Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Ringförmige Störungen in Scheiben aus Gas und Staub, die um noch junge Sterne kreisen, können den Anstoß geben, dass sich gleich mehrere Gasriesen bilden. Zu diesem Ergebnis kommen Forschende des Exzellenzclusters ORIGINS, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Das Team hat ein Modell entwickelt, dass erstmals alle notwendigen physikalischen Prozesse, die bei der Planetenentstehung eine Rolle spielen, vereint. Demnach können Riesenplaneten effizienter und schneller entstehen als bisher angenommen. Diese Ergebnisse stimmen mit jüngsten Beobachtungen überein.

Unser Sonnensystem ist unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft. Wir kennen es gut: die Sonne im Zentrum, dann die Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde und Mars, dann der Asteroidengürtel gefolgt von den Gasriesen Jupiter und Saturn, den Eisriesen Uranus und Neptun, und schließlich der Kuipergürtel mit seinen Kometen. Doch wie gut kennen wir unsere Heimat wirklich? Bisherige Theorien gehen davon aus, dass Riesenplaneten durch Kollisionen und Ansammlungen asteroidenartiger Himmelskörper, so genannter Planetesimale, und anschließender Aufnahme von Gas im Laufe von Jahrmillionen entstehen. Diese Modelle erklären jedoch weder die Existenz von Gasriesen, die weit von ihren Sternen entfernt sind, noch die Entstehung von Uranus und Neptun.

Vom Staubkorn zum Riesenplaneten
In ihrem neuen Modell berücksichtigen die Astrophysiker*innen des ORIGINS Clusters, der LMU und des MPS erstmals alle Prozesse, die für die Planetenentstehung maßgeblich sind. „Dies ist das erste Mal, dass eine Simulation das Wachstum von Feinstaub bis hin zu Riesenplaneten verfolgt“, sagt Tommy Chi Ho Lau, Erstautor der Studie und Doktorand an der LMU.

Mit ihrem Modell zeigen die Forschenden, wie sich millimetergroße Staubteilchen aerodynamisch in der turbulenten Gasscheibe anhäufen, und wie diese anfängliche Störung in der Scheibe Staub einfängt und daran hindert, in Richtung des Sterns zu verschwinden. Diese Anhäufung macht das Wachstum von Planeten sehr effizient, da plötzlich viel „Baumaterial“ auf kleinem Raum zur Verfügung steht und die richtigen Bedingungen für Planetenentstehungen gegeben sind. „Wenn ein Planet groß genug ist, um selbst die Gasscheibe zu beeinflussen, führt dies zu einer erneuten Staubanreicherung weiter außen in der Scheibe. Dabei treibt der Planet den Staub, ähnlich wie ein Hirtenhund seine Herde, in den Bereich außerhalb seiner eigenen Umlaufbahn“, erklärt ORIGINS-Wissenschaftler Professor Til Birnstiel von der LMU. Der Prozess beginnt von neuem, von innen nach außen und ein weiterer Riesenplanet kann entstehen.

Vielfalt von Gasriesen in unserem und anderen Sternensystemen
In unserem Sonnensystem sind die Gasriesen in einer Entfernung von etwa 5 Astronomischen Einheiten (AE) (im Fall des Jupiters) bis zu einer Entfernung von etwa 30 AE (Neptun) von der Sonne angeordnet. Zum Vergleich: Unsere Erde ist 1 AE von der Sonne entfernt. „In anderen Planetensystemen könnte eine Störung in der protoplanetaren Scheibe den Prozess der Planetenentstehung in deutlich größerer Entfernung anstoßen“, so Dr. Joanna Drążkowska vom MPS.

Solche Systeme wurden in den vergangenen Jahren häufig mit dem Radioobservatorium ALMA beobachtet, das Gasriesen in jungen Scheiben in Entfernungen von mehr als 200 AE gefunden hat. Zudem erklärt das Modell, warum unser Sonnensystem mit Neptun scheinbar aufgehört hat, weitere Planeten zu bilden: Das Baumaterial war nach der Bildung des Neptuns aufgebraucht.

Die Ergebnisse der Studie stimmen mit aktuellen Beobachtungen von jungen Sternsystemen überein, die ausgeprägte Substrukturen in ihren Scheiben aufweisen. Diese Substrukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Planetenbildung. Die Studie deutet darauf hin, dass die Bildung von Riesenplaneten und Gasriesen effizienter und schneller abläuft als bisher angenommen. Diese neuen Erkenntnisse könnten unser Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Riesenplaneten unseres Sonnensystems verfeinern und die Vielfalt der beobachteten Planetensysteme erklären.

Originalveröffentlichung
Tommy Chi Ho Lau, Til Birnstiel, Joanna Dra̧żkowska, Sebastian Stammler:
Sequential giant planet formation initiated by disc substructure,
Astronomy & Astrophysics, Volume 668, A22 (2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2024/08/aa50464-24/aa50464-24.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2024/08/aa50464-24.pdf

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• Planetenentstehung

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Veranstaltungsbesuch 25. April 2023, LMU.

Das Wissenschaftsjahr wird vom Bundesministerium für Wissenschaft und Forschung gefördert. Die Veranstaltungen an der LMU finden in Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster ORIGINS und dem Munich Science Communication Lab (MSCL) statt. Im Audimax der LMU hatten die Initiatoren der Vortragsreihe Prof. Dr. Harald Lesch, Dr. Cecilia Scorza-Lesch, Dr. Arno Riffeser und Christine Freitag für ein lehrreiches und unterhaltsames Programm gesorgt.

Am Beginn stand eine musikalischen Einstimmung durch die von Mulo Francel und Didi Lowka 1996 gegründete Musikgruppe Quadro Nuevo.

Moderator Christoph Süß begrüßte anschließend die Anwesenden und führte durch die Veranstaltung. Der Studiendekan der Fakultät für Physik, Prof. Dr. Jochen Weller, richtete als Hausherr einige Worte an das Publikum, das den Veranstaltungsraum sehr umfänglich gefüllt hatte.

Es folgte ein animierender Vortrag, den Prof. Dr. Harald Lesch in routinierter und belebender Art und Weise absolvierte. Quasi im Husarenritt ging es durch Raum und Zeit, wurde die Verbindung zwischen Universum, seiner Geschichte und unserem Menschsein hergestellt. Für Prof. Dr. Harald Lesch nicht unüblich blieb nicht unerwähnt, dass die Naturgesetze nicht nur auf der Erde gelten, sondern überall im Universum in gleicher Art.

Überhaupt ist das das Thema der begonnenen Veranstaltungsreihe: „Die größte Geschichte aller Zeiten“ reicht von der Entstehung des Universums, der Ausbildung seiner Strukturen, über die Entstehung erster Sterne, die Bildung von Galaxien, Sonnensystemen und Planeten bis zur Ausbildung des Lebens auf dem Planeten Erde und schließlich dem Anthropozän, demjenigen Erdzeitalter, das durch die Einflussnahme des Menschen auf biologische, geologische und atmosphärische Prozesse gekennzeichnet ist.

Die weiteren Vortragenden und Themen, die behandelt werden sollen, stellten Prof. Dr. Harald Lesch und Christoph Süß am Schluss der vergnüglichen Auftaktveranstaltung vor.

Das gesamte Vortragsprogramm:

• 25. April 2023
  Auftaktveranstaltung
  19:30 Uhr im Audimax der LMU (A030, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Öffentliche Veranstaltung mit einem Vortrag von Prof. Dr. Harald Lesch zum Thema: „Was hat das Universum mit uns zu tun?“, Interviews und Gesprächen mit AstronomInnen und musikalischen Einlagen.
• 9. Mai 2023
  Was ist Zeit?
  von Prof. Dr. Harald Lesch
  19:30 im großen Physik-Hörsaal der LMU (N120, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Zum Auftakt beschäftigen uns zwei der grundlegendsten und rätselhaftesten Eigenschaften des ganzen Kosmos: das Sein und die Zeit. Was ist Zeit? Wie gehen die Naturwissenschaften historisch mit Zeit um? Wann hat sich die Rolle der Zeit in den Wissenschaften geändert? Hierzu gehören auch die Verfahren der historischen Rekonstruktion mittels der Annahme, dass die Naturgesetze überall und immer im Universum in der Weise gültig waren, wie sie es jetzt auf der Erde sind.
• 23. Mai 2023
  Wie begann das eigentlich alles? Die Geschichte vom Anfang des Universums
  von Prof. Dr. Jochen Weller
  19:30 im großen Physik-Hörsaal der LMU (N120, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Kosmologen versuchen die Anfänge des Universums mit modernen physikalischen Theorien zu modellieren und diese Modelle mit Beobachtungen zu überprüfen. Prof. Weller führt uns durch die Welt dieser Modelle und legt dar, welche astrophysikalischen Beobachtungen zu unserem modernen Weltbild geführt haben. Er stellt uns moderne Fragestellung, zum Beispiel nach dem Ursprung der beobachtenden Galaxienverteilung am Himmel, vor und wie diese Fragen mit Hilfe hochpräziser Instrumente beantwortet werden können. Uns erwartet eine spannende Reise in eine Welt, die nichts mit unseren Erfahrungen des Alltags gemein hat und trotzdem ihre Signaturen an unserem Himmel hinterlässt.
• 6. Juni 2023
  Am Anfang war Wasserstoff! Und was war davor?
  von Prof. Dr. Otmar Biebel
  19:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal der LMU (N120, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Viele chemische Elemente sind uns aus dem Alltag vertraut. Dabei können die schweren Elemente eine beeindruckende Geschichte ihrer Entstehung bei Sternexplosionen erzählen, während die meisten der leichten Elemente im Kern von Sternen erbrütet wurden. Wasserstoff und Helium bildeten sich als erste Elemente schon wenige Minuten nachdem unser Universum im Urknall entstanden ist.
  Aber es drängt sich eine Frage auf: Was war vor dem Wasserstoff?
  Mit modernsten Experimenten wurde und wird nach und nach aufgedeckt, wie schon wenige Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall die Zutaten für die Entstehung der ersten Elemente entstanden sind und wie sich daraus die Bausteine zum Aufbau dieser Elemente gebildet haben. Zwar sind noch nicht alle Fragen beantwortet und auch noch nicht alle Rätsel der ersten billionstel Sekunde unseres Universums gelöst. Doch die darauf folgenden Minuten der Entwicklung unseres Universums bis zur Entstehung der ersten Elemente kennen wir heute genau. Werden Sie zum Beobachter unseres Universums, wenn wir seine Entwicklungsgeschichte bis zur Entstehung der ersten Elemente Revue passieren lassen.
• 28. Juni 2023
  Eine Virtuelle Tour durch unser Universum
  von Dr. Klaus Dolag
  19:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal der LMU (N120, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Kosmologische Simulationen spielen Heutzutage eine bedeutende Rolle in der Erforschung der Strukturen im Universum und deren Bildung. Die Verwendung moderner Hochleistungsrechner erlauben, durch die mit ihrer Hilfe durchgeführten Berechnungen, theoretische Vorhersagen über die Verteilung und den Zustand der normalen, sowie der dunkle Materie im Universum. Die aktuellen Generationen derartiger Simulationen berücksichtigen eine große Bandbreite an physikalischen Prozessen und kommen damit der Realität des Universums während der gesamten Epoche der Strukturbildung sehr nahe. So liefern Beispielsweise die beobachteten, oftmals sehr eindrucksvollen Bilder von kollidierenden Galaxien schon einen Hinweis, auf welche spektakuläre Art und Weise sich Objekte in unserem Universum bilden. Das virtuelle Universum aus unseren Computern erlaubt es sogar, dies zu verfolgen, während es passiert. In einer Führung durch solche, am Computer erzeugten, virtuellen Universen bekommen sie Einsichten in die Entwicklung des Universums und dessen Strukturen, sowie die Methoden, mit denen sie erstellt wurden.
• 4. Juli 2023
  Galaxien und der kosmische Zyklus des Lebens
  von Prof. Dr. Andreas Burkert
  19:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal der LMU (N120, Geschwister-Scholl-Platz 1)
  Galaxien, wie unsere Milchstrasse, sind die Welteninseln des Kosmos. In ihnen läuft der kosmische Zyklus des Lebens ab, dem wir unsere Existenz verdanken. Im Urknall entstanden nur die leichtesten Elemente, Wasserstoff und Helium. In den Galaxien entstehen aus diesem Urstoff dichte Gaswolken, die Geburtsstätten der Sterne. Die massereichen Sterne wandeln diese Atome des Urknalls in ihren heißen Zentren in schwerere Elemente um. Dabei entstehen auch die Bausteine des Lebens und der Erde. Am Ende ihrer Entwicklung explodieren diese Sterne als Supernovae und schleudern dabei den in ihrem Inneren produzierten Sternenstaub hinaus in die galaktische Umgebung. Daraus entstehen nun neue Gaswolken und in ihnen die nächste Generation von Sternen und nun auch, aus dem Sternenstaub, Planeten und, zumindest in einem Fall, Leben. Wir sind Sternenstaub.

Der Vortrag der Auftaktveranstaltung in bewegten Bildern bei Urknall, Weltall und das Leben:

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• Vortragsreihe: Die größte Geschichte aller Zeiten

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Quelle: Technische Universität München 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Einem Forschungsteam unter Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die Überlebensrate von Antihelium-Kernen aus den Tiefen der Galaxis zu bestimmen – eine notwendige Voraussetzung für die indirekte Suche nach Dunkler Materie.

Hinweise auf Dunkle Materie gibt es viele. Daraus, wie sich Galaxien in Galaxienhaufen bewegen, oder wie schnell Sterne um das Zentrum einer Galaxie kreisen, lässt sich errechnen, dass sehr viel mehr Masse vorhanden sein muss als jene, die sichtbar ist. Unser Milchstraßensystem beispielsweise besteht zu rund 85 Prozent aus einer Substanz, die nicht sichtbar ist und sich nur durch ihre Gravitationswirkung bemerkbar macht. Ein direkter Nachweis dieser Materie ist bis heute noch nicht gelungen.

Mehrere theoretische Modelle für Dunkle Materie gehen davon aus, dass sie aus Teilchen bestehen könnte, die schwach untereinander wechselwirken. Dabei entstehen Antihelium-3-Kerne, die aus zwei Antiprotonen und einem Antineutron bestehen. Auch bei hochenergetischen Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und gewöhnlicher Materie wie Wasserstoff und Helium entstehen diese Kerne – allerdings mit anderen Energien, als es bei der Wechselwirkung Dunkler-Materie-Teilchen der Fall sein müsste.

Bei beiden Prozessen haben die Antiteilchen ihren Ursprung in den Tiefen der Galaxis, mehrere 10.000 Lichtjahre entfernt von uns. Nach ihrer Entstehung macht sich ein Teil von ihnen auf den Weg zu uns. Wie viele der Teilchen diese Reise unbeschadet überstehen und als Boten ihres Entstehungsprozesses in die Nähe der Erde gelangen, wird über die Durchlässigkeit oder Transparenz der Milchstraße für Antihelium-Kerne bestimmt. Bislang konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen Wert nur grob abschätzen. Eine bessere Eingrenzung der Transparenz, ein Maß für die Anzahl und Energien von Antikernen, ist allerdings wichtig für die Interpretation zukünftiger Antihelium-Messungen.

Teilchenbeschleuniger LHC als Antimateriefabrik
Forschende der ALICE-Kollaboration führten nun Messungen durch, mit denen sie die Transparenz erstmals genauer festlegen konnten. ALICE steht für A Large Ion Collider Experiment und ist eines der größten Experimente der Welt, um die Physik auf den kleinsten Längenskalen zu erforschen. ALICE ist Teil des Large Hadron Colliders (LHC) am CERN.

Am LHC lassen sich große Mengen an leichten Antikernen wie Antihelium erzeugen. Zu diesem Zweck werden jeweils Protonen und Blei-Atome auf Kollisionskurs gebracht. Bei den Zusammenstößen entstehen Teilchenschauer, die der Detektor des ALICE-Experiments aufzeichnet. Dank mehrerer Teilsysteme des Detektors können die Forschenden dann die entstandenen Antihelium-3-Kerne nachweisen und ihre Spur im Detektormaterial verfolgen. So lässt sich quantifizieren, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Antihelium-3-Kern mit dem Detektormaterial wechselwirkt und verschwindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der TUM und des Exzellenzclusters ORIGINS haben maßgeblich zur Analyse der experimentellen Daten beigetragen.

Galaxis durchlässig für Antikerne
Mithilfe von Simulationen konnten die Forschenden die Ergebnisse aus dem ALICE-Experiment auf die gesamte Galaxis übertragen. Das Resultat: Etwa die Hälfte der Antihelium-3-Kerne, die bei der Wechselwirkung von Teilchen der Dunklen Materie entstehen soll, würde die erdnahe Umgebung erreichen. Unsere Milchstraße ist somit zu 50 Prozent durchlässig für diese Antikerne. Für Antikerne, die durch Kollisionen von kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium entstehen, variiert die erhaltene Transparenz von 25 bis 90 Prozent mit zunehmendem Antihelium-3-Impuls. Diese Antikerne lassen sich jedoch von jenen, die aus Dunkler Materie entstehen, aufgrund ihrer höheren Energie unterscheiden.

„Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre Analyse, die zeigt, wie Messungen an Beschleunigern direkt mit der Untersuchung der kosmischen Strahlung im Weltraum verbunden werden können“, sagt ORIGINS Wissenschaftlerin Prof. Laura Fabbietti von der TUM School of Natural Sciences. Die Ergebnisse vom ALICE Experiment am LHC sind von großer Bedeutung für die Suche nach Antimaterie im Weltraum mit dem AMS-02 Modul (Alpha Magnetic Spectrometer) auf der internationalen Raumstation ISS. Ab 2025 wird dann das GAPS-Ballonexperiment über der Arktis die ankommende kosmische Strahlung auf Antihelium-3 untersuchen.

Weitere Informationen:
An den Arbeiten zur Antihelium-3-Wechselwirkung unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Fabbietti waren Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Alejandro Ibarra an der TUM sowie Dr. Andrew Strong am Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik beteiligt. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster ORIGINS, EXC 2094 – 390783311 und den Sonderforschungsbereich SFB1258 gefördert sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Originalpublikation:
ALICE Collaboration: Measurement of anti-3He nuclei absorption in matter and impact on their propagation in the Galaxy, Nature Physics.
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01804-8

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• Dunkle Materie

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS 22. Juni 2022.

22. Juni 2022 – Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch den Einsatz einer neuen Methode: Dabei wurden ein radioaktiver neutronenreicher ⁸He-Strahl und eine schnelle hochenergetische Reaktion mit einem Proton eingesetzt.

Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration waren neben der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters ORIGINS auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt, des RIKEN Nishina Centers sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Verwandtschaft im Universum
Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen – den beiden sogenannten Isospin-Zuständen des Nukleons. Gebundene Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind, wurden bisher noch nie eindeutig nachgewiesen. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronensterne. Dabei handelt es sich um Endstadien der Sternentwicklung mit einem typischen Durchmesser von etwa zehn Kilometer. Diese Sterne sind stabil (gebunden) durch die Gravitation, die zu einer sehr hohen Neutronendichte im Inneren der Sternleichen führt. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit Präferenz eine vergleichbare Zahl an Neutronen und Protonen zu binden – das ist bekannt von den stabilen Kernen, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.

Die Erforschung von reinen Neutronen-Systemen ist aber von großer Bedeutung, da sich nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung gewinnen lassen. Die Erforschung der bisher hypothetischen Teilchen könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als Resonanzzustände oder gar gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das internationale Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet.

Referenzwert für die Theorie
„Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von Isospin-reinen Nukleonen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne. Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen“, berichtet Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt.

Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar, da es keine Möglichkeit gibt ein Neutronen-Target herzustellen. Um nun ein Multi-Neutronen-System in einem Volumen zu erzeugen, so dass die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10^-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, müssen Reaktionen eingesetzt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Neutronen mit anderen Teilchen, die an der Reaktion beteiligt sind, im Endzustand wechselwirken, was wiederum das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht. Die Forschenden haben diese Schwierigkeit durch den Einsatz eines hochenergetischen ⁸He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen, das von vier Neutronen umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer schnellen Reaktion mit großem Impulsübertrag durch Stoß mit einem Proton des Flüssigwasserstoff-Targets aus dem ⁸He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und alleine und können untereinander wechselwirken.

Eine geniale Idee
„Nur eine optimale Verbindung unterschiedlicher Faktoren haben die erfolgreiche Entdeckung des Tetra-Neutrons möglich gemacht. Da ist die geniale Idee genau die richtige Reaktion zu wählen, die weltweit leistungsfähigste Anlage für leichte exotische Strahlen, ein Experimentaufbau der genau für diese Reaktion entwickelt und optimiert wurde, und nicht zuletzt ein Team aus begeisterten Wissenschaftlern die sich zu 100 Prozent mit der Aufgabe identifizieren“, führt ORIGINS PI Dr. Roman Gernhäuser des Zentralen Technologielabors am Physik Department der TUM aus.

Die Arbeit zur Entdeckung des Tetra-Neutrons wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 und dem Exzellenzcluster ORIGINS, EXC-2094 – 390783311 gefördert.

Publikation
M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser et al.: „Observation of a four-neutron resonance“, Nature (2022), doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Exzellenzcluster ORIGINS 15. Juni 2022.

15. Juni 2022 – Die Super-Erden wurden vor kurzem von einem internationalen Forschungsteam entdeckt, zu dem auch Dr. Karan Molaverdikhani aus der Arbeitsgruppe von ORIGINS PI Prof. Barbara Ercolano zählt. Leben ist zwar auf diesen beiden Exoplaneten eher unwahrscheinlich, sie gehören allerdings zu aussichtsreichen Kandidaten für die Beobachtungsliste des James-Webb-Weltraumteleskops – dieses soll die Atmosphären der beiden Super-Erden spektroskopisch untersuchen.

Mit Hilfe des Planetenjägers der NASA, dem „Transiting Exoplanet Survey Satellite“ (TESS), entdeckten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die zwei Geschwisterplaneten HD 260655 b und HD 260655 c, die einen nur 33 Lichtjahre entfernten, hellen, roten Zwergstern umkreisen. TESS findet Exoplaneten, indem es nach „Transits“ Ausschau hält. Dieser winzige Abfall des Sternenlichts, wenn ein Planet vor seinem Stern vorbeizieht, gibt Aufschluss über den Durchmesser des Planeten. Die Forscher nutzten auch Daten von bodengestützten Spektrographen, wie CARMENES am 3,5-Meter-Teleskop auf dem Calar Alto in Spanien, um die Existenz der beiden neuen Planeten zu bestätigen. Die Teleskope messen das „Taumeln“ eines Sterns, welches durch die Gravitationskräfte der ihn umkreisenden Planeten verursacht wird, und aus dem sich die Masse der Planeten errechnen lässt.

Heiße Welten
Aus der Kombination der Messungen konnten die Forschenden die Dichte der beiden Planeten bestimmen und bestätigten somit, dass es sich um felsige Welten handelt, die nicht nur geringfügig größer massereicher als die Erde sind. Planet b ist etwa 1,2-mal und Planet c 1,5-mal so groß wie die Erde. Allerdings ist es eher unwahrscheinlich, dass die beiden Welten Leben beherbergen, da sie beide viel zu heiß sind. Die Temperatur auf Planet b, der dem Wirtsstern am nächsten ist, wird auf 435° C geschätzt. Und selbst auf Planet c, erreicht die Temperaturskala etwa 284° C. Die Messungen deuten dabei darauf hin, dass die Planeten keine ausgedehnten Wasserstoffatmosphären besitzen.

„Die von uns neu entdeckten Planeten sind aufgrund der relativ hohen scheinbaren Helligkeit des Wirtssterns hervorragende Ziele für weitere atmosphärische Studien“, erläutert Karan Molaverdikhani von der Universitätssternwarte der Ludwig-Maximilians-Universität München. „Mit 33 Lichtjahren sind die Planeten uns relativ nah. Ihr Stern ist zwar kleiner als unsere Sonne, aber einer der hellsten seiner Klasse“, führt Molaverdikhani weiter aus. Diese und andere Faktoren erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass das James-Webb-Weltraumteleskop und vielleicht sogar das Hubble-Weltraumteleskop Licht des Sterns einfangen können, welches durch die Atmosphären dieser Planeten scheint. Spektroskopische Untersuchungen werden es dem Wissenschaftsteam ermöglichen, Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Struktur ihrer Atmosphären zu ziehen und Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie das Klima auf terrestrischen Planeten im Allgemeinen funktioniert, einschließlich unseres eigenen.

Publikation
Luque et al “The HD 260655 system: Two rocky worlds transiting a bright M dwarf at 10 pc”, A&A
https://arxiv.org/abs/2204.10261
pdf: https://arxiv.org/pdf/2204.10261

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• Exoplaneten

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Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München.

Das Weltraumteleskop Twinkle analysiert ab dem Jahr 2024 Exoplaneten durch Beobachtung des Sternenlichts, das durch ihre Atmosphären gefiltert wird. Dabei wird die Spektroskopie im sichtbaren und infraroten Bereich (0,5 bis 4,5 Mikrometer) helfen. Es wird die erste Mission sein, die eine systematische Untersuchung von mehreren hundert Exoplaneten-Atmosphären durchführt.

Die von der Mission gesammelten Daten sollen dabei helfen, bestimmte Substanzen auf Exoplaneten aufzuspüren, die Hinweise auf die Möglichkeit außerirdischen Lebens liefern könnten. Zu diesen Substanzen gehören Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff und organische Moleküle wie Methan, Acetylen, Ethylen, Ethan, Cyanwasserstoff, Ammoniak und Phosphin.

Zusammenhang zwischen Planetenbildung und probiotischen Molekülen
Die experimentelle Analyse der Atmosphären durch Twinkle ist eine wertvolle Ergänzung zum Forschungsspektrum des Exzellenzclusters ORIGINS, an dem die LMU beteiligt ist. „Wir suchen unter anderem nach dem Zusammenhang zwischen der Planetenbildung und der Entstehung der ersten präbiotischen Moleküle und fahren dazu verschiedene wissenschaftliche Programme“, erklärt Prof. Barbara Ercolano von der Universitätssternwarte der LMU und federführende Wissenschaftlerin des ORIGINS Clusters. „Als Gründungsmitglied der Twinkle-Mission können wir als ORIGINS Cluster das wissenschaftliche Programm dieser Weltraummission vor dem Start maßgeblich mitgestalten“, führt die Planetenforscherin weiter aus. Zum Kernteam gehören unter anderem auch Prof. Thomas Preibisch, Prof. Til Birnstiel und Dr. Arno Riffeser.

Wissenschaftliche Fragestellungen
Die wissenschaftlichen Fragestellungen von ORIGINS umfassen:

• Was sind die thermochemischen Eigenschaften von Planetenatmosphären und wie werden sie von der Strahlung ihres Muttersterns beeinflusst?
• Auf welchen Zeitskalen werden Exoplaneten-Atmosphären durch besonders starke oder harte Strahlung des Sterns zerstört?
• Welches chemische Inventar besitzen die Exoplaneten für die Entstehung von Leben?

Twinkle ist die erste Mission von Blue Skies Space Ltd, einem in England und Wales eingetragenen Unternehmen. Blue Skies Space wird durch eine Kombination aus privaten und öffentlichen Quellen finanziert, darunter die UK Space Agency (UKSA), die European Space Agency (ESA) und weitere wissenschaftliche Institutionen.

Planetenforscherin Barbara Ercolano zur Weltraummission Twinkle:

The Twinkle Space Mission (Blue Skies Space Ltd./Twinkle mission):

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• Exoplaneten

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS.

Monde sternenloser Planeten können eine Atmosphäre haben und flüssiges Wasser speichern. Münchner Astrophysiker haben berechnet, dass die Wassermenge ausreicht, um Leben auf diesen wandernden Mond-Planeten-Systemen zu ermöglichen und zu erhalten.

Wasser ist ein Lebenselixier. Aus ihm entstand auf der Erde Leben und gleichzeitig erhält es das Leben aufrecht. Daher suchen Wissenschaftler nach anderen Wasservorkommen im Universum. Jenseits der Erde konnte allerdings die Existenz von Flüssigwasser noch nicht direkt belegt werden. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass einige Monde in unserem äußeren Sonnensystem unter ihrer Oberfläche Ozeane aus flüssigem Wasser beherbergen könnten. Dazu gehören beispielsweise der Saturnmond Enceladus und die Jupitermonde Ganymed, Kallisto und Europa – wie sieht es aber mit Wasservorkommen auf Monden außerhalb unseres Sonnensystems aus?

Die Physiker des Exzellenzclusters ORIGINS, Prof. Barbara Ercolano und Dr. Tommaso Grassi von der LMU München, untersuchten daher in Kooperation mit der University of Concepsion in Chile mit mathematischen Methoden, ob sich Wasser auf einem Mond bilden kann, der einen freischwebenden Planeten (FFP) umkreist. Ein FFP (free-floating planet) bezeichnet einen Planeten, der von einem Stern losgelöst ist und in der Galaxie umherwandert.

Mehr als 100 Milliarden nomadenhafte Planeten
Und von diesen FFPs gibt es viele. Konservative Schätzungen legen nahe, dass es in der Milchstraße mindestens einen sternenlosen Planeten von der Größe des Jupiters pro Stern geben könnte. Bei weit über 100 Milliarden Sternen in unserer Galaxie wandern demnach weit mehr als 100 Milliarden solcher Planeten umher.

Das Ergebnis der Berechnungen zeigt, dass die Wassermenge auf einem erdgroßen Mond rund ein zehntausendstel kleiner ist als in den Ozeanen der Erde, aber hundertfach so groß ist wie die Menge an Wasser in der Erdatmosphäre. Diese Menge an Wasser reicht aus um das Leben zu ermöglichen und zu erhalten.

Das Modell für die Berechnungen der Wissenschaftler besteht aus einem erdgroßen Mond, der um einen jupitergroßen Planeten kreist. Diese umherwandernden Mond-Planetensysteme leben quasi „in der Dunkelheit“, da sie weit von relevanten stellaren Objekten entfernt sind. Als „chemischer Antrieb“ und als Wärmequelle kann daher keine Sonne dienen, wie es bei unserer Erde der Fall ist.

Kosmische Strahlung und Gezeitenkräfte übernehmen das Ruder
Vielmehr übernimmt in dem Modell der Forscher die kosmische Strahlung den chemischen Antrieb, der notwendig ist, um molekularen Wasserstoff und Kohlendioxid in Wasser und andere Produkte umzuwandeln. Als Wärmequelle fungieren die Gezeitenkräfte, die der Planet auf den Mond ausübt. Sie erzeugen genügend Energie, um das Wasser in flüssiger Struktur zu erhalten. Die zu 90 Prozent aus Kohlendioxid bestehende Atmosphäre speichert mit Hilfe des Treibhauseffekts einen Großteil der Wärme auf dem Mond.

Originalpublikation:
Presence of water on exomoons orbiting free-floating planets: a case study. In: International Journal of Astrobiology, 8. Juni 2021.

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• Die Suche nach Exomonden

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