Der Anfang vom Anfang war gemacht: Zu Beginn des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler herausgefunden, dass unser Universum nicht ewig und unveränderlich in all seiner Pracht existiert, sondern dass es in ferner Vergangenheit zunächst entstanden ist. Dieses Ereignis bezeichnen wir heute als Urknall – aber was ist dann passiert?

In dieser Folge erzählt Franzi die Geschichte eines Physikers namens Ralph Alpher, der herausgefunden hat, wie das Weltall und alles in ihm entstanden ist: wie die Materie in unser Universum kam, allen voran die beiden häufigsten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium. Diese Urknall-Nukleosynthese ist bis heute eine der stärksten Hinweise darauf, dass das Universum in einem unvorstellbar heißen und dichten Zustand angefangen hat – und sie verrät uns außerdem, wie lange dieser Anfang vom Allem gedauert hat.

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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• Urknall

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Quelle: Technische Universität Wien 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Kann sich ein Teilchen an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig aufhalten? In der Quantenphysik ist das kein Problem: Sie erlaubt, dass sich Objekte in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden – oder präziser gesagt: In einem Überlagerungszustand, der sich aus unterschiedlichen beobachtbaren Zuständen zusammensetzt. Aber ist das wirklich der Fall? Vielleicht befindet sich das Teilchen in Wirklichkeit sehr wohl in einem ganz bestimmten Zustand, an einem ganz bestimmten Ort, nur kennen wir ihn nicht?

Seit Jahrzehnten wird über die Frage diskutiert, ob man das Verhalten von Quantenobjekten nicht vielleicht doch durch eine für uns anschaulichere Theorie beschreiben kann. 1985 wurde eine Möglichkeit vorgeschlagen, das zu messen – die sogenannte „Leggett-Garg-Ungleichung“. Jede Theorie, die ohne die merkwürdigen Überlagerungs-Zustände der Quantentheorie auskommt, muss dieser Ungleichung gehorchen. Die Quantentheorie hingegen verstößt gegen sie. An der TU Wien wurden dazu nun erstmals Messungen mit Neutronen durchgeführt – mit einem eindeutigen Ergebnis: Die Leggett-Garg-Ungleichung wird verletzt, klassische Erklärungen dafür sind nicht möglich, die Quantentheorie gewinnt. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Physikalischer Realismus
Wir gehen normalerweise davon aus, dass jedes Objekt bestimmte Eigenschaften hat: Ein Ball befindet sich an einem bestimmten Ort, er hat eine bestimmte Geschwindigkeit, vielleicht auch eine bestimmte Drehung. Ob wir den Ball beobachten oder nicht, ist egal. Er hat diese Eigenschaften ganz objektiv und unabhängig von uns. „Diese Sichtweise wird als ‚Realismus‘ bezeichnet“, sagt Stephan Sponar vom Atominstitut der TU Wien.

Insbesondere große, makroskopische Objekte müssen dieser Regel gehorchen, das wissen wir aus unserer Alltagserfahrung. Außerdem wissen wir: Makroskopische Objekte kann man beobachten, ohne sie nennenswert zu beeinflussen. Die Messung ändert den Zustand nicht. Diese Annahmen bezeichnet man zusammen als „makroskopischen Realismus“.

Die Quantentheorie, wie man sie heute kennt, ist aber eine Theorie, die diesen makroskopischen Realismus verletzt. Wenn für ein Quantenteilchen unterschiedliche Zustände erlaubt sind, zum Beispiel unterschiedliche Positionen, Geschwindigkeiten oder Energiewerte, dann ist auch eine beliebige Kombination dieser Zustände erlaubt. Zumindest, solange man diesen Zustand nicht misst. Bei einer Messung geht dieser Überlagerungszustand nämlich kaputt: Die Messung zwingt das Teilchen, sich für einen ganz bestimmten Wert zu entscheiden.

Die Leggett-Garg-Ungleichung
Trotzdem muss die Quantenwelt mit der makroskopischen Welt logisch zusammenhängen – schließlich bestehen große Dinge ja aus kleinen Quantenteilchen. Prinzipiell sollten die Regeln der Quantentheorie für alles gelten.

Die Frage ist nun also: Kann man bei „großen“ Objekten ein Verhalten finden, das sich mit unserem intuitiven Bild des makroskopischen Realismus nicht vereinbaren lässt? Können auch makroskopische Dinge klare Anzeichen von Quanteneigenschaften aufweisen?

1985 veröffentlichten die Physiker Anthony James Leggett und Anupam Garg eine Formel, mit der sich der makroskopische Realismus testen lässt: Die Leggett-Garg-Ungleichung. „Der Gedanke dahinter ist ähnlich wie bei der berühmteren Bell’schen Ungleichung, für deren Überprüfung 2022 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde“, sagt Elisabeth Kreuzgruber, Erstautorin des Papers. „Allerdings geht es bei der Bell’schen Ungleichung um die Frage, wie stark das Verhalten eines Teilchens mit einem anderen, quantenverschränkten Teilchen zusammenhängt. Bei der Leggett-Garg-Ungleichung geht es nur um ein einziges Objekt, und um die Frage, wie sein Zustand zu bestimmten Zeitpunkten mit seinem Zustand zu anderen Zeitpunkten zusammenhängt.“

Stärkere Korrelationen als die klassische Physik erlaubt
Leggett und Garg gingen von einem Objekt aus, das zu drei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden kann, jede Messung kann zwei verschiedene Ergebnisse haben. Auch wenn man überhaupt nichts darüber weiß, ob oder wie sich der Zustand dieses Objekts im Lauf der Zeit ändert, kann man trotzdem statistisch untersuchen, wie stark die Ergebnisse zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zusammenhängen.

Man kann mathematisch zeigen, dass die Stärke dieser Zusammenhänge ein gewisses Maß niemals übersteigen kann – wenn man voraussetzt, dass der makroskopische Realismus korrekt ist. Leggett und Garg konnten eine Ungleichung aufstellen, die von jeder makroskopisch realistischen Theorie immer erfüllt sein muss, ganz egal um welche Theorie es sich im Detail handelt.

Wenn sich das Objekt allerdings an die Regeln der Quantentheorie hält, dann müssen sich deutlich stärkere statistische Zusammenhänge zwischen den Messergebnissen zu den drei verschiedenen Zeitpunkten ergeben. Wenn ein Objekt sich zwischen den Mess-Zeitpunkten tatsächlich in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befindet, muss sich das – nach Leggett und Garg – in stärkeren Korrelationen zwischen den drei Messzeitpunkten zeigen.

Neutronenstrahlen: Zentimetergroße Quantenobjekte
„Allerdings ist es gar nicht so einfach, diese Frage experimentell zu untersuchen“, sagt Richard Wagner. „Wenn wir den makroskopischen Realismus testen wollen, dann brauchen wir ein Objekt, das in gewissem Sinn makroskopisch ist, das also eine Größe hat, die mit der Größe unserer gewohnten Alltagsgegenstände vergleichbar ist.“ Gleichzeitig muss es sich aber um ein Objekt handeln, bei dem man eine Chance hat, Quanten-Eigenschaften zu erkennen.

„Neutronenstrahlen, wie wir sie in einem sogenannten Neutroneninterferometer vorfinden, sind dafür perfekt“, sagt Hartmut Lemmel, Strahlplatzverantwortlicher am Instrument S18 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, wo das Experiment durchgeführt wurde. Im Neutroneninterferometer, einem Silizium-Perfektkristall-Interferometer, das in den frühen 1970er Jahren am Atominstitut der TU Wien erstmals erfolgreich zum Einsatz kam, wird der einfallende Neutronenstrahl an der ersten Kristallplatte in zwei Teilstrahlen aufgespalten und danach von einem weiteren Silizium-Stück wieder zusammengeführt. Es gibt somit zwei verschiedene Wege, auf denen Neutronen von der Quelle zum Detektor gelangen können.

„Die Quantentheorie sagt: Jedes einzelne Neutron nimmt beide Wege gleichzeitig“, sagt Niels Geerits. „Die beiden Teilstrahlen sind aber mehrere Zentimeter voneinander entfernt. In gewissem Sinn hat man es hier also mit einem Quantenobjekt zu tun, das eine für Quanten-Verhältnisse gewaltige Größe hat.“

Durch eine ausgeklügelte Kombination mehrerer Neutronenmessungen konnte das Team der TU Wien die Leggett-Garg-Ungleichung testen – und das Ergebnis war eindeutig: Die Ungleichung wird verletzt. Die Neutronen benehmen sich also auf eine Weise, die mit keiner erdenklichen makroskopisch realistischen Theorie erklärt werden kann. Sie befinden sich tatsächlich auf beiden Strahlen gleichzeitig, an unterschiedlichen Stellen, die Zentimeter auseinanderliegen. Die Idee „vielleicht bewegt sich das Neutron doch nur auf einer der beiden Bahnen, wir wissen bloß nicht welche“ ist damit widerlegt.

„Unser Experiment zeigt: Die Natur ist tatsächlich so seltsam, wie die Quantentheorie behauptet“, sagt Stephan Sponar. „Egal welche klassische, makroskopisch realistische Theorie man sich zurechtlegt: Sie wird die Wirklichkeit niemals erklären können. Ohne Quantenphysik geht es nicht.“

Originalpublikation
E. Kreuzgruber et al., Violation of a Leggett-Garg Inequality Using Ideal Negative Measurements in Neutron Interferometry, Phys. Rev. Lett. 132, 260201 (2024).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.260201

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Bern 11. November 2022.

11. November 2022 – Die kosmologischen Beobachtungen der Bahnen von Sternen und Galaxien erlauben eindeutige Rückschlüsse darauf, welche anziehenden Gravitationskräfte zwischen den Himmelskörpern wirken. Die erstaunliche Erkenntnis lautet: Die sichtbare Materie reicht bei weitem nicht aus, um die Entwicklung und Bewegungen der Galaxien zu erklären. Dies legt die Vermutung nahe, dass es dort eine andere, bisher unbekannte Form von Masse gibt. Bereits 1933 schloss deshalb der Schweizer Physiker und Astronom Fritz Zwicky auf die Existenz von sogenannter dunkler Materie. Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation wechselwirkt und dabei etwa fünfmal mehr Masse umfasst als die uns bekannte Materie.

Nun ist es einem internationalen Forschungsteam dank eines am Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern entwickelten Präzisionsexperiments gelungen, den Spielraum für die Existenz von dunkler Materie deutlich einzuschränken. Das AEC mit seinen über 100 Mitgliedern ist eine der international führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Die Ergebnisse des Teams unter Berner Leitung wurden soeben in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters publiziert.

Mysterium dunkle Materie
«Woraus dunkle Materie besteht, ist noch völlig unklar», erläutert Ivo Schulthess, Doktorand am AEC und Erstautor der Studie. Sicher sei aber, dass sie nicht aus denselben Teilchen aufgebaut ist, aus denen die Sterne, unsere Erde oder wir selbst bestehen. Weltweit wird mit immer sensitiveren Experimenten und Methoden nach möglichen dunklen Materieteilchen gesucht – bis heute jedoch ohne Erfolg.

Eine vielversprechende Kategorie von Kandidaten für dunkle Materieteilchen bilden bestimmte hypothetische Elementarteilchen, die sogenannten Axionen. Ein wichtiger Vorteil dieser extrem leichten Teilchen ist, dass sie gleichzeitig weitere wichtige, bisher unverstandene Phänomene der Teilchenphysik erklären könnten.

Berner Experiment bringt Licht ins Dunkel
«Unserem Team ist es gelungen, dank langjähriger Expertise eine extrem empfindliche Messapparatur zu konzipieren und zu bauen – das Beam EDM Experiment», erklärt Florian Piegsa, Professor für Niederenergie- und Präzisionsphysik am AEC, der 2016 für seine Forschung an Neutronen einen der renommierten ERC Starting Grants des Europäischen Forschungsrats erhielt. Falls die schwer fassbaren Axionen tatsächlich existieren, so sollten sie eine charakteristische Signatur in der Berner Messapparatur hinterlassen.

«Mit unserem Experiment lässt sich die Drehfrequenz von Neutronen-Spins bestimmen, welche sich durch eine Überlagerung von elektrischen und magnetischen Feldern bewegen», erklärt Schulthess. Der Spin jedes einzelnen Neutrons fungiert dabei als eine Art Kompassnadel, welche sich aufgrund des Magnetfeldes wie der Sekundenzeiger einer Armbanduhr dreht – allerdings fast 400.000-mal schneller. «Diese Drehfrequenz haben wir permanent genau gemessen und nach kleinsten periodischen Fluktuationen untersucht, welche durch die Wechselwirkung mit den Axionen hervorgerufen werden würden», erklärt Piegsa. Die Ergebnisse des Experiments waren eindeutig: «Die Drehfrequenz der Neutronen blieb unverändert, was bedeutet, dass es in unserer Messung keinen Hinweis auf Axionen gibt», so Piegsa.

Parameterbereich erfolgreich eingegrenzt
Durch diese Messungen, welche zusammen mit Forschenden aus Frankreich an der Europäischen Forschungsneutronenquelle des Instituts Laue-Langevin durchgeführt wurden, konnte ein bisher komplett unerforschter Parameterbereich der Axionen experimentell ausgeschlossen werden. Dabei konnte nach hypothetischen Axionen gesucht werden, welche mehr als 1000-mal schwerer wären, als dies bislang mit anderen Experimenten möglich war (siehe dazu auch die Medienmitteilung vom November 2017).

«Obwohl die Existenz dieser Teilchen auch weiterhin mysteriös bleibt, konnten wir erfolgreich einen wichtigen Parameterraum der dunklen Materie eingrenzen», bilanziert Schulthess. Zukünftige Experimente können nun auf dieser Arbeit aufbauen. «Die endgültige Beantwortung der Frage nach der dunklen Materie würde uns einen bedeutsamen Einblick in die Grundlagen der Natur ermöglichen und uns einen großen Schritt näher an ein vollständiges Verständnis des Universums bringen», so Piegsa.

Das Experiment wurde durch den European Research Council und den Schweizerischen Nationalfonds gefördert.

Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC)
Das Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) wurde 2011 gegründet. Sein Ziel ist es, Forschung und Lehre in der Grundlagenphysik an der Universität Bern auf höchster Ebene zu fördern. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen und theoretischen Teilchenphysik und ihren Anwendungen (z.B. Medizinphysik), sowie auf den damit verbundenen Spin-off- und Outreach-Aktivitäten.

Das AEC wurde unter Mitwirkung des Instituts für Theoretische Physik (ITP) und des Labors für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern gegründet. Mit seinen über 100 Mitgliedern ist das AEC eine der größten universitären Gruppen von Forschenden, die in der Schweiz auf dem Gebiet der Teilchenphysik arbeiten, und ein starker Akteur auf internationaler Ebene.

Publikation:
Schulthess I. et al., New limit on axion-like dark matter using cold neutrons, Physical Review Letters, 4. November 2022
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.191801
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.191801

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• physikalische Grundlagenforschung
• Dunkle Materie

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Quelle: Technische Universität München (TUM).

9. Dezember 2021 – Während sich die Kernphysik darüber einig ist, dass es im Universum keine Systeme gibt, die nur aus Protonen bestehen, suchen Physikerinnen und Physiker seit über 50 Jahren nach Teilchen, die aus zwei, drei oder vier Neutronen zusammengesetzt sind.

Würde ein solches Teilchen existieren, müssten Teile der Theorie der starken Wechselwirkung neu überdacht werden. Darüber hinaus könnte das eingehendere Studium dieser Teilchen helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen.

„Die starke Wechselwirkung ist im wahrsten Sinne des Wortes die Kraft, die die Welt im Innersten zusammenhält. Schwerere Atome als Wasserstoff, wären ohne sie undenkbar“, sagt Dr. Thomas Faestermann, unter dessen Leitung die Versuche stattfanden.

Alles deutet nun darauf hin, dass in einem der letzten Experimente am inzwischen stillgelegten Tandem-Van-de-Graaff-Beschleuniger auf dem Forschungscampus Garching genau solche Teilchen entstanden sind.

Die lange Suche nach dem Tetra-Neutron
Schon vor 20 Jahren publizierte eine französische Arbeitsgruppe Messwerte, die sie als die Signatur der gesuchten Tetra-Neutronen interpretierten. Spätere Arbeiten einer anderen Gruppe zeigten jedoch, dass die angewandte Methodik die Existenz eines Tetra-Neutrons nicht beweisen kann.

2016 versuchte eine Gruppe in Japan Tetra-Neutronen aus Helium-4 zu erzeugen, indem sie es mit einem Strahl aus radioaktiven Helium-8-Teilchen beschossen. Bei dieser Reaktion sollte Beryllium-8 entstehen. Tatsächlich konnten sie vier solcher Atome nachweisen. Aus ihren Messergebnissen folgerten sie, dass das Tetra-Neutron ungebunden sei und schnell wieder in vier Neutronen zerfalle.

Faestermann und sein Team beschossen bei ihren Versuchen ein Lithium-7-Target mit auf etwa zwölf Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigten Lithium-7-Teilchen. Hierbei sollte neben dem Tetra-Neutron Kohlenstoff-10 entstehen. Und in der Tat gelang es den Physikern, diese Spezies nachzuweisen. Eine Wiederholung bestätigte das Ergebnis.

Der Indizienbeweis
Die Messergebnisse des Teams entsprachen der Signatur, die ein Kohlenstoff-10 im ersten angeregten Zustand und ein Tetra-Neutron mit einer Bindungsenergie von 0,42 Megaelektronenvolt (MeV) zeigen würden. Den Messungen zufolge wäre das Tetra-Neutron ungefähr so stabil wie das Neutron selbst. Danach würde es mit einer Halbwertszeit von 450 Sekunden durch Beta-Zerfall zerfallen. „Dies ist für uns die einzige physikalisch in allen Punkten plausible Erklärung der gemessenen Werte“, erläutert Dr. Thomas Faestermann.

Mit seinen Messungen erreicht das Team eine Sicherheit von deutlich über 99,7 Prozent oder 3 sigma. Doch damit ein Teilchen in der Physik als sicher existent gelten darf, wird eine Sicherheit von 5 sigma verlangt. Gespannt warten die Forscher daher nun auf eine unabhängige Bestätigung.

Publikation:
Indications for a bound tetraneutron
Thomas Faestermann, Andreas Bergmaier, Roman Gernhäuser, Dominik Koll, Mahmoud Mahgoub
Physics Letters B 824 (2022) 136799 – DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136799

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• Teilchenumwandlung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Mittels seines „Dynamic Albedo of Neutrons“-Instruments (kurz „DAN“) soll der Marsrover Curiosity die Menge und die Verteilung von im Marsboden befindlichen Wassereisablagerungen und wasserstoffhaltigen Mineralen ermitteln. Hierfür wird die Oberfläche des Planeten zuerst mit Neutronen „beschossen“ und anschließend das energetische Profil der von der Oberfläche zurückgestreuten Teilchen vermessen. Das knapp fünf Kilogramm schwere Instrument setzt sich im wesentlichen aus zwei Komponenten zusammen: An der rechten Seite der „Warm Electronics Box“ (kurz „WEB“) – der zentralen Struktur des Rovers – befindet sich in deren Heckbereich das so genannte „Pulsing Neutron Generator“-Modul (kurz „DAN-PNG“), welches im Rahmen einer erfolgenden Messung Neutronen abstrahlt. Das DAN-PGN verfügt über eine Abmessung von 125 x 45 x 338 Millimetern, wiegt 2,58 Kilogramm und benötigt im Betriebsmodus eine elektrische Leistung von bis zu 13 Watt.

Auf der gegenüberliegenden Seite der WEB – der „Backbordseite“ des Rovers – befindet sich das „Detectors and Electronics“-Modul (kurz „DAN-DE“), welches die Steuerelektronik und die Sensoren des DAN-Instrumentes beinhaltet. Das DAN-DE verfügt über eine Abmessung von 204 x 61 x 212 Millimetern, wiegt 2,10 Kilogramm und benötigt eine elektrische Leistung von bis zu 4,5 Watt.

Beide Module sind in einer Höhe von etwa 80 Zenitmetern über der Planetenoberfläche platziert. Zur Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebstemperatur – diese liegt im Bereich zwischen minus 40 Grad Celsius bis hin zu maximal plus 50 Grad Celsius – sind die beiden Module einschließlich der dazugehörigen elektrischen Schnittstellen und der Datenschnittstellen mit einer speziellen Isolierung umgeben.

Die Neutronenquelle des DAN-PNG ist eine Vakuumröhre, welche als eine Art kompakter Ionenbeschleuniger fungiert. Durch die Anlegung einer Beschleunigungsspannung werden Deuteriumionen auf einen mit Tritium gefüllten Glaszylinder gelenkt, wodurch Neutronen freigesetzt werden. Im Rahmen einer Messung sendet das DAN-PNG pro Sekunde 10 Pulse mit einer Dauer von jeweils einer Mikrosekunde aus. Bei jedem der Pulse werden 10 Millionen Neutronen mit einer Energie von jeweils 14 Mega-Elektronenvolt in Richtung Marsoberfläche abgestrahlt. Diese Neutronen kollidieren in der obersten Schicht des Bodens mit hoher Geschwindigkeit mit den dort befindlichen Atomkernen der verschiedenen chemischen Elemente und werden dabei auf eine charakteristische Art und Weise abgebremst und anschließend reflektiert. Dieser Vorgang ist in etwa vergleichbar mit der Kollision zweier Billardkugeln. Bei der Kollision mit den Protonen in Wasserstoffatom-Kernen werden die Neutronen sehr stark verlangsamt und deshalb als „thermische Neutronen“ bezeichnet. Bei Kollisionen mit anderen Atomkernen erfolgt dagegen eine geringere Verlangsamung (epithermische Neutronen).

Die von der Marsoberfläche zurückgeworfenen Neutronen werden anschließend von zwei Sensoren vermessen, welche im DAN-DE-Modul untergebracht sind. Beide Sensoren – bezeichnet als „Counter of Thermal Neutrons“ („CTN“) und „Counter of Epithermal Neutrons“ („CETN“) – weisen eine Messgrenze von einem Elektonenvolt auf und registrieren die so genannte Neutronen-Albedo. Je mehr Wasserstoff in den chemischen Verbindungen in der obersten Schicht der Marsoberfläche enthalten ist – egal ob in Form von mehr oder weniger reinem Wassereis oder in Form von wasserhaltigen Mineralen – desto mehr thermische Neutronen registrieren die Sensoren im Vergleich zu der Anzahl der gemessenen epithermischen Neutronen. Durch die gesammelten Daten ergibt sich ein dreidimensionales Bild des Untergrundes, welches auf einer Fläche von fast einem Meter Durchmesser und bis in eine Tiefe zwischen 50 bis maximal 100 Zentimeter die Verteilung von Wasserstoff anzeigt. Durch die Auswertung der Messdaten können die an dem Instrument beteiligte Wissenschaftler somit Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung des untersuchten Untergrundes ziehen.

Für den Betrieb des DAN auf der Marsoberfläche sind mehrere Modi denkbar. Zum einen kann das Instrument während einer erfolgenden Fahrt Messungen durchführen, wobei die Fahrt nach jeweils einen Meter für die Dauer von mehreren Minuten für die DAN-Messungen unterbrochen werden soll. Durch solche Messungen ergibt sich ein durchgehendes Profil des Marsuntergrundes entlang der gefahrenen Strecke. Oder aber das Instrument nutzt einen längeren Halt des Rovers für eine entsprechend längere und somit auch genauere Messung aus. In beiden Fällen wird das DAN nach signifikanten Veränderungen in der Zusammensetzung des Bodens suchen. Sobald diese erkannt sind, kann der betreffende Bereich der Oberfläche gegebenenfalls mit den anderen wissenschaftlichen Instrumenten des Marsrovers Curiosity eingehender untersucht werden.

Das DAN wird in der Lage sein, den Wassergehalt im obersten Bereich des Marsbodens bei einer zweiminütigen Messung mit einer Genauigkeit von etwa einem Prozent zu bestimmen. Bei einer Messung über 30 Minuten liegt die Messgenauigkeit dagegen bereits bei 0,1 bis 0,3 Prozent, wobei die vertikale Konzentration der Wasserstoffatome mit einer Genauigkeit von bis zu 10 Zentimetern bestimmt werden kann.

Da es nach der Meinung der Planetenforscher eher unwahrscheinlich ist, dass sich im Inneren des Gale-Kraters – dem Operationsgebiet des Rovers – signifikante Wassereiskonzentrationen unmittelbar unterhalb der Oberfläche befinden, wird das DAN in erster Linie Wassermoleküle nachweisen, welche in so genannten hydratisierten Mineralen gebunden sind. Bei diesen Mineralen, etwa Schichtsilikaten und Tonmineralen, ist ein gewisser Anteil der darin enthaltenen Sauerstoffatome eine Bindung mit Wasserstoffatomen eingegangen, weshalb die Minerale einen größeren Anteil an Wassermolekülen in ihrer Kristallstruktur aufweisen.

Das DAN-PNG-Modul ist dazu ausgelegt, im Verlauf der auf vorerst knapp 24 Monate ausgelegten Curiosity-Mission – dies entspricht einem Marsjahr – bis zu 10 Millionen Pulse auszusenden.

„DAN gibt uns die Möglichkeit, wasserhaltige Minerale und Wassereisablagerungen unmittelbar unter der Marsoberfläche nachzuweisen“, so John Grotzinger vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, der leitende Projektwissenschaftler der Curiosity-Mission. „Dies liefert uns wichtige Hinweise auf die geologischen Variationen zwischen der direkten Marsoberfläche und dem unmittelbarem Untergrund. Keines der anderen Instrumente des Rovers ist dazu in der Lage. Außerdem liefert DAN mit dem Nachweis von eventuell im Marsuntergrund vorhandenem Wasser wichtige Erkenntnisse bezüglich der Habitabilität der untersuchten Region.“

Das vom DAN-Instrument angewandte Verfahren zur Suche nach wasserstoffhaltigen chemischen Verbindungen wird bereits seit vielen Jahren auch auf der Erde angewandt und kommt zum Beispiel bei der Suche nach bisher nicht entdeckten Erdöllagerstätten zum Einsatz. In der Planetenforschung wurde es in einer modifizierten Form bereits bei mehreren Orbitermissionen eingesetzt, welche den Erdmond und den Mars erkundeten. Das DAN des Marsrovers Curiosity wird jedoch das erste Instrument dieser Art sein, welches direkt auf der Oberfläche eines anderen Planeten zum Einsatz kommt.

Das DAN-Instrument stellt einen Beitrag der Raumfahrtbehörde Roskosmos der Russischen Förderation an der Curiosity-Mission der NASA dar. Entwickelt und gebaut wurde das Instrument unter der Leitung des Instituts für Weltraumforschung (IKI) der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau. Der für den Betrieb und die Datenauswertung hauptverantwortliche Wissenschaftler ist Dr. Igor Mitrofanov vom IKI.

Diskussion zu diesem Artikel

• Marsrover Curiosity
• MSL Rover Curiosity auf Atlas V (541)
• Planet Mars

Verwandte Webseiten

• Litvak et al., 2009: DAN
• Mitrofanov et al.: DAN
• NASA: Instrument DAN
• JPL Photojournal: Instrument DAN
• IKI: DAN

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