Quelle: Universität Wien 4. September 2024.

4. September 2024 – Zwei Instrumente für das künftig größte optische Teleskop der Welt, das Extremely Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, haben die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht. Sie werden künftig Bilder des Universums in noch nie dagewesener Tiefe liefern: METIS, eine Kamera plus Spektrograph im mittleren Infrarotbereich, wird durch Staub- und Gaswolken blicken und so die Stern- und Planeten-Entstehung nachvollziehen können. Die 20 Tonnen schwere Kamera MICADO hingegen soll unter anderem Bilder von Sternsystemen in nahen Galaxien, Exoplaneten und schwarzen Löchern liefern. An der Entwicklung ist die österreichische Kooperation A* (Universitäten Wien und Innsbruck, JKU Linz, Österreichische Akademie der Wissenschaften) beteiligt.

In rund drei Jahren soll das weltweit größte optische Teleskop, das Extremely Large Telescope (ELT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste in Betrieb gehen. Ausgerüstet mit verschiedenen Instrumenten, zwischen denen man innerhalb von Minuten umschalten kann, wird das ELT von der Erde aus Blicke ins Universum in noch nie dagewesener Tiefe ermöglichen. Zwei dieser Instrumente, an deren Entwicklung auch zahlreiche österreichische Expert*innen beteiligt sind, haben nun die abschließende Designprüfung bestanden und damit einen wichtigen Meilenstein erreicht: Die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“ (MICADO), eine leistungsstarke hochauflösende Kamera für das ELT, hat die Designphase im Sommer abgeschlossen; der „Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph“ (METIS) bereits im Mai. Beide Instrumente sollen bereits beim Start des ELT oder kurz danach in Betrieb gehen.

METIS, Kamera und Spektrograph zugleich, ist für die Beobachtung im mittleren Infrarotbereich ausgelegt und eignet sich daher ideal für die Untersuchung kalter oder von Staub umhüllter Objekte. „Während sehr heiße Objekte wie unsere Sonne hauptsächlich sichtbares Licht aussenden, strahlen kältere Objekte wie Planeten oder Staubwolken vor allem im mittleren Infrarotbereich. Durch die Analyse des Lichts in diesem Frequenzbereich wird METIS untersuchen, wie sich Sterne und Planeten in Staub- und Gaswolken bilden, und kann durch den Staub im Zentrum von Galaxien blicken, um deren supermassereiche schwarze Löcher zu untersuchen“, erklärt Kieran Leschinski vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Er ist Teil der österreichischen Expert*innengruppe, an der die Universität Wien, die Universität Innsbruck, die Johannes Kepler Universität Linz sowie RICAM Linz/Österreichische Akademie der Wissenschaften beteiligt sind.

Beiträge zur Forschung an Exoplaneten
Darüber hinaus wird METIS voraussichtlich spannende Beiträge zur Erforschung von Exoplaneten leisten, indem es kleine, felsige Exoplaneten beobachtet und die Temperatur, das Wetter und die chemische Zusammensetzung ihrer Atmosphären auf der Suche nach bewohnbaren Welten untersucht. „Mit METIS verfolgen wir ein breites Spektrum wissenschaftlicher Ziele, von der Erforschung der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems über den Blick in das Zentrum von Galaxien bis hin zur Untersuchung ihrer rätselhaften supermassiven schwarzen Löcher. Der wissenschaftliche Schwerpunkt von METIS liegt auf der Untersuchung von Planetenentstehungsscheiben und kürzlich entstandenen – sowie nahen – Exoplaneten“, so Norbert Przybilla, Professor am Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

20 Tonnen-schwere Kamera MICADO wird entfernte Galaxien beobachten
Das zweite Instrument, bei dem der Designprozess kürzlich abgeschlossen wurde, ist die „Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations“, kurz MICADO. MICADO wird hochauflösende Bilder des Universums liefern und die Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren. Bei der Entwicklung von MICADO stand der Wunsch nach höchster Präzision und Stabilität im Vordergrund, um die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs zu erreichen. Um das gewährleisten zu können, wird das Instrument eine stattliche Größe erreichen: Rund sechs Meter hoch, wird es nicht weniger als 20 Tonnen wiegen.

Das Herzstück des Instruments wird, genauso wie jenes von METIS, in einem Kryostaten untergebracht, der es kühl hält, so dass es im nahen Infrarotbereich effektiv und ohne Störung durch andere Wärmequellen arbeiten kann. Dadurch wird es möglich sein, hochauflösende Bilder des Universums zu erhalten, die die detaillierten Strukturen und Entstehungsmechanismen entfernter Galaxien offenbaren und es den Astronom*innen ermöglichen, einzelne Sterne und Sternsysteme in nahen Galaxien sowie Planeten und deren Entstehung außerhalb unseres Sonnensystems zu untersuchen. Darüber hinaus wird MICADO ein einzigartig leistungsfähiges Instrument zur Erforschung von Umgebungen sein, in denen die Gravitationskräfte extrem stark sind, wie etwa in der Nähe des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße.

„Erdgebundene astronomische Beobachtungen werden durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre gestört und können auch mit freiem Auge als Blinken der Sterne wahrgenommen werden. Das Team an der JKU Linz und am RICAM leistet mit der Entwicklung der Algorithmen zur Korrektur dieser Turbulenzen mittels verformbarer Spiegel einen wesentlichen Beitrag, um scharfe Bilder ferner Himmelsobjekte aufnehmen zu können“, erklärt Ronny Ramlau, Professor am Institut für Industriemathematik der Johannes Kepler Universität Linz und Scientific Director am RICAM Linz/ÖAW.

Expert*innenstimmen:
Kieran Leschinski, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Das Extremely Large Telescope (ELT) wird das leistungsfähigste optische/infrarote Teleskop sein, das je gebaut wurde. Mit seinem enormen 39-Meter-Hauptspiegel wird das ELT es ermöglichen, die schwächsten und entferntesten Objekte im Kosmos zu beobachten – von den ersten Galaxien, die sich nach dem Urknall gebildet haben, bis hin zu potenziell bewohnbaren Exoplaneten, die nahegelegene Sterne umkreisen. Unser Team hier in Österreich ist verantwortlich für die Entwicklung der Software für MICADO und METIS, die es Astronom*innen ermöglichen wird, bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse aus den Rohdaten zu gewinnen, die direkt von den Instrumenten des Teleskops kommen.“

Werner Zeilinger, Institut für Astrophysik der Universität Wien: „Die räumliche Auflösung, die das ELT erreicht, ist so hoch, dass eine Lego-Figur auf einer Raumstation beobachtet werden kann. Allerdings führt bei einer solch hohen Auflösung selbst die kleinste Turbulenz in der Atmosphäre dazu, dass die Bilder verschwimmen – ähnlich als ob ich ein Objekt am Boden eines Schwimmbeckens betrachte. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, integriert das Extremely Large Telescope (ELT) mehrere flexible Spiegel, die sich hunderte Male pro Sekunde verformen und so die atmosphärischen Verzerrungen in Echtzeit beseitigen können. Dadurch wird das ELT in Summe in der Lage sein, Bilder deutlich schärfer aufzunehmen als das Hubble-Weltraumteleskop.“

Manuel Güdel, Professor am Institut für Astrophysik der Universität Wien: „METIS wird unser Verständnis von Planetensystemen revolutionieren. Durch seine hochauflösenden Infrarotbilder und -spektren wird es möglich sein, Exoplaneten und ihre Atmosphären in beispielloser Detailgenauigkeit zu untersuchen. Dieses hochmoderne Instrument wird auch dabei helfen, potenziell bewohnbare Welten zu identifizieren und uns näher an die Beantwortung der tiefgreifenden Frage bringen, ob Leben außerhalb unseres Sonnensystems existiert. Zudem wird METIS Einblicke in die Sternentstehung und die Bedingungen rund um junge Sterne geben, welche wiederum die Planetenentstehung und -entwicklung antreiben.“

Wolfgang Kausch, Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck: „Damit wir mit MICADO die geforderte hohe Empfindlichkeit, Auflösung, astrometrische Genauigkeit und Abdeckung eines großen Wellenlängenbereichs in der ELT-Umgebung erreichen, wird das Instrument nicht weniger als 20 Tonnen wiegen und eine Höhe von sechs Metern haben.“

Roland Wagner (RICAM Linz, ÖAW): „Innerhalb von MICADO wird am RICAM der ÖAW und an der JKU Linz eine Software zur Bewertung der Bildqualität mittels der sogenannten Point Spread Function entwickelt. Damit können in der Analyse der Bilder die Eigenschaften der beobachteten Sterne genauer als bisher bestimmt werden. Die Methode dafür wird gerade an Daten bereits existierender Teleskope getestet.“

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• ESO Teleskop ELT

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Quelle: Universität Bern 22. April 2024.

22. April 2024 – Es war einer der kältesten Winter, den die Region je erlebt hat: Im Jahr 763 froren weite Teile des Schwarzen Meeres zu und am Boporus wurden Eisberge gesichtet. Von diesem ungewöhnlichen Wetterphänomen im Winter 763/764 berichteten zeitgenössische Historiker in ihren Aufzeichnungen aus Konstantinopel, dem heutigen Istanbul. Eine internationale, interdisziplinäre Studie der Universität Bern mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt, dass diese extreme Kälteperiode im Frühmittelalter durch Vulkanausbrüche auf Island ausgelöst wurde.

Bisherige Schätzungen des Einflusses von Vulkanausbrüchen auf das globale Klima in der Zeit zwischen 700 und 1000 n. Chr. gingen von einer vulkanischen Ruhephase aus. Eine Annahme, die jedoch im Widerspruch zu den geologischen Befunden aus Island und Sulfatkonzentrationen in Eisbohrkernen in Grönland steht, die Forscher:innen jetzt in dem im renommierten Nature-Portfolio herausgegebenen Fachjournal Communications Earth and Environment veröffentlichten.

Schwefelwolken ziehen über Europa
Die neue Studie nutzt Analysen von sogenannter Kryptotephra (mit blossem Auge nicht sichtbare Spuren von Vulkanasche), hochauflösende Schwefelisotopenanalysen und andere chemische Indikatoren für vulkanische Eruptionen von zahlreichen Eiskernen aus Grönland, um die vulkanische Aktivität und die Konzentration klimawirksamer Schwefelaerosole im Zeitraum von 700 bis 1000 n. Chr. zu ermitteln.

Mit dem Ergebnis: Eine längere Episode vulkanischer Schwefeldioxid-Emissionen zwischen 751 und 940 n. Chr. wurde vor allem von Eruptionen auf Island dominiert. «Bisher wurden Vulkanausbrüche als ein kurzlebiger, zufälliger Klimaantrieb interpretiert, wirksam während maximal 1 bis 3 Jahren», erläutern Imogen Gabriel und Michael Sigl, die Hauptautor:innen der Studie von der Universität Bern.

Die frühmittelalterliche Serie von Eruptionen wird in der Studie als «Icelandic Active Period bezeichnet. Sie begann mit Ausbrüchen des Vulkans Katla zwischen 751 und 763, die teils bis in die Stratosphäre reichten und mit starken winterlichen Abkühlungsanomalien in ganz Europa zusammenfielen. Diese Kältezeiten können aufgrund von Isotopendaten aus Tropfsteinhöhlen (wie der Spannagelhöhle in den Zillertaler Alpen) sowie mit historischen Quellen von Irland bis zum Mittelmeer rekonstruiert werden.

Strafe Gottes
Wie sich diese historischen Klimaveränderungen auf die frühmittelalterliche Gesellschaft auswirkte, schildert der an der Studie beteiligte Byzanzforscher Johannes Preiser-Kapeller vom Institut für Mittelalterforschung der ÖAW: «In den historischen Quellen wird nicht nur beschrieben, dass es sehr kalt war, sondern, dass die extremen Temperaturen Tiere sterben und Feldfrüchte erfrieren ließen. Die Menschen litten nicht nur unmittelbar Not, sondern waren auf verschiedenen Ebenen tief erschüttert», berichtet der ÖAW-Forscher.

Als sich im März 764 auch noch ein Meteorschauer – ein beeindruckendes astronomisches Phänomen, das den Himmel erleuchten lässt – ereignete, dachten viele Menschen, das Ende der Welt sei gekommen. Diese Krisenzeit schlug sich auch auf die politische Wetterlage nieder. Für das damalige Byzantinische Reich, zu dem Preiser-Kapeller forscht, war es eine Zeit innerer Konflikte, die als «Bilderstreit» in die Geschichte einging. Preiser-Kapeller: «Man stritt darum, wie man das Göttliche richtig verehrt. Aus Sicht eines Bilderverehrers war der Kaiser schuld, weil er verbot, die Heiligen angemessen zu verehren. Die Krise wurde also politisch instrumentalisiert und als Strafe Gottes interpretiert.»

Vulkane bei Klimamodellen bisher zu wenig berücksichtigt
Was der interdisziplinäre Ansatz der Studie auch illustriert: den bedeutenden Beitrag anhaltender vulkanischer Sulfatemissionen zur vorindustriellen atmosphärischen Aerosolbelastung, der in bisherigen Schätzungen zur Rekonstruktion des Klimas nicht ausreichend berücksichtigt wurde. Und er unterstreicht die Notwendigkeit weiterer interdisziplinärer Forschung, um mit diesen Phänomenen verbundene Klimarückkopplungen in Vergangenheit und Gegenwart besser zu verstehen.

Publikationsangaben:
“Decadal-to-centennial increases of volcanic aerosols from Iceland challenge the concept of a Medieval Quiet Period”, Imogen Gabriel, Gill Plunkett, Peter Abbott, Melanie Behrens, Andrea Burke, Nathan Chellman, Eliza Cook, Dominik Fleitmann, Maria Hörhold, William Hutchison, Joseph McConnell, Bergrún Óladóttir, Johannes Preiser-Kapeller, Jakub Sliwinski, Patrick Sugden, Birthe Twarloh, and Michael Sigl, Nature Commun Earth Environ, 2024
DOI: doi.org/10.1038/s43247-024-01350-6
https://www.nature.com/articles/s43247-024-01350-6
pdf: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01350-6.pdf

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• Klimawandel

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Quelle: Max-Planck-Institut für Physik (MPP) 18. April 2024.

18. April 2024 – Die Natur der Dunklen Materie zählt bis heute zu den großen Fragen der modernen Physik. Nach heutigem Wissen macht die unsichtbare Dunkle Materie 85 Prozent der Gesamtmasse im Universum aus. Im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) geht heute das Experiment COSINUS* in Betrieb. Das Forschungsprojekt soll überprüfen, ob ein anderes Experiment (DAMA/LIBRA) tatsächlich Signale Dunkler Materie gemessen hat – oder nicht. COSINUS ist eine Kooperation der TU Wien, des Instituts für Hochenergiephysik der ÖAW, des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italien), des Helsinki Institute of Physics (Finnland) und des MPP.

Für das COSINUS-Projekt wurde ein spezielles Instrument entwickelt. Dabei wird ein Kristall auf extrem tiefe Temperaturen gekühlt, um die Energie von Teilchen mit hoher Präzision messen zu können. Falls die Dunkle Materie aus bisher unbekannten Teilchen besteht, müsste die Erde auf ihrem Weg durch das All mit diesen Teilchen zusammenstoßen. Diese Kollisionen könnten sich im Messgerät nachweisen lassen.

Das DAMA/LIBRA-Experiment hat Daten gesammelt, die mit dieser Annahme im Einklang stehen, allerdings umstritten sind, da die Bestätigung durch ein anderes Experiment bis heute ausgeblieben ist.

Pflügt sich die Erde durch einen Nebel aus Dunkler Materie?
Wenn sich Dunkle Materie tatsächlich nachweisen ließe, würden die Messungen über das Jahr hinweg variieren. Warum? Die Sonne und all ihre Planeten – also auch die Erde – bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von rund 220 Kilometern pro Sekunde um das Zentrum der Milchstraße. Die Erde wiederum kreist mit einer Geschwindigkeit von rund 30 Kilometern pro Sekunde um die Sonne, für einen kompletten Umlauf braucht sie ein Jahr. Ein halbes Jahr lang bewegt sich die Erde also in der gleichen Richtung wie die Sonne, die anderen sechs Monate in der Gegenrichtung.

„Wenn unsere Galaxie von Teilchen aus Dunkler Materie durchdrungen ist, würde sich die Erde mal schneller, dann wieder langsamer durch diesen ‚Nebel‘ hindurchbewegen“, erklärt die MPP-Wissenschaftlerin Karoline Schäffner, technische Leiterin von COSINUS. „Die Situation gleicht einer Autofahrt im Regen: Je schneller wir unterwegs sind, umso mehr Regentropfen prasseln auf die Windschutzscheibe. Wir erwarten also, zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich viel Dunkle Materie zu detektieren.“

Genau das hat das DAMA/LIBRA Experiment ergeben, das seit 1995 läuft: Man detektierte tatsächlich ein Signal, dessen Intensität sich im Lauf des Jahres regelmäßig veränderte – ein Hinweis auf Dunkle Materie. Doch andere Experimente konnten diese Ergebnisse nicht wiederholen.

Der fehlende Nachweis durch andere Experimente beschäftigt die internationale Forschungsgemeinde seit Jahren. „Mit unserem neuen Projekt gibt es die Chance, dieses Rätsel zu lösen“, sagt Karoline Schäffner. „Wir verwenden in unserem Detektor Natriumiodid, dasselbe Material wie im DAMA/LIBRA-Experiment, um die Ergebnisse vergleichen zu können. Unser Versuchsaufbau wird aber eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.“

Wärme und Licht
Im DAMA/LIBRA Experiment wird nur das Licht, nicht aber die Wärme vermessen. Es gibt bereits zwei weitere Experimente, mit denen Wissenschaftler*innen daran arbeiten, die DAMA/LIBRA-Experimente zu reproduzieren. Wie das Original zeichnen beide nur Licht auf – im Gegensatz zu COSINUS, das auf zwei verschiedene Signale ausgelegt ist.

Das Herzstück von COSINUS ist ein Kryostat – eine Art Kühlschrank für extrem tiefe Temperaturen – in dem ein Kristall aus Natriumiodid auf 1-2 hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (- 273 Grad Celsius) abgekühlt werden kann. Wird dieser Kristall von Dunkle-Materie-Teilchen getroffen, kommt es zu zwei Reaktionen im Detektor: Erstens werden die Atome des Kristalls in Schwingung versetzt – das Kristallgitter beginnt zu wackeln und heizt sich auf. Die dabei aufgenommene Wärmeenergie lässt sich äußerst genau messen. Zweitens entsteht im Kristall auch Licht, das COSINUS ebenfalls „sehen“ kann.

Bekannte oder unbekannte Teilchen?
Die Untersuchung von zwei Signalen liefert zudem Hinweise, um welche Teilchen es sich handelt. „Das ist wichtig, denn nicht jedes Signal, das man in einem solchen Detektor misst, ist ein Hinweis auf Dunkle Materie“, erklärt Karoline Schäffner: „Es kann sich zum Beispiel um gewöhnliche Elektronen handeln, die durch natürliche Radioaktivität entstehen. Oder auch um Neutronen, die von kosmischen Teilchen produziert werden.“

Um Dunkle Materie-Signale zu entdecken, müssen die Forschenden den Kristall möglichst effektiv vor jeglichem Hintergrundrauschen abschirmen. Daher steht das Experiment gut geschützt in einem Bergmassiv, im größten Untergrundlabor der Welt: in den INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italien), rund hundert Kilometer von Rom entfernt. Unter 1.400 Metern Gestein bietet ein Tunnelsystem Platz für eine Vielzahl hochempfindlicher Versuche – auch das DAMA/LIBRA-Experiment ist dort aufgebaut. Außerdem werden die Detektoren in einem sieben Meter hohen Tank mit hochreinem Wasser platziert.

Das COSINUS-Projekt wird 18. April 2024 im INFN-LNGS eröffnet. Erste Ergebnisse der Messungen sind 2025/26 zu erwarten.

*Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches

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• Dunkle Materie

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Quelle: Austria in Space

Inhaltsbeschreibung
Die NAEC Tagung „Schule und Weltraum 2022″ soll Schüler*innen, Pädagog*innen und Wissenschafter*innen zusammenbringen, um Informationen zur aktuellen Forschung, zu Citizen-Science Projekten und zu Projekten für Schulen auszutauschen und Kontakte zu knüpfen.

Veranstalter
IAU – International Astronomical Union;
NAEC – National Astronomy Education Coordinators;
ÖAW – Österreichische Akademie der Wissenschaften;
ESERO Austria – European Space Education Resource Office;
ÖGAA – Österreichische Gesellschaft für Astronomie und Astrophysik

Darüber hinaus werden im Rahmen dieser Tagung Preise für die besten Vorwissenschaftlichen Arbeiten (AHS) bzw. Diplomarbeiten (BHS) aus den Themenbereichen Astronomie, Astrophysik, Weltraummissionen und Raumfahrt vergeben.

Programm
13:00-13:10 NAEC-Austria: Begrüßung / zum Ablauf
13:10-13:20 Grußworte der Veranstalter
13:20-13:45 Bettina Anderl (ESERO Austria): Teach with Space – ESERO Austria
13:45-14:10 Nora Eisner (University of Oxford): Zooniverse – TESS Planet Hunters
14:10-15:10 Daniela Tirsch (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) -Keynote: Aktuelle Marsmissionen und die Suche nach Spuren von Leben auf unserem Nachbarplaneten
15:10-15:45 Pause
15:45-16:30 Preisverleihung: VWA-Preis
16:30-16:55 Phil Gartlehner (ESERO Austria): Earth Observations – Schulmaterial
16:55-17:20 Andreas Buhl (Beyond Gravity Austria): Vom Mond zum Mars: Raumfahrttechnik aus Österreich
17:20-17:45 Roland Ottensamer (Institut für Astronomie, Wien): Space @ Uni Vienna
17:45 Abschluss & Ausklang

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Zielpublikum
Lehrer*innen aller Schulstufen, Schüler*innen, Wissenschaftler*innen, Weltrauminteressierte.

Teilnahme-Information
Die Teilnahme ist kostenlos.
Anmeldung über Link: Veranstaltungsanmeldung Konferenz „Schule und Weltraum“
Das Symposium wird auch gestreamt.

Veranstaltungsort
Österreichische Akademie der Wissenschaften, Theatersaal, Sonnenfelsgasse 19, 1010 Wien

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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