung
Um Anmeldung wird gebeten bis zum 21. Mai 2023:
veranstaltungen(at)adwmainz.de

Treffpunkt
PLENARSAAL DER AKADEMIE
Geschwister-Scholl-Straße 2
55131 Mainz

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Flyer „Schule trifft Akademie“

Kosten
Die Veranstaltung ist ein kostenloses Angebot der Johannes Gutenberg-Universität, und der Akademie der Wissenschaft und der Literatur.

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Der Beitrag Physik & Schule: Den Rätseln des Universums auf der Spur erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 20. März 2023.

20. März 2023 – Die Physikerinnen und Physiker erhoffen sich, durch ihre neue Entdeckung die Natur dieser fast masselose Elementarteilchen besser verstehen zu können. Die Ergebnisse wurden am vergangenen Wochenende bei der 57. Moriond-Konferenz in Italien vorgestellt und werden demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur wissenschaftlichen Begutachtung eingereicht.

Neutrinos wurden 1956 erstmalig entdeckt und spielen unter anderem eine Schlüsselrolle bei dem Prozess, der Sterne brennen lässt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich durch die Erforschung der Neutrinos neue Erkenntnisse über energiereiche Objekte im Universum.

„Neutrinos sind Teilchen, von denen wir wissen, dass sie existieren“, sagt Prof. Dr. Florian Bernlochner vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Sie waren sehr wichtig für die Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Aber bisher wurde kein Neutrino, das an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, jemals durch ein Experiment direkt nachgewiesen.“

In der aktuellen Studie entdeckten Bernlochner und seine Kollegen jetzt die Neutrinos aus einer ganz neuen Quelle – aus Teilchenbeschleunigern, in denen zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenstoßen, um die Neutrinos zu erzeugen. Es ist das jüngste Ergebnis des Forward Search Experiments, kurz FASER genannt. Dabei handelt es sich um einen Teilchendetektor, der am Kernforschungszentrum CERN in Genf (Schweiz) installiert ist. FASER spürt dort Teilchen auf, die vom Large Hadron Collider (LHC) des CERN erzeugt werden. Im Vergleich zu typischen Teilchendetektoren zeichnet sich FASER dadurch aus, dass der Aufbau relativ klein ist – er passt in einen kleinen Seitentunnel am CERN.

Beschleuniger wie der LHC produzieren reichlich Neutrinos und Antineutrinos aller Arten – auch bei sehr hohen Energien, wo Neutrino-Wechselwirkungen noch nicht beobachtet werden konnten. Ein Grund, warum Beschleuniger-Neutrinos bisher unentdeckt blieben, ist ihre extrem schwache Wechselwirkung. Außerdem werden die Neutrinos mit der höchsten Energie, bei denen die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit am größten ist, vorwiegend parallel zur Strahlachse produziert. Dort haben die Beschleuniger-Detektoren typischerweise Löcher, um die kollidierenden Teilchenstrahlen passieren zu lassen.

Mehr als 150 beobachtete Neutrino-Ereignisse
Für die aktuelle Studie wurden 153 Neutrino-Ereignisse in LHC-Kollisionsdaten nachgewiesen, die zwischen Juli und November 2022 aufgezeichnet wurden. Die nachgewiesenen Neutrinos wechselwirken mit einem sogenannten Emulsionsdetektor mit Wolframplatten und verwandeln sich dabei in Myonen, also andere Elementarteilchen. Diese können wiederum mit dem FASER-Detektor und dessen Spektrometer nachgewiesen werden.

Die meisten bisher von Physikerinnen und Physikern untersuchten Neutrinos sind niederenergetisch. „Die von FASER entdeckten Neutrinos sind jedoch die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, und ähneln den Neutrinos, die man findet, wenn Teilchen aus dem Weltraum in unserer Atmosphäre sogenannte Teilchenschauer auslösen“, sagt FASER-Gruppenleiter Florian Bernlochner. Diese sehr hochenergetischen Neutrinos im LHC seien wichtig, um rätselhafte Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen. „Sie können uns etwas über den Weltraum verraten, was wir auf andere Weise nicht erfahren können“, sagt Tobias Böckh vom Physikalischen Institut der Universität Bonn, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Studie beteiligt war. Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Entfernungen zurücklegen und mit der Erde kollidieren.

In Folgestudien wollen die Forschenden nun weitere Eigenschaften der Neutrinos untersuchen. Sie sollen neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der geisterhaften Teilchen bei hohen Energien liefern.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren weltweit 21 Universitäten und das CERN in Genf beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Heising-Simons-Foundation, die National Science Foundation, den Europäischen Forschungsrat und die Schweizerische Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.

Originalpublikation:
H. Abreu et al.: First Observation of Collider Neutrino Events with the FASER Detector at the LHC FASER Collaboration. Preprint in Kürze verfügbar.

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• Neutrinos

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Quelle: Technische Universität München 4. November 2022.

4. November 2022 – Das Universum ist voller Geheimnisse. Eines davon sind aktive Galaxien, in deren Zentrum sich gigantische Schwarze Löcher befinden. „Wir wissen bis heute nicht genau, welche Prozesse sich dort abspielen“, erklärt Elisa Resconi, Professorin für Experimental Physics with Cosmic Particles an der TUM. Ihr Team ist der Auflösung dieses Rätsels jetzt einen großen Schritt nähergekommen: In der Spiralgalaxie NGC 1068 haben die Astrophysiker*innen eine Quelle hochenergetischer Neutrinos aufgespürt.

Mit Teleskopen, die Licht, Gamma- oder Röntgenstrahlen aus dem All auffangen, ist es sehr schwierig, die aktiven Zentren von Galaxien zu erforschen, weil Wolken aus kosmischem Staub und heißem Plasma die Strahlung absorbieren. Dem Inferno am Rande Schwarzer Löcher entkommen nur Neutrinos, die so gut wie keine Masse und auch keine elektrische Ladung haben. Sie durchdringen den Raum, ohne durch elektromagnetische Felder abgelenkt oder absorbiert zu werden. Deshalb sind sie auch so schwer zu detektieren.

Die größte Hürde bei der Neutrino-Astronomie war bisher die Trennung des sehr schwachen Signals von dem starken Hintergrundrauschen durch Teilcheneinschläge aus der Erdatmosphäre. Erst die langjährigen Messungen des IceCube Neutrino Observatory und neue statistische Methoden ermöglichten Resconi und ihrem Team genügend Neutrino-Ereignisse für ihre Entdeckung.

Detektivarbeit im ewigen Eis
Das IceCube-Teleskop, das sich im Eis der Antarktis befindet, detektiert seit 2011 Leuchtspuren einfallender Neutrinos. „Aus ihrer Energie und ihrem Einfallswinkel können wir rekonstruieren, woher sie kommen“, erklärt TUM-Wissenschaftler Dr. Theo Glauch. „Die statistische Auswertung zeigt eine hochsignifikante Häufung von Neutrino-Einschlägen aus der Richtung, in der sich die aktive Galaxie NGC 1068 befindet. Damit können wir mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass die hochenergetische Neutrino-Strahlung aus dieser Galaxie kommt.“

Die Spiralgalaxie, 47 Millionen Lichtjahre entfernt, wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt. NGC 1068 – auch bekannt unter dem Namen Messier 77 – ist in Form und Größe unserer Galaxie ähnlich, hat aber ein leuchtend helles Zentrum, das heller strahlt als die gesamte Milchstraße, obwohl es nur in etwa so groß ist wie unser Sonnensystem. In diesem Zentrum befindet sich ein „aktiver Kern“: ein gigantisches Schwarzes Loch von etwa 100 Millionen Sonnenmassen, das große Mengen von Materie aufsaugt.

Doch wo und wie entstehen dort Neutrinos? „Wir haben ein klares Szenario“, antwortet Resconi. „Wir denken, dass die hochenergetischen Neutrinos das Ergebnis einer extremen Beschleunigung sind, die Materie in der Umgebung des Schwarzen Lochs erfährt und dadurch auf sehr hohe Energien beschleunigt wird. Aus Experimenten in Teilchenbeschleunigern wissen wir, dass hochenergetische Protonen Neutrinos erzeugen, wenn sie mit anderen Teilchen zusammenstoßen. Mit anderen Worten: Wir haben einen kosmischen Beschleuniger gefunden.“

Neutrino-Observatorien für eine neue Astronomie
NGC 1068 ist die statistisch signifikanteste Quelle hochenergetischer Neutrinos, die bisher entdeckt wurde. Um auch schwächere und weiter entfernte Neutrino-Quellen lokalisieren und erforschen zu können, seien mehr Daten erforderlich, betont Resconi. Die Forscherin hat unlängst eine internationale Initiative für den Bau eines mehrere Kubikkilometer großen Neutrino-Teleskops im nordöstlichen Pazifik gestartet, das Pacific Ocean Neutrino Experiment, P-ONE. Es soll zusammen mit dem geplanten IceCube-Observatorium der zweiten Generation – IceCube-Gen2 – die Daten für eine künftige Neutrino-Astronomie liefern.

Originalpublikation:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068” The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395.

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• Antarktis-Neutrinoteleskop „IceCube“

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