Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 5. Juli 2023.

5. Juli 2023 – Wissenschaftler führender Forschungseinrichtungen, darunter das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, haben mit dem Radioteleskop LOFAR 68 Satelliten von SpaceX beobachtet. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass sie elektromagnetische Leckstrahlung entdeckt haben, die von der Bordelektronik erzeugt wird. Sie könnte astronomische Forschung behindern und unterscheidet sich von den normalen Kommunikationssignalen, die bisher im Fokus der Radioastronomen lagen. Die Autoren fordern daher Satellitenbetreiber und Regulierungsbehörden dazu auf, die Auswirkungen auf die Radioastronomie sowohl bei der Entwicklung von Raumfahrzeugen als auch bei Regulierungsverfahren zu berücksichtigen. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Ein neues Phänomen auf niedrigen Umlaufbahnen
Astronomen müssen für ihre Arbeit sehr schwache Signale aus dem Universum empfangen können. Von Menschen verursachte Radiosignale können astrophysikalische Quellen aber um ein Vielfaches überstrahlen. Daher werden die meisten Radioteleskope an Standorten gebaut, die besonders vor terrestrischen Störungen geschützt sind. Einige befinden sich sogar in radioruhigen Zonen, die von einigen Staaten eingerichtet wurden. Der technologische Fortschritt ermöglichte in den letzten Jahren erstmalig, riesige Satellitenkonstellationen ins All zu befördern, die für den Breitband-Internetzugang oder die Erdbeobachtung genutzt werden. Sie stellen eine völlig neue Herausforderung für die Astronomie dar. Da sich nun Tausende von Satelliten auf niedrigen Erdumlaufbahnen befinden, hat jedes Radioteleskop zu jeder Zeit viele Satelliten im Blick, die Signale ausstrahlen. Bisher ging man davon aus, dass es hauptsächlich die Kommunikationssignale der Satelliten wären, die radioastronomische Beobachtungen behindern können. Die nun erstmalig beobachtete Leckstrahlung, wahrscheinlich verursacht vom elektronischen Equipment der Satelliten, hatte man bisher nicht auf dem Schirm und weitere Untersuchungen dazu sind vonnöten.

„Diese Studie ist der jüngste Versuch, die Auswirkungen von Satellitenkonstellationen auf die Radioastronomie besser zu verstehen“, sagte der Hauptautor Federico Di Vruno, „in früheren Workshops zum Schutz des Nachthimmels und der Astronomie vor Auswirkungen von Satelliten wurden Theorien über diese Strahlung aufgestellt; unsere Beobachtungen bestätigen, dass sie messbar ist.“ Di Vruno ist Co-Direktor des Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference der Internationalen Astronomischen Union (IAU CPS) und außerdem Spektrum-Manager für das SKA-Observatorium (SKAO). Die weiteren Autoren der Studie sind alles aktive Mitglieder des CPS.

Bestehende und geplante Satellitenkonstellationen
Das Team um Di Vruno konzentrierte sich zunächst auf die SpaceX-Satelliten, da SpaceX zum Zeitpunkt der Beobachtungen die größte Anzahl von Satelliten – mehr als 2.000 – im Orbit hatte. Die Autoren stellen jedoch klar, dass SpaceX nicht der einzige Betreiber von großen Satellitenkonstellationen ist. Sie gehen davon aus, dass andere Satelliten ähnliche unbeabsichtigte Emissionen ausstrahlen. Es sind bereits weitere Messungen geplant, die sich auf andere Satellitenkonstellationen konzentrieren werden.

„Mit LOFAR konnten wir von 47 der 68 beobachteten Satelliten Strahlung zwischen 110 und 188 MHz nachweisen. Dieser Frequenzbereich umfasst ein geschütztes Band zwischen 150,05 und 153 MHz, das von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) speziell für die Radioastronomie zugewiesen wurde“, sagt Mitautor Cees Bassa von ASTRON, dem niederländischen Institut für Radioastronomie. SpaceX verstößt jedoch nicht gegen Vorschriften oder Regulierungen, da diese Art von Strahlung für Satelliten nicht durch internationale Regelungen abgedeckt ist. Im Gegensatz dazu gelten für terrestrische Geräte Vorschriften, um sicherzustellen, dass ein Gerät nicht ein anderes in der Nähe stört.

Die Autoren führten auch umfangreiche Simulationen dieses Effekts für verschiedene Satellitenkonstellationen durch. „Unsere Simulationen zeigen unter anderem, dass dieser Effekt umso wichtiger wird, je größer die Konstellation ist, da sich die Strahlung aller Satelliten summiert. Das bereitet uns natürlich Sorgen, insbesondere wenn man an die Vielzahl von geplanten Satelliten denkt. Und es fehlt an spezifischen Regeln, die die Radioastronomie vor unbeabsichtigter Strahlung der Satelliten schützen“, sagt Mitautor Benjamin Winkel vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Verstärkte Zusammenarbeit mit Satellitenbetreibern ist entscheidend
Die Autoren stehen in engem Kontakt mit SpaceX. Das Unternehmen möchte mögliche negative Auswirkungen auf die Astronomie auf jeden Fall verhindern. SpaceX hat bereits Änderungen an der kommenden Satellitengeneration vorgenommen und hofft, dass damit eine Verbesserung der Situation erzielt wird.

Mitautor Gyula Józsa (ebenfalls vom MPIfR und von der Rhodes-Universität in Südafrika) betont: „Wir glauben, dass das rechtzeitige Erkennen dieser Situation den Astronomen und den Betreibern großer Satellitenkonstellationen die Chance gibt, gemeinsam an technischen Maßnahmen zu arbeiten. Parallel dazu sind aber dringend Gespräche mit Regulierungsbehörden zu führen, um geeignete Regulierungen zu schaffen.“

„Die vorliegende Studie zeigt, dass neue technologische Entwicklungen unvorhergesehene Nebenwirkungen auf die Astronomie haben können“, schließt Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Präsident der Astronomischen Gesellschaft in Deutschland. Er begrüßt ausdrücklich den kooperativen Ansatz von SpaceX. „SpaceX geht mit gutem Beispiel voran. Nun hoffen wir auf eine breite Unterstützung durch die gesamte Satellitenindustrie und die Regulierungsbehörden.“

Über das CPS
Das Centre for the Protection of the Dark and Quiet Sky from Satellite Constellation Interference (CPS) der Internationalen Astronomischen Union (IAU) ist eine globale Organisation, die gemeinsam vom NOIRLab der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) und dem SKA-Observatorium (SKAO) unter der Schirmherrschaft der IAU betrieben wird.

Das CPS erleichtert die globale Koordinierung der Bemühungen der astronomischen Gemeinschaft in Zusammenarbeit mit Observatorien, Raumfahrtbehörden, Industrie, Regulierungsbehörden und anderen Sektoren, um die negativen Auswirkungen von Satellitenkonstellationen auf die Astronomie zu mildern.

Zu den teilnehmenden Forschungseinrichtungen gehören das SKA-Observatorium, das European Research Council (ERC), das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), das Niederländische Institut für Radioastronomie (ASTRON), die Rhodes-Universität in Südafrika und das Jodrell Bank Centre for Astrophysics in Großbritannien. Benjamin Winkel, Gyula I. G. Józsa und Axel Jessner sind Ko-Autoren vom MPIfR. Mehrere der Autoren sind außerdem im Committee for Radioastronomy Frequencies (CRAF) aktiv, das sich für den Schutz von radioastronomischen Beobachtungen vor menschengemachten Funksignalen stark macht. Alle Autoren sind Mitglieder des Opticon RadioNet Pilot, welches die ORP Sky Protection Group unterhält.

Originalveröffentlichung
Unintended radio emission from Starlink satellites detected with LOFAR between 110 and 188 MHz
F. Di Vruno, B. Winkel, C. G. Bassa, G. I. G. Józsa, M. A. Brentjens, A. Jessner, and S. Garrington, 2023, Astronomy & Astrophysics, July 05, 2023 (DOI: 10.1051/0004-6361/202346374), pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/08/aa46374-23.pdf.

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• Beeinträchtigung von astronomischen Teleskopen durch Megakonstellationen

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Quelle: GFZ 20. Januar 2023.

20. Januar 2023 – Menschen sehen weltweit immer weniger Sterne am Nachthimmel. Ursache hierfür ist vermutlich die Lichtverschmutzung in den Abend- und Nachtstunden, die pro Jahr um 7-10 Prozent zunimmt. Diese Änderungsrate ist größer, als es Satellitenmessungen der künstlichen Lichtemissionen auf der Erde vermuten ließen. Zu diesem Befund kommt jetzt eine Studie im Fachmagazin Science, durchgeführt von einer Forschungsgruppe um Christopher Kyba vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Ruhr-Universität Bochum mit Kolleg*innen vom GFZ und vom NOIRLab der US National Science Foundation. Im Rahmen des Citizen Science Projekts „Globe at Night“ haben sie hierfür aus dem Zeitraum 2011 bis 2022 mehr als 50.000 Beobachtungen mit bloßem Auge von Bürgerwissenschaftler*innen auf der ganzen Welt ausgewertet. Die Studie zeigt auch, dass die Citizen-Science-Daten eine wichtige Ergänzung zu bisherigen Messverfahren darstellen.

Hintergrund Lichtverschmutzung
Über einem Großteil der Landoberfläche der Erde erstrahlt der Himmel auch lange nach Sonnenuntergang noch in einer – künstlichen – Dämmerung. Dieses künstliche Leuchten des Nachthimmels ist eine Form der Lichtverschmutzung, die gravierende Auswirkungen auf die Umwelt hat und daher im Blick der Forschung stehen sollte, wie Constance Walker, Mitautorin der Studie und seit dessen Gründung Leiterin des Projekts Globe at Night des NOIRLab der NSF betont. Denn viele Verhaltensweisen und physiologische Prozesse von Lebewesen sind von tageszeitlichen und saisonalen Rhythmen bestimmt – und damit vom Licht beeinflusst. „Das Himmelsleuchten beeinträchtigt sowohl tag- als auch nachtaktive Tiere und zerstört außerdem einen wichtigen Teil unseres kulturellen Erbes“, sagt Walker. Die Erscheinung des Nachthimmels verändert sich, mit negativen Auswirkungen auf Sternenbeobachtung und Astronomie.

Bedarf an geeigneten Messverfahren
Die Änderung der Lichtverschmutzung ist global gesehen und im Laufe der Zeit bislang nicht gut bekannt. Zwar kann das künstliche Himmelsleuchten im Prinzip von Satelliten gemessen werden. Doch die einzigen Instrumente im All, die die gesamte Erde überwachen können, haben keine ausreichende Messgenauigkeit und Empfindlichkeit.

Ein vielversprechender Ansatz ist es daher, die Beobachtungskraft der Menschen und damit das menschliche Auge als Sensor zu nutzen, und dabei – im Rahmen von Citizen Science Experimenten – auf „die Macht der Vielen“ zu setzen. Bereits seit 2006 läuft das Projekt „Globe at Night“, initiiert vom NOIRLab der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF). Hieran können sich Menschen auf der ganzen Welt beteiligen.

Mit Citizen-Science…
Die Teilnehmenden betrachten ihren Nachthimmel und geben dann in einem Online-Formular an, welche von acht Sternkarten am besten zu dem passt, was sie sehen. Jede Karte zeigt den Himmel unter verschiedenen Graden an Lichtverschmutzung.

„Die Beiträge der einzelnen Menschen wirken zusammen wie ein globales Sensornetz, das uns einen ganz neuen Forschungsansatz ermöglicht“, sagt Christopher Kyba vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam und der Ruhr-Universität Bochum. Gemeinsam mit seinem GFZ-Kollegen Yigit Öner Altıntas sowie Constance E. Walker und Mark Newhouse vom NOIRLab hat er Daten von 51.351 Beobachtungen auf der ganzen Welt ausgewertet, die zwischen 2011 und 2022 in wolken- und mondfreien Nächten gemacht wurden. Sie repräsentieren 19.262 Standorte weltweit, davon 3.699 Orte in Europa und 9.488 Orte in Nordamerika.

Um aus diesen Daten eine Veränderungsrate der Himmelshelligkeit zu errechnen und dabei zu berücksichtigen, dass sich die Beobachtenden auch über die Jahre jeweils an anderen Standorten befanden, haben sie zusätzlich ein globales Modell für die Himmelshelligkeit benutzt, das auf Satellitendaten des Jahres 2014 basiert.

…zu überraschenden Erkenntnissen
„Die Geschwindigkeit, mit der Sterne für Menschen in städtischen Umgebungen unsichtbar werden, ist dramatisch“, resümiert Christopher Kyba, Erstautor der Studie. Die Forschenden schätzten die Änderungen der Himmelshelligkeit anhand der Anzahl der sichtbaren Sterne ab. So ergaben sich für Europa 6,5 Prozent mehr Helligkeit pro Jahr, für Nordamerika ein Plus von 10,4 Prozent.

Um diese Zahlen zu veranschaulichen, erläutert Kyba die Konsequenzen, die sich für die Beobachtbarkeit von Sternen an einem Ort mit einer Helligkeitszunahme von 9,6 Prozent pro Jahr ergeben würden. Das entspricht dem aktuell ermittelten weltweiten Durchschnitt. „Wenn die Entwicklung so fortschreitet, wird ein Kind, das an einem Ort geboren wird, an dem 250 Sterne sichtbar sind, dort an seinem 18. Geburtstag nur noch 100 Sterne sehen können.“

Die Geschwindigkeit dieser Entwicklung hatten die Forschenden – nach Analyse der Satellitendaten – so nicht erwartet. Im Gegenteil hatten diese für die Standorte der Beobachtenden sogar darauf hingedeutet, dass die künstliche Helligkeit leicht abgenommen hat (um 0,3 Prozent pro Jahr in Europa, um 0,8 Prozent in Nordamerika).

Ursachen für den Unterschied zwischen Messungen von der Erde und aus dem All
Christopher Kyba glaubt, dass der Unterschied zwischen der menschlichen Beobachtung und den Satellitenmessungen wahrscheinlich auf Veränderungen in der Beleuchtungspraxis zurückzuführen ist: „Satelliten reagieren am empfindlichsten auf Licht, das nach oben gen Himmel gerichtet ist. Aber es ist horizontal abgestrahltes Licht, das den größten Teil des Himmelsleuchtens ausmacht“, erklärt Kyba. „Wenn also Werbung und Fassadenbeleuchtungen häufiger, größer oder heller werden, könnten sie einen großen Einfluss haben, ohne dass sich das auf den Satellitenbildern entsprechend widerspiegelt.“

Als weiteren Faktor nennen die Autoren die weit verbreitete Umstellung von orangefarbenen Natriumdampflampen auf weiße LEDs, die u.a. auch blaues Licht aussenden. „Unsere Augen sind nachts empfindlicher für blaues Licht, und blaues Licht wird in der Atmosphäre eher gestreut, trägt also stärker zum Himmelsleuchten bei“, sagt Kyba. „Aber der einzige Satellit, der die ganze Erde bei Nacht abbilden kann, ist im Wellenlängenbereich des blauen Lichts nicht empfindlich.“

Grenzen der Studie und weitere Potenziale
Auch der Citizen Science Ansatz hat allerdings seine Limitierungen. So bestimmt die Anzahl der Teilnehmenden aus den verschiedenen Regionen der Welt die Aussagekraft über räumliche und zeitliche Trends. Bislang beteiligen sich vor allem Menschen aus Nordamerika und Europa an dem Experiment, und die Hälfte der asiatischen Beiträge stammt aus einem einzigen Land: Japan. „Die meisten Daten stammen aus den Regionen der Erde, in denen das Himmelsleuchten derzeit am stärksten ausgeprägt ist. Das ist nützlich, aber es bedeutet, dass wir nicht viel über die Veränderungen des Himmelslichts in Regionen mit wenigen Beobachtungen sagen können“, betont Kyba. Gerade in Entwicklungsländern werden rasche Veränderungen der künstlichen Himmelsbeleuchtung vermutet, aber dort gibt es bislang nur wenige Beobachtungen.

Zwei Schlussfolgerungen: Beleuchtungspolitik und Citizen Science
Aus ihren Ergebnissen ziehen die Forschenden zwei wesentliche Schlüsse: Zum einen zeige sich, dass die aktuelle Beleuchtungspraxis und -politik etwa durch den zunehmenden Einsatz von LEDs trotz wachsenden Bewusstseins hinsichtlich der Lichtverschmutzung zumindest auf kontinentaler Ebene noch keine Verbesserung bewirkt hat.

„Und zum anderen konnten wir demonstrieren, dass die Citizen Science Daten eine wichtige Ergänzung zu den bisherigen Messverfahren darstellen“, wie Kyba betont.
Constance Walker fügt hinzu: „Hätten wir eine breitere Beteiligung, könnten wir Trends für andere Kontinente und möglicherweise sogar für einzelne Staaten und Städte ermitteln. Das Projekt ist noch nicht abgeschlossen, also schauen Sie heute Abend ruhig mal rein und sagen Sie uns, was Sie sehen!“

Weitere Informationen zum Projekt “Globe at Night” finden Sie hier:
https://globeatnight.org/

Originalpublikation:
Christopher C. M. Kyba, Yigit Öner Altıntas, Constance E. Walker, Mark Newhouse, Citizen scientists report global rapid reductions in the visibility of stars from 2011 to 2022, Science (2023),
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7781

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 4. November 2022.

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, gefunden. NGC 1068 ist eine aktive Galaxie im Sternbild Cetus und einer der bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien überhaupt. Sie wurde erstmals 1780 entdeckt, ist 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und kann mit einem großen Fernglas beobachtet werden. Die Ergebnisse, die heute in Science veröffentlicht werden, wurden in einem wissenschaftlichen Online-Webinar vorgestellt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Medien aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Entdeckung wurde am von der National Science Foundation unterstützten IceCube-Neutrino-Observatorium gemacht, einem gewaltigen Neutrinoteleskop, das eine Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst. Dieses einzigartige Teleskop, das mit Hilfe von Neutrinos die entlegensten Bereiche unseres Universums erforscht, meldete die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle im Jahr 2018. Bei der Quelle, TXS 0506+056, handelt es sich um einen bekannten Blazar, der sich in der linken Schulter des Sternbilds Orion in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Damals war noch eine Bestätigung durch optische Teleskope notwendig, um die Quelle sicher zu identifizieren. Diesmal wurden jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren genug Neutrinos von IceCube alleine entdeckt.

„Ein einziges Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos kann den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte aufdecken“, erläutert dazu Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von IceCube. Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt aus NGC 1068 gesammelt, die noch nicht ausreichen, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt zur Verwirklichung der Neutrinoastronomie.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sebastian Böser und früher Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören bereits seit 1999 dem IceCube-Konsortium an, das auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Herkunft von Neutrinos bis in die Tiefen des Weltalls zurückverfolgen zu können – genau hierfür wurde IceCube ursprünglich geplant. Nach dieser langen Zeit ist es ein tolles Gefühl, unsere Ziele verwirklicht zu sehen. Wir sind sehr stolz, dass wir nach einer ganzen Reihe bemerkenswerter Resultate nun auch dieses herausragende Ergebnis als Kollaboration erreicht haben“, freut sich Prof. Dr. Sebastian Böser.

Neutrinos bewegen sich ungehindert im Weltall
Anders als Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entweichen. Sie erreichen die Erde weitgehend ungestört von Materie und elektromagnetischen Feldern, die den extragalaktischen Raum durchdringen und behalten dabei ihre ursprüngliche Flugrichtung immer bei. Obwohl Wissenschaftler die Neutrinoastronomie bereits vor mehr als 60 Jahren ins Auge gefasst haben, ist der Nachweis der geisterhaften Teilchen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie und Strahlung äußerst schwierig. Wenn er gelingt, könnten Neutrinos jedoch der Schlüssel sein, um Einblicke in die extremsten Objekte im Kosmos zu erhalten.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist auch NGC 1068 eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einem relativ kleinen zentralen Wulst. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 eine aktive Galaxie, bei der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das Millionen Mal massiver ist als unsere Sonne und sogar noch massiver als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. NGC 1068 ist eine Galaxie vom Typ Seyfert II die aus einem solchen Winkel betrachtet wird, dass der zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, verdeckt ist. In einer Seyfert-II-Galaxie verdeckt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Teilchenmasse erzeugt wird, die sich langsam spiralförmig zum Zentrum der Galaxie bewegt.

In vielen Modellen würde man erwarten, dass die Neutrinos von hoch-energetischen Gamma-Strahlen begleitet werden. Dies wurde – in Übereinstimmung mit aktuellen Modellen – aber nicht beobachtet. „Neuere Modelle der Umgebung von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, ein Postdoktorand an der Michigan State University und Mitglied von IceCube. „Dieser Neutrinonachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern verbessern.“

Im Gegensatz zur Quelle TXS 0506+056, die nur für eine kurze Zeit aktiv war, sendet NGC 1068 einen kontinuierlichen Fluss von Neutrinos. „Ich denke, NGC 1068 könnte eine Referenzgalaxie für zukünftige Neutrinoteleskope werden“, sagt daher Theo Glauch, ein Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied von IceCube. „Sie ist ein astronomisch bereits sehr gut untersuchtes Objekt. Die Neutrinos werden es uns ermöglichen, diese Galaxie auf eine völlig andere Weise zu sehen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Dieses Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie über NGC 1068, die 2020 veröffentlicht wurde“, sagt Ignacio Taboada, ein Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Kollaboration. „Teils ist die Verbesserung auf optimierte Mess-Techniken , teils auf eine sorgfältige Aktualisierung der Detektorkalibrierung zurückzuführen. Die Arbeit der Teams für den Betrieb und die Kalibrierung des Detektors ermöglichte es die Neutrinorichtung besser zu rekonstruieren und so NGC 1068 genau lokalisieren zu können. Die Identifizierung dieser Quelle ist somit letztlich ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube-Kollaboration.“

„Das ist eine großartige Nachricht für die Zukunft unseres Fachgebiets. Es bedeutet, dass es mit einer neuen Generation von empfindlicheren Detektoren noch viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger aufspüren, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob IceCube uns eine Karte zu einer Schatzkammer übergeben hat“, sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY).

Mit den Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Antwort auf die jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Noch interessanter ist, dass diese Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass es noch viele weitere ähnliche Objekte gibt, die noch nicht identifiziert wurden. „Die Enthüllung des undurchsichtigen Universums hat gerade erst begonnen, und die Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckungen in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Physik an der TUM.

Originalartikel:
“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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Ein Beitrag von Kirsten Müller und Ingo Muntenaar.

Das Large Synoptic Survey Telescope ist ein seit 2011 im Bau befindliches Spiegelteleskop, das auf dem 2682 Meter hohen El-Peñón-Gipfel des Cerro Pachón im nördlichen Chile errichtet wird. Mit einem Bildwinkel mit einem Durchmesser von 3,5° wird es in der Lage sein, den Himmel komplett in drei Nächten zu fotografieren. Erstmals wird 2023 Licht durch den Strahlengang des Teleskops fallen und das LSST wird Mitte 2024 seine volle Operationsbereitschaft erreichen..

Betrieben wird das LSST von der LSST Corporation, einer US-amerikanischen Non-Profit-Organisation mit Sitz in Tucson, Arizona. Die Gelder zum Bau und Betrieb werden von verschiedenen US-amerikanischen Institutionen und Universitäten bereitgestellt. Zu Ehren der 2016 verstorbenen US-amerikanischen Astronomin Vera Rubin wurde das LSST in NSF Vera C. Rubin Observatory umbenannt. Dabei steht das Kürzel NSF für einen der Geldgeber, und zwar die National Science Foundation.

Das LSST besteht aus drei Spiegeln mit einem Primärspiegel von 8,4 m Durchmesser. Sekundär- und Tertiärspiegel mit jeweils Spiegeldurchmessern von 5,0 m respektive 3,4 m sind in das Teleskop integriert. Aufgenommen wird der Sichtbereich in unterschiedlichen Spektren mit einer Digitalkamera mit 3,2-Milliarden Pixel, in die je nach Spektralbereich verschiedene Farbfilter eingesetzt werden. Diese Digitalkamera mit einem Gewicht von ungefähr 2,8 t wird automatisch den Himmel aufnehmen und dabei eine Datenmenge von bis zu 30 Terabyte pro Nacht verarbeiten. Jährlich fallen so Datenmengen von 6000 Terabyte an. Aufnahmen von Lichtobjekten bis zu 24 mag sind möglich. Nach einer geplanten Betriebszeit von 10 Jahren fallen so 60 Petabyte an Daten an. Dabei werden bei 30 Billionen Observationen 40 Milliarden Himmelsobjekte kartographiert. Diese Datenmenge kann nur vollautomatisiert aufgenommen, verarbeitet und analysiert werden. Dabei wird die erwartete Bewegung jedes einzelnen Lichtobjekts vorausbestimmt und mit späteren Aufnahmen verglichen.

Mit der Durchmusterung des Himmels mit dem LSST will man die größte Erhebung von bekannten Objekten im Sonnensystem in der Geschichte erreichen.

Bisher sind ungefähr 25,500 erdnahe kosmische Kleinkörper (NEO – Near-Earth Objects) bekannt. Diese Zahl will man durch das LSST auf 100.000 erhöhen. Bei den bisherigen bekannten Objekten im Asteroidengürtel (MBA – Main Belt Asteroid) liegt die Anzahl bei ca. 1.000.000. In der Gruppe der Jupiter-Trojaner sind bisher ungefähr 10.000 bekannt. Geschätzt wird, das sich diese Zahl auf 280.000 erhöht. Die Gruppe der Transneptunischen Objekte (TNO – Trans Neptunian Objects) wird sich von ungefähr 4.000 auf 40.000 erhöhen. Bei den Kometen wird sich die Zahl von 4.000 bekannten Objekten auf 10.000 Objekte mehr als verdoppeln. Bisher haben Wissenschaftler zwei interstellare Objekte auf ihrem Weg durch unser Sonnensystem entdeckt. Mit dem LSST erhofft man sich die Anzahl auf über 10 zu erhöhen.

Mit dieser automatisierten Kartographierung werden natürlich auch die Bahnparameter errechnet werden können. So wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, der Erde gefährliche Objekte frühzeitig zu entdecken und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Überdies ist geplant, mit Google eine sich ständig aktualisierende Sternkarte jedermann zugänglich zu machen.

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• Asteroid Day

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Das Neutrinoteleskop IceCube am Südpol kann weiter ausgebaut werden. Die US-amerikanische Einrichtung zur Forschungsförderung National Science Foundation (NSF) hat für ein Upgrade des Observatoriums 23 Millionen US-Dollar bewilligt. Insgesamt wird der Ausbau des Detektors im antarktischen Eis 40 Millionen US-Dollar kosten, wozu auch deutsche Forschungseinrichtungen wesentlich beitragen werden. Die Mittel werden dafür verwendet, noch mehr Lichtsensoren zu installieren, die Spuren von Neutrinos aus dem Weltall auffangen. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), die an den Forschungen mit IceCube beteiligt sind, erwarten davon unter anderem wichtige Informationen über die Eigenschaften von Neutrinos.

IceCube ist der größte Teilchendetektor der Welt. Er wurde im Dezember 2010 fertiggestellt und sammelt seitdem Daten über Neutrinos. Neutrinos sind fast masselose Teilchen, die Materie nahezu unbemerkt durchdringen und daher sehr schwer zu entdecken sind. Die Geisterteilchen, wie sie deshalb häufig genannt werden, können aus entfernten Regionen des Weltalls fast ungehindert zur Erde vordringen und uns Informationen über weit entfernte Galaxien übermitteln. Ein Höhepunkt der IceCube-Forschung ereignete sich am 22. September 2017: Die Detektoren meldeten ein hochenergetisches Neutrino, das höchstwahrscheinlich aus einer 5,7 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie im Sternbild Orion stammte.

IceCube besteht aus einem Kubikkilometer Eis und liegt direkt bei der Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol. Die Station wird von den USA finanziert, ist aber für internationale Forschung geöffnet. An 86 Kabeltrossen sind jeweils 60 Glaskugeln angebracht, die in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 Kilometern reichen. Diese Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das bläuliche Tscherenkow-Leuchten auffangen, das bei Neutrinoreaktionen entsteht. Zu den bisher 5160 Sensoren kommen mit dem Upgrade nun weitere 700 neue Sensoren hinzu, die in sehr engem Abstand an sieben Kabeltrossen befestigt sind. Sie werden unter dem Zentrum des jetzigen Detektors etwa 1,6 Kilometer tief installiert. Die ersten Arbeiten dazu haben mit Unterstützung der NSF und anderer Partner, darunter Deutschland, bereits im Herbst 2018 begonnen. Der Südpol ist dank dem kristallklaren Tiefeneis ideal für das Projekt.

Neutrinooszillation gibt weiterhin Rätsel auf
Neutrinos sind nicht nur schwer nachzuweisen, sondern sie geben auch ansonsten viele Rätsel auf – die mit dem Ausbau zumindest teilweise geklärt werden könnten. Wichtigstes Ziel dieser ersten IceCube-Erweiterung ist es, einem Phänomen auf die Spur zu kommen, das als Neutrinooszillation bezeichnet wird und die Möglichkeit beschreibt, dass Neutrinos als Elektron-, Myon- oder Tau-Neutrino erscheinen und zwischen diesen Formen wechseln können.

Ein zweites Ziel ist die genauere Beschreibung des Eises, das die Lichtsensoren umgibt, um dadurch mit dem bestehenden Detektor bessere Ergebnisse zu erhalten. Vorteile davon wird besonders die Hochenergie-Neutrinoastronomie haben.

Forschende der JGU an IceCube Upgrade und künftigem IceCube-Gen2 beteiligt
Mit den zusätzlichen Lichtsensoren wird die Sensitivität vor allem bei niedrigen Energien im Bereich von 5 bis 10 Gigaelektronenvolt deutlich gesteigert. Dies ist der Energiebereich, in dem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei IceCube Neutrinooszillationen von atmosphärischen Neutrinos beobachten können. Neutrinooszillationen beruhen auf einem Quanteneffekt, dessen Entdeckung 2015 mit dem Nobelpreis gewürdigt wurde. „Die Analyse dieser Neutrinooszillationen, mit denen wir vor allem etwas über die Eigenschaften der Neutrinos lernen, ist der Schwerpunkt unserer Mainzer Forschungstätigkeit bei IceCube“, teilt Prof. Dr. Sebastian Böser vom Institut für Physik der JGU mit. „Wir erhalten eine größere Anzahl von Neutrinos bei niedrigeren Energien und werden daraus sehr viel lernen können.“

So konnte die vom BMBF geförderte Mainzer Neutrino-Gruppe im Vorfeld zeigen, dass die Erweiterung dazu beitragen wird, der Frage nach der Anordnung der Neutrinomassen auf den Grund zu gehen. „Wir rechnen damit, dass die Forschung an IceCube nach dem Upgrade in Verbindung mit dem im Aufbau befindlichen JUNO-Experiment die Frage der Massenhierarchie eindeutig klären kann“, so Böser. Am JUNO-Experiment in China sind Mainzer Forscher ebenfalls maßgeblich beteiligt. Aber auch zu anderen Fragen werden neue Erkenntnisse erwartet, so zu der Annahme, dass Neutrinos bei den Oszillationen auch verschwinden könnten, statt sich umzuwandeln. Hier dürften über den Nachweis von Tau-Neutrinos in bislang unerreichter Rate deutliche Fortschritte erfolgen.

„Daneben gibt uns diese Detektorerweiterung natürlich die Möglichkeit, die technologischen Entwicklungen für die nächste Ausbaustufe von IceCube, den IceCube-Gen2-Detektor, voranzutreiben“, ergänzt Prof. Dr. Lutz Köpke, ebenfalls Neutrino-Forscher am Institut für Physik der JGU. Aus Mainz werden zu diesem Zweck 14 neuartige Lichtsensoren, sogenannte WOMs, im Eis installiert. Diese WOMs nutzen spezielle Materialien und können so bei gesteigerter Sensitivität ein geringeres Rauschen erzielen. „Dieses Rauschen ist der maßgebliche Faktor, um Supernova-Ereignisse zu detektieren – ein weiterer Schwerpunkt, den wir hier in Mainz erforschen“, so Böser. IceCube-Gen2 soll auf den Erfahrungen mit dem Upgrade aufbauen und das Volumen von IceCube verzehnfachen.

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Ein Beitrag von Martin Ollrom. Quelle: National Science Foundation.

Mit Hilfe einer relativ neuen Planeten-Suchstrategie kann man seit neuestem auch Planeten finden, die nur etwa ein Zehntel der Erdmasse besitzen. Nun haben Astronomen einen steinigen, eisigen Planeten gefunden, der gleichzeitig auch der bisher kleinste und erdähnlichste Planet sein könnte. Dieser befindet sich klarerweise außerhalb unseres Sonnensystems. Dies ist ein großer Erfolg für die neue Technik, die auf das Finden von extrasolaren, erdähnlichen Planeten spezialisiert ist. „Dies ist ein wichtiger Durchbruch in der Planetenforschung. Auch die Frage, ob wir allein im Universum sind, bekommt dadurch eine neue Bedeutung“, erläutert Michael Turner, assistierender Direktor bei der National Science Foundation (NSF), die Wichtigkeit dieses Fundes. „Unser Team hat den bisher kleinsten erdähnlichen Planeten gefunden. Aber viel wichtiger ist, dass die Technik sehr erfolgreich ist. Mit ihrer Hilfe können wir viel mehr von unserer Galaxie erforschen, als wir bisher dachten.“

Der Planet ist etwa 20.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und liegt in der Konstellation Sagittarius, nahe dem Milchstraßenzentrum. Der Planet mit dem Namen OGLE-2005-BLG-390Lb hat die 5,5-fache Erdmasse. Der Planet umkreist einen Stern, der nur ein Fünftel der Sonnenmasse besitzt, jedoch einer dreifach so großen Entfernung wie die Erde die Sonne umkreist. Dies hat zur Folge, dass der Planet sehr kalt ist – die durchschnittliche Oberflächentemperatur wird auf etwa -220 Grad Celsius geschätzt. Astronomen bezweifeln, dass in dieser Kälte irgendwelche Organismen überleben können. Der Grund für diese Kälte ist, dass sich der Planet nicht in der „bewohnbaren Zone“ dieses Sterns befindet. Die „bewohnbare Zone“ ist wie folgt definiert: ein Planet muss eine durchschnittliche Entfernung zum Mutterstern haben, bei der er nicht zu kalt und nicht zu heiß wird – die Temperaturen sollten auf jeden Fall flüssiges Wasser zulassen.

Der Fund wurde mit dem OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) gemacht, das darauf spezialisiert ist, extrasolare, erdähnliche Planeten zu finden. Seitdem das OGLE in Betrieb gegangen ist, untersucht es nun jede Nacht das Zentrum der Milchstraße auf neue, so genannte „Events“. Bei einem solchen „Event“ zieht ein unbekanntes Objekt vor einem weit entfernten Stern vorbei. Bisher hat OGLE 500 solcher „Events“ beobachtet, jedoch ist nicht jeder ein neuer Planet und schon gar nicht ein extrasolarer Planet. Um jeden „Event“ genauestens bestimmen zu können, müssen die Astronomen dieses Ereignis längere Zeit und viel genauer untersuchen, als dies OGLE in einer Nacht tut. Den ungewöhnlich langen Namen hat der Planet übrigens von OGLE erhalten (OGLE-2005-BLG-390Lb). „Der einzige Weg, die Wichtigkeit dieses Fundes begreifen zu können, liegt darin, die Daten mit bisherigen Daten zu vergleichen und sie allen forschenden Astronomen zukommen zu lassen“, erklärt Bohdan Paczynski von der Princeton Universität. Er war einer der Astronomen, die 1997 die Idee zu OGLE hatten.
Nun gibt es aber nicht nur ein OGLE weltweit, sondern ein ganzes Netz von OGLEs mit dem Namen PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork). Nur mit Hilfe von PLANET konnte man am 11. Juli 2005 diesen Fund machen und auch nachher sicher sagen: dies ist ein neuer Planet. PLANET untersucht die Milchstraße häufiger als nur OGLE, denn diese Stationen sind weltweit aufgestellt, und die Forscher haben quasi immer irgendwo eine Station stehen, an deren Standort es gerade Nacht ist.
Dieses PLANET-Projekt ist bisher außergewöhnlich erfolgreich. Wir dürfen uns auf weitere Funde freuen.

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