Quelle: AIP 12. Dezember 2023.

12. Dezember 2023 – Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen, die kosmische Strahlung, für das er Jahre später den Nobelpreis erhielt. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und stellte fest, dass nicht die Radioaktivität vom Erdboden die Atmosphäre ionisiert, sondern der Ursprung der Ionisation außerhalb der Erde liegt. In den folgenden Jahren wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltall bestehen, die fast so schnell wie das Licht sind, und keine Strahlung darstellen. Der Name „kosmische Strahlung“ überdauerte diese Erkenntnisse jedoch.

In der vorliegenden Arbeit haben Dr. Mohamad Shalaby, Wissenschaftler am AIP und der Hauptautor dieser Studie, und seine Kolleginnen und Kollegen numerische Simulationen durchgeführt, um die Flugbahnen vieler Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie diese mit dem sie umgebenden Plasma aus Elektronen und Protonen wechselwirken. Als die Forschenden kosmische Strahlen analysierten, die von einer Seite der Simulation zur anderen flogen, entdeckten sie ein neues Phänomen, das elektromagnetische Wellen im Hintergrundplasma anregt. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmischen Strahlen aus, die ihre Flugbahnen verändert.

Dieses neue Phänomen lässt sich am einfachsten verstehen, wenn man die kosmischen Strahlen nicht als einzelne Teilchen betrachtet, sondern als elektromagnetische Welle, in welcher diese kosmischen Teilchen gemeinsam schwingen. Indem diese Welle mit den Eigenschwingungen im Hintergrund wechselwirkt, werden sie verstärkt und es findet ein Energieübertrag statt. „Diese Erkenntnis erlaubt es uns, die kosmische Strahlung in diesem Zusammenhang als Strahlung und nicht als einzelne Teilchen zu betrachten, so wie es ursprünglich von Victor Hess angenommen wurde“, bemerkt Professor Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP. Eine gute Analogie für das Verhalten sind einzelne Wassermoleküle, die gemeinsam eine Welle bilden, die sich am Ufer bricht. „Dieser Fortschritt kam nur durch die Berücksichtigung kleinerer Skalen zustande, die bisher übersehen wurden, und stellt die Verwendung effektiver hydrodynamischer Theorien bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage“, erklärt Dr. Mohamad Shalaby.

Für die neu entdeckte Plasmainstabilität gibt es viele Anwendungen, unter anderem eine erste Erklärung für die Beschleunigung von Elektronen aus dem thermischen interstellaren Plasma zu sehr hohen Energien an Supernovaüberresten. „Diese neu gefundene Plasmainstabilität stellt einen Quantensprung in unserem Verständnis des Beschleunigungsprozesses dar und erklärt endlich, warum Supernovaüberreste im Radio- und Gammastrahlenbereich leuchten“, berichtet Mohamad Shalaby. Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse des Transports der kosmischen Strahlung in Galaxien, der bisher das größte Mysterium in unserem Verständnis der Entwicklung von Galaxien darstellt.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Wissenschaftliche Publikationen

• Deciphering the physical basis of the intermediate-scale instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, R. Lemmerz, V. Bresci, 2023, JPP Letters, arXiv:2305.18050, DOI:10.1017/S0022377823001289
• The mechanism of efficient electron acceleration at parallel non-relativistic shocks
  M. Shalaby, R. Lemmerz, T. Thomas, C. Pfrommer, 2022, ApJ, 932, 86, arXiv:2202.05288
• A new cosmic ray-driven instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, 2021, ApJ, 908, 206, arXiv:2010.11197

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• Kosmische Strahlung

Der Beitrag Plasmainstabilität gibt Aufschluss über Ursprung der kosmischen Strahlung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESO, 26. April 2023.

Die meisten Galaxien beherbergen ein supermassereiches schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Schwarze Löcher sind zwar dafür bekannt, dass sie Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung verschlingen, aber sie können auch gewaltige Materieströme ausstoßen, die über die Galaxien hinausreichen, in denen sie sich befinden. Wie Schwarze Löcher solche gewaltigen Jets erzeugen, stellt seit langem eine Herausforderung für die Astronomie dar. „Wir wissen, dass Jets aus den Regionen um schwarze Löcher herausgeschleudert werden“, sagt Ru-Sen Lu vom Shanghai Astronomical Observatory in China, „aber wir verstehen immer noch nicht ganz, wie das eigentlich geschieht. Für eine direkte Untersuchung müssen wir den Ursprung des Jets so nah wie möglich am schwarzen Loch beobachten.“

Das neue Bild, das heute veröffentlicht wurde, zeigt exakt dies zum ersten Mal: nämlich wie sich die Basis eines Jets mit der Materie verbindet, die um ein supermassereiches schwarzes Loch herumwirbelt. Das Ziel ist die Galaxie M87, die sich 55 Millionen Lichtjahre entfernt in unserer kosmischen Nachbarschaft befindet und ein schwarzes Loch beherbergt, das 6,5 Milliarden Mal massereicher ist als unsere Sonne. Bei früheren Beobachtungen war es gelungen, die Region in der Nähe des schwarzen Lochs und den Jet separat abzubilden, aber dies ist das erste Mal, dass beide Merkmale gemeinsam zu sehen waren. „Diese neue Aufnahme vervollständigt das Bild, indem sie die Region um das schwarze Loch und den Jet gleichzeitig zeigt“, fügt Jae-Young Kim vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland hinzu.

Dieses Bild zeigt den Jet und den Schatten des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 zum ersten Mal gleichzeitig. Die Beobachtungen wurden mit Teleskopen des Global Millimeter VLBI Array (GMVA), des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und des Grönland-Teleskops gemacht. Dieses Bild gibt den Wissenschaftlern den nötigen Rahmen, um zu verstehen, wie sich der mächtige Jet bildet. Die neuen Beobachtungen haben auch gezeigt, dass der Ring des schwarzen Lochs, der hier im Bildausschnitt zu sehen ist, 50 % größer ist als der Ring, der bei kürzeren Radiowellenlängen vom Event Horizon Telescope (EHT) beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass wir auf dem neuen Bild mehr von dem Material sehen, das auf das schwarze Loch zufällt, als wir mit dem EHT sehen konnten.

Das Bild wurde mit dem GMVA, ALMA und dem GLT aufgenommen, die ein Netzwerk von Radioteleskopen rund um den Globus bilden, das wie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde zusammenarbeitet. Ein solch großes Netzwerk kann sehr kleine Details in der Region um das schwarze Loch von M87 erkennen.

Das neue Bild zeigt den Jet, der in der Nähe des schwarzen Lochs entsteht, sowie den sogenannten Schatten des schwarzen Lochs. Wenn die Materie das schwarze Loch umkreist, erwärmt sie sich und strahlt Licht ab. Das schwarze Loch beugt und fängt einen Teil dieses Lichts ein, sodass von der Erde aus gesehen eine ringförmige Struktur um das schwarze Loch entsteht. Die Dunkelheit in der Mitte des Rings ist der Schatten des schwarzen Lochs, der erstmals 2017 vom Event Horizon Telescope (EHT) abgebildet wurde. Sowohl dieses neue Bild als auch das des EHT kombinieren Daten, die mit mehreren Radioteleskopen weltweit aufgenommen wurden. Das heute veröffentlichte Bild zeigt jedoch Radiostrahlung mit einer größeren Wellenlänge als das des EHT: 3,5 mm anstelle von 1,3 mm. „Bei dieser Wellenlänge können wir sehen, wie der Jet aus dem Emissionsring um das zentrale supermassereiche schwarze Loch austritt“, sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR.

Wissenschaftler, die den kompakten Radiokern von M87 beobachteten, haben neue Details über das supermassereiche schwarze Loch in der Galaxie entdeckt. In dieser künstlerischen Darstellung ist der gewaltige Jet des schwarzen Lochs zu sehen, der aus seinem Zentrum aufsteigt. Die Beobachtungen, auf denen diese Illustration basiert, zeigen zum ersten Mal eine gemeinsame Abbildung des Jets und des Schattens des schwarzen Lochs und geben den Wissenschaftlern neue Einblicke in die Art und Weise, wie schwarze Löcher diese starken Jets ausstoßen können.

Messier 87 (M87) ist eine riesige elliptische Galaxie, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau befindet. Sie wurde 1781 von Charles Messier entdeckt, aber erst im 20. Jahrhundert als Galaxie identifiziert. Mit der doppelten Masse unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, und mit bis zu zehnmal mehr Sternen, gehört sie zu den größten Galaxien im nahen Universum. Neben seiner Größe hat M87 einige sehr einzigartige Eigenschaften. So enthält sie beispielsweise eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Kugelhaufen: Während unsere Milchstraße weniger als 200 enthält, hat M87 etwa 12.000. Diese Menge, so die Theorie einiger Wissenschaftler, hat sie von ihren kleineren Nachbarn entnommen.

Wie bei allen anderen großen Galaxien hat auch M87 im Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch. Die Masse eines solchen schwarzen Lochs steht im Zusammenhang mit der Masse der gesamten Galaxie, so dass es nicht verwunderlich sein sollte, dass das schwarze Loch von M87 eines der massereichsten ist, die man kennt. Das schwarze Loch könnte auch eines der energiereichsten Merkmale der Galaxie erklären: einen relativistischen Materiejet, der fast mit Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird. Das schwarze Loch war Gegenstand von revolutionären Beobachtungen durch das Ereignishorizontteleskop. Das EHT wählte das Objekt als Ziel seiner Beobachtungen aus zwei Gründen. Die Auflösung des EHT ist zwar unvorstellbar, aber auch sie hat ihre Grenzen. Da massereichere schwarze Löcher auch einen größeren Durchmesser haben, stellte das zentrale schwarze Loch von M87 ein ungewöhnlich großes Ziel dar – was bedeutet, dass es leichter abgebildet werden konnte als kleinere schwarze Löcher in der Nähe. Der andere Grund für seine Wahl war jedoch entschieden irdischer. M87 erscheint von unserem Planeten aus gesehen ziemlich nah am Himmelsäquator, was es in den meisten Regionen der nördlichen und südlichen Hemisphäre sichtbar macht. Dadurch wurde die Anzahl der Teleskope im EHT, die es beobachten konnten, maximiert und die Auflösung des endgültigen Bildes erhöht.

Dieses Bild wurde von FORS2 am Very Large Telescope der ESO im Rahmen des Cosmic Gems-Programms aufgenommen, einer Outreach-Initiative, die mit Hilfe von ESO-Teleskopen Bilder von interessanten, faszinierenden oder visuell attraktiven Objekten für die Zwecke der Bildung und Öffentlichkeitsarbeit produziert. Das Programm verwendet Teleskopzeit, die nicht für wissenschaftliche Beobachtungen genutzt werden kann, und liefert beeindruckende Bilder von einigen der markantesten Objekte am Nachthimmel. Für den Fall, dass die gesammelten Daten für zukünftige wissenschaftliche Zwecke nützlich sein sollten, werden diese Beobachtungen gespeichert und den Astronomen über das ESO Science Archive zur Verfügung gestellt.

Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassereiches schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Diese dünne Scheibe aus rotierendem Material besteht aus den Überresten eines sonnenähnlichen Sterns, der durch die Gezeitenkräfte des schwarzen Lochs auseinander gerissen wurde. Das schwarze Loch ist beschriftet und zeigt die Anatomie dieses faszinierenden Objekts.

Diese Aufsuchkarte zeigt die Position der großen Galaxie Messier 87 im Sternbild Virgo (die Jungfrau). Die Karte zeigt die meisten unter guten Bedingungen mit bloßem Auge sichtbaren Sterne.

Die Größe des vom GMVA-Netzwerk beobachteten Rings ist im Vergleich zum Bild des Event Horizon Telescope etwa 50 % größer. „Um den physikalischen Ursprung des größeren und dickeren Rings zu verstehen, mussten wir Computersimulationen verwenden, in denen wir verschiedene Szenarien getestet haben“, erklärt Keiichi Asada von der Academia Sinica in Taiwan. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue Bild mehr von dem Material zeigt, das auf das schwarze Loch zufällt, als das, was mit dem EHT beobachtet werden konnte.

Diese neuen Beobachtungen des schwarzen Lochs von M87 wurden 2018 mit dem GMVA durchgeführt, das aus 14 Radio-Teleskopen in Europa und Nordamerika besteht ^[1]. Darüber hinaus wurden zwei weitere Einrichtungen mit dem GMVA verbunden: das Greenland Telescope und ALMA, an dem die ESO beteiligt ist. ALMA besteht aus 66 Antennen in der chilenischen Atacama-Wüste und spielte eine Schlüsselrolle bei diesen Beobachtungen. Die von all diesen Teleskopen weltweit gesammelten Daten werden mit einer Technik namens Interferometrie kombiniert, bei der die von jeder einzelnen Einrichtung aufgenommenen Signale synchronisiert werden. Um die tatsächliche Form eines astronomischen Objekts richtig zu erfassen, ist es jedoch wichtig, dass die Teleskope über die ganze Erde verteilt sind. Die GMVA-Teleskope sind zumeist von Osten nach Westen ausgerichtet, sodass sich die Hinzunahme von ALMA auf der südlichen Hemisphäre als unerlässlich erwies, um dieses Bild des Jets und des Schattens des schwarzen Lochs von M87 aufzunehmen. „Dank des Standorts und der Empfindlichkeit von ALMA konnten wir den Schatten des schwarzen Lochs sichtbar machen und gleichzeitig tiefer in die Emission des Jets blicken“, erklärt Lu.

Zukünftige Beobachtungen mit diesem Netzwerk von Teleskopen werden weiter ergründen, wie supermassereiche schwarze Löcher starke Jets ausstoßen können. „Wir planen, die Region um das schwarze Loch im Zentrum von M87 bei verschiedenen Radiowellenlängen zu beobachten, um die Emission des Jets weiter zu untersuchen“, sagt Eduardo Ros vom MPIfR. Solche gleichzeitigen Beobachtungen würden es dem Team ermöglichen, die komplizierten Prozesse, die in der Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs ablaufen, auseinander zu halten. „Die kommenden Jahre werden spannend sein, denn wir werden mehr darüber erfahren, was in der Nähe einer der geheimnisvollsten Regionen des Universums passiert“, resümiert Ros.

Endnote ^[1]: Das koreanische VLBI-Netzwerk ist jetzt auch Teil der GMVA, hat sich aber nicht an den hier berichteten Beobachtungen beteiligt.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in der Publikation „A ring-like accretion structure in M87 connecting its black Loch and jet“ vorgestellt, die in Nature erscheint (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

Für diese Forschung wurden Daten verwendet, die mit dem Global Millimeter VLBI Array (GMVA) gewonnen wurden, das aus Teleskopen besteht, die vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), dem Onsala Space Observatory (OSO), dem Metsähovi Radio Observatory (MRO), Yebes, dem Korean VLBI Network (KVN), dem Green Bank Telescope (GBT) und dem Very Long Baseline Array (VLBA) betrieben werden.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Nachrüstung, der Umbau und der Betrieb des Greenland Telescope (GLT) werden von der Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) geleitet.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Links

• Forschungsartikel
• Fotos von ALMA

Das Team
Das Team besteht aus Ru-Sen Lu (Shanghai Astronomical Observatory, Volksrepublik China [Shanghai]; Key Laboratory of Radio Astronomy, People’s Republic of China [KLoRA]; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland [MPIfR]), Keiichi Asada (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan, ROC [IoAaA]), Thomas P. Krichbaum (MPIfR), Jongho Park (IoAaA; Korea Astronomy and Space Science Institute, Republic of Korea [KAaSSI]), Fumie Tazaki (Simulation Technology Development Department, Tokyo Electron Technology Solutions Ltd, Japan; Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Japan [Mizusawa]), Hung-Yi Pu (Department of Physics, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC; IoAaA; Center of Astronomy and Gravitation, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC), Masanori Nakamura (National Institute of Technology, Hachinohe College, Japan; IoAaA), Andrei Lobanov (MPIfR), Kazuhiro Hada (Mizusawa; Department of Astronomical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kazunori Akiyama (Black Hole Initiative at Harvard University, USA; Massachusetts Institute of Technology Haystack Observatory, USA [Haystack]; National Astronomical Observatory of Japan, Japan [NAOoJ]), Jae-Young Kim (Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Republic of Korea; KAaSSI; MPIfR), Ivan Marti-Vidal (Departament d’Astronomia i Astrofísica, Universitat de València, Spanien; Observatori Astronòmic, Universitat de València, Spanien), Jose L. Gomez (Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, Spanien [IAA]), Tomohisa Kawashima (Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Japan), Feng Yuan (Shanghai; Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China; School of Astronomy and Space Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China [SoAaSS]), Eduardo Ros (MPIfR), Walter Alef (MPIfR), Silke Britzen (MPIfR), Michael Bremer (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Frankreich [IRAMF]), Avery E. Broderick (Fachbereich Physik und Astronomie, Universität Waterloo, Kanada [Waterloo]; Waterloo Centre for Astrophysics, Universität Waterloo, Kanada; Perimeter Institute for Theoretical Physics, Kanada), Akihiro Doi (The Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Japan; Department of Space and Astronautical Science, SOKENDAI, Japan [SOKENDAI]), Gabriele Giovannini (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italien; Istituto di Radio Astronomia, INAF, Bologna, Italien [INAF]), Marcello Giroletti (INAF), Paul T. P. Ho (IoAaA), Mareki Honma (Mizusawa; Hachinohe; Department of Astronomy, The University of Tokyo, Japan), David H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Mexiko), Makoto Inoue (IoAaA), Wu Jiang (Shanghai), Motoki Kino (NAOoJ; Kogakuin University of Technology and Engineering, Japan), Shoko Koyama (Niigata University, Japan; IoAaA), Michael Lindqvist (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Schweden [Chalmers]), Jun Liu (MPIfR), Alan P. Marscher (Institute for Astrophysical Research, Boston University, USA), Satoki Matsushita (IoAaA), Hiroshi Nagai (NAOoJ; SOKENDAI), Helge Rottmann (MPIfR), Tuomas Savolainen (Department of Electronics and Nanoengineering, Aalto University, Finnland; Metsähovi Radio Observatory, Finnland [Metsähovi]; MPIfR), Karl-Friedrich Schuster (IRAMF), Zhi-Qiang Shen (Shanghai; KLoRA), Pablo de Vicente (Observatorio de Yebes, Spanien [Yebes]), R. Craig Walker (National Radio Astronomy Observatory, Socorro, USA), Hai Yang (Shanghai; SoAaSS), J. Anton Zensus (MPIfR), Juan Carlos Algaba (Fachbereich Physik, Universiti Malaya, Malaysia), Alexander Allardi (University of Vermont, USA), Uwe Bach (MPIfR), Ryan Berthold (East Asian Observatory, USA [EAO]), Dan Bintley (EAO), Do-Young Byun (KAaSSI; University of Science and Technology, Daejeon, Republik Korea), Carolina Casadio (Institut für Astrophysik, Heraklion, Griechenland; Department of Physics, University of Crete, Greece), Shu-Hao Chang (IoAaA), Chih-Cheng Chang (National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC [Chung-Shan]), Song-Chu Chang (Chung-Shan), Chung-Chen Chen (IoAaA), Ming-Tang Chen (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, USA [IAAAS]), Ryan Chilson (IAAAS), Tim C. Chuter (EAO), John Conway (Chalmers), Geoffrey B. Crew (Haystack), Jessica T. Dempsey (EAO; Astron, Die Niederlande [Astron]), Sven Dornbusch (MPIfR), Aaron Faber (Western University, Kanada), Per Friberg (EAO), Javier González García (Yebes), Miguel Gómez Garrido (Yebes), Chih-Chiang Han (IoAaA), Kuo-Chang Han (System Development Center, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Yutaka Hasegawa (Osaka Metropolitan University, Japan [Osaka]), Ruben Herrero-Illana (European Southern Observatory, Chile), Yau-De Huang (IoAaA), Chih-Wei L. Huang (IoAaA), Violette Impellizzeri (Observatorium Leiden, Niederlande; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA [NRAOC]), Homin Jiang (IoAaA), Hao Jinchi (Electronic Systems Research Division, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Taehyun Jung (KAaSSI), Juha Kallunki (Metsähovi), Petri Kirves (Metsähovi), Kimihiro Kimura (Japan Aerospace Exploration Agency, Japan), Jun Yi Koay (IoAaA), Patrick M. Koch (IoAaA), Carsten Kramer (IRAMF), Alex Kraus (MPIfR), Derek Kubo (IAAAS), Cheng-Yu Kuo (National Sun Yat-Sen University, Taiwan, ROC), Chao-Te Li (IoAaA), Lupin Chun-Che Lin (Department of Physics, National Cheng Kung University, Taiwan, ROC ), Ching-Tang Liu (IoAaA), Kuan-Yu Liu (IoAaA), Wen-Ping Lo (Fakultät für Physik, National Taiwan University, Taiwan, ROC; IoAaA), Li-Ming Lu (Chung-Shan), Nicholas MacDonald (MPIfR), Pierre Martin-Cocher (IoAaA), Hugo Messias (Joint ALMA Observatory, Chile; Osaka), Zheng Meyer-Zhao (Astron; IoAaA), Anthony Minter (Green Bank Observatory, USA), Dhanya G. Nair (Fachbereich Astronomie, Universidad de Concepción, Chile), Hiroaki Nishioka (IoAaA), Timothy J. Norton (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA [CfA]), George Nystrom (IAAAS), Hideo Ogawa (Osaka), Peter Oshiro (IAAAS), Nimesh A. Patel (CfA), Ue-Li Pen (IoAaA), Yurii Pidopryhora (MPIfR; Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Deutschland), Nicolas Pradel (IoAaA), Philippe A. Raffin (IAAAS), Ramprasad Rao (CfA), Ignacio Ruiz (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Granada, Spanien [IRAMS]), Salvador Sanchez (IRAMS), Paul Shaw (IoAaA), William Snow (IAAAS), T. K. Sridharan (NRAOC; CfA), Ranjani Srinivasan (CfA; IoAaA), Belén Tercero (Yebes), Pablo Torne (IRAMS), Thalia Traianou (IAA; MPIfR), Jan Wagner (MPIfR), Craig Walther (EAO), Ta-Shun Wei (IoAaA), Jun Yang (Chalmers), Chen-Yu Yu (IoAaA).

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Erstes Bild eines schwarzen Lochs, das einen starken Jet ausstößt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: AIP 29. Juni 2022.

29. Juni 2022 – Um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien wie unserer Milchstraße zu verstehen, ist es von besonderer Bedeutung, die Menge der neu entstandenen Sterne sowohl in nahen als auch in weit entfernten Galaxien zu kennen. Dabei hilft oft eine bereits vor 50 Jahren entdeckte Verknüpfung zwischen der Infrarot- und der Radiostrahlung von Galaxien: Die energiereiche Strahlung von jungen, massereichen Sternen, die in den dichtesten Regionen der Galaxien entstehen, wird von umliegenden Staubwolken absorbiert und als energiearme Infrarotstrahlung wieder ausgesendet. Wenn schließlich ihr Brennstoffvorrat aufgebraucht ist, explodieren diese massereichen Sterne am Ende ihres Lebens als Supernova. Bei dieser Explosion wird die äußere Sternhülle in die Umgebung geschleudert, was einige wenige Teilchen des interstellaren Mediums zu sehr hohen Energien beschleunigt, die wir dann kosmische Strahlung nennen. Im Magnetfeld der Galaxie senden diese schnellen Teilchen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind, sehr energiearme Radiostrahlung mit einer Wellenlänge von einigen Zentimetern bis Metern aus. Über diese Kette von Prozessen sind neu entstehende Sterne, die Infrarot- und die Radiostrahlung von Galaxien eng miteinander verknüpft.

Die genauen physikalischen Bedingungen für den Ursprung dieser in der Astronomie oft verwendeten Beziehung sind jedoch noch nicht verstanden. Bisherige Erklärungsversuche scheiterten meist an einer Voraussage: Wenn die hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung tatsächlich für die Radiostrahlung dieser Galaxien verantwortlich sind, sagt die Theorie sehr steile Radiospektren voraus – also eine hohe Emission bei tiefen Radiofrequenzen – dies stimmt jedoch nicht mit den Beobachtungen überein. Um diesem Rätsel auf den Grund zu gehen, hat ein Team am AIP nun erstmalig diese Prozesse einer entstehenden Galaxie realistisch am Computer simuliert und die Energiespektren der kosmischen Strahlung berechnet.

„Bei der Entstehung der galaktischen Scheibe werden kosmische Magnetfelder genau so verstärkt, dass sie mit den starken, beobachteten galaktischen Magnetfeldern übereinstimmen“, erklärt Prof. Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP. Wenn die kosmischen Strahlungsteilchen in den Magnetfeldern Radiostrahlung aussenden, verliert diese auf dem Weg zu uns einen Teil ihrer Energie. Das hat zur Folge, dass ihr Radiospektrum bei niedrigen Frequenzen flacher wird. Bei hohen Frequenzen trägt zusätzlich zur Radioemission der kosmischen Strahlung auch noch die Radiostrahlung des interstellaren Mediums bei, die ein flacheres Spektrum aufweist. Die Summe dieser beiden Prozesse kann daher die beobachtete flache Radiostrahlung der gesamten Galaxie und außerdem die Strahlung des Zentrums perfekt erklären. Damit löst sich auch das Rätsel, warum die Infrarot- und die Radiostrahlung von Galaxien so gut miteinander verknüpft sind. „Dadurch können wir die Anzahl der neu entstandenen Sterne anhand der beobachteten Radioemission in Galaxien besser bestimmen, um so die Geschichte der Sternentstehung im Universum weiter zu entschlüsseln“, fasst Maria Werhahn, Doktorandin am AIP und Erstautorin einer der Studien ihre Ergebnisse zusammen.

Über das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Publikationen
Cosmic rays and non-thermal emission in simulated galaxies – III. Probing cosmic-ray calorimetry with radio spectra and the FIR–radio correlation. M. Werhahn, C. Pfrommer, P. Girichidis, 2021, MNRAS, 505, 3295, doi.org/10.1093/mnras/stab2535
Simulating radio synchrotron emission in star-forming galaxies: small-scale magnetic dynamo and the origin of the far infrared-radio correlation. C. Pfrommer, M. Werhahn, R. Pakmor, P. Girichidis, C. M. Simpson, 2022, MNRAS, accepted,
https://arxiv.org/abs/2105.12132v2

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• Sternentstehung

Der Beitrag AIP: Rätselhafte Verbindung von Sternentstehung und Radiostrahlung in Galaxien erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Rachel Courtland, New Scientist.

Nicht umsonst werden die Naturkonstanten für konstant gehalten: Die Grundfesten der Physik sollten an allen Stellen des Universums zu allen Zeiten die gleichen gewesen sein und heute noch sein. Jetzt ergaben Messungen von Radiostrahlung einer weit entfernten Gaswolke einen Hinweis, dass einige fundamentale Grundwerte vielleicht doch nicht so fix sind, und verstärken Überlegungen, dass es an der Zeit sein könnte, das Standardmodell der Elementarteilchenphysik radikal zu überdenken.
Der Anstoß kommt von einer rund 2,9 Milliarden Lichtjahre weit entfernten Gaswolke, die von Radiowellen eines hinter ihr liegenden supermassiven Schwarzen Loches (PKS 1413+135) durchdrungen wird. Hydroxyl-Radikale (.OH) in der Gaswolke absorbieren Radiostrahlung bestimmter Wellenlängen und strahlen sie auf anderen Frequenzen wieder ab. Dies führt zu einer so genannten Konjugation bei der aus der entsprechenden Himmelsgegend kommenden beobachtbaren Radiostrahlung: Eine Senke im Spektrum kennzeichnet den Bereich der absorbierten Strahlung, eine Spitze den der von der Gaswolke gewissermaßen verstärkten Bereich.

Senke und Spitze haben im konkreten Fall dieselbe Form, was für ein und dieselbe Quelle, die besagte Gaswolke, spricht. Allerdings ist der frequenzmäßige Abstand von Senke und Spitze nicht genau so groß, wie es bei einer durch Hydroxyl-Radikale verursachten Konjugation zu erwarten wäre, fand Nissim Kanekar vom indischen nationalen Zentrum für Radioastrophysik in Pune mit Kollegen heraus.

Der frequenzmäßige Abstand ist abhängig von drei Naturkonstanten: Dem Masseverhältnis zwischen Proton und Elektron, einer Kennzahl für die Reaktion eines Protons auf ein Magnetfeld und der Feinstrukturkonstante Alpha, auch Sommerfeldkonstante genannt. Laut Kanekar ist die festgestellte Abstandsdifferenz ein Indiz dafür, dass eine oder mehrere der Konstanten im Gebiet der Gaswolke früher möglicherweise einen anderen Wert hatten.

Wenn sich dies tatsächlich so verhält, sind die daraus resultierenden Unterschiede zahlenmässig zwar nur sehr gering. Ist die Abstandsdifferenz z. B. allein Folge einer ehemals anderen Feinstrukturkonstante, würde dies bedeuten, dass ebendiese Konstante vor 3 Milliarden Jahren rund 0,00031 Prozent kleiner war. Aber selbst derart geringe Unterschiede würden eine neue, grundlegendere Theorie zur Teilchenphysik erforderlich machen, glaubt Michael Murphy von der Technischen Universität Swiburne im australischen Melbourne.

Auch andere Messungen, die Murphy mit Kollegen vornahm, gaben einen Hinweis auf ein früher kleineres Alpha. Untersucht worden war das sichtbare Licht von einem weit entfernten Quasar beim Durchgang durch in der Sichtlinie liegende Gaswolken, wobei man sich nicht sicher war, ob alles registrierte Licht aus derselben Himmelsgegend kam – was aber entscheidend ist für die Bewertung des Beobachteten.

Zur Zeit sei die Beobachtung von Radiowellen eine vielversprechende Methode für den sicheren Nachweis einer Veränderlichkeit der Feinstrukturkonstanten, ist Jeffrey Newmann von der US-amerikanischen Universität Pittsburgh in Pennsylvania überzeugt. Allerdings handle es sich zunächst um nicht mehr als erste Hinweise.

Die von Kanekar und seiner Arbeitsgruppe vermutete Abstandsdifferenz könnte einfach Folge einer Art Lichtverschmutzung durch Licht von anderen Gasansammlungen sein. Um dies auszuschließen, beobachtet man seit Mai 2010 mit dem Radioteleskop im puertorikanischen Arecibo.

Der Beitrag Sind Naturkonstanten veränderlich? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Das italienisch-amerikanische Radarexperiment MARSIS ist ein wichtiger Bestandteil der wissenschaftlichen Beobachtungsinstrumente an Bord des ersten europäischen Mars-Orbiters. Durch Analyse langwelliger Radiostrahlung, die von MARSIS ausgesendet und nach Teilreflektion durch die oberen Schichten des Marsbodens wieder aufgefangen werden soll, erhoffen sich die Missionswissenschaftler unter anderem Hinweise auf Wasservorkommen unter der Marsoberfläche bis zu einer Tiefe von wenigen Kilometern. Abgesehen von der wissenschaftlichen Bedeutung eines solchen Nachweises hätten derartige Wasservorkommen auch eine große Relevanz für die Planung zukünftiger bemannter Marsmissionen.

MARSIS ist mit zwei je 20 Meter langen Hauptantennen und einer weiteren, sieben Meter langen Antenne ausgestattet, die sich beim Start der Raumsonde im gefalteten Zustand befanden und ursprünglich bereits im letzten Frühjahr nach Einschwenken von Mars Express in eine Umlaufbahn um den Roten Planeten hätten entfaltet werden sollen. Wie von Raumfahrer.net bereits berichtet wurde die Antennenentfaltung immer wieder verschoben, da erst durch aufwendige Simulationen jedes Risiko für den Orbiter durch einen bei diesem Vorgang eventuell zurückschwingenden Antennenmast ausgeschlossen werden sollte. Am 4. Mai begann dann endlich die Entfaltung des ersten 20 Meter langen Antennenmastes, der sich aus 13 einzelnen Segmenten zusammensetzt. Dabei rastete eines dieser Segmente jedoch nicht wie geplant ein, so dass die Entfaltung der übrigen Antennen zunächst verschoben wurde.

Da als Ursache für dieses Problem die extreme Kälte des Weltalls vermutet wurde, der die aus Kevlar und Fieberglas bestehenden Segmente des Antennenmastes seit dem Start von Mars Express im Sommer 2003 ausgesetzt waren, entschieden sich die Missionsspezialisten für eine Verlagerung der Ausrichtung des Orbiters im Raum. Dadurch sollte die kalte Seite des Antennenmastes der Sonneneinstrahlung ausgesetzt und erwärmt werden – durch die damit verbundene Ausdehnung des Materials, so die Hoffnung, würde das betreffende Antennensegment endlich einrasten.

Das entsprechende Manöver wurde am Dienstag dieser Woche um 21:20 Uhr (MESZ) durchgeführt, nach einer Stunde nahm die Raumsonde dann wieder ihre vorherige Ausrichtung ein. Einer Analyse der anschließend zur Erde gesandten Daten zufolge führte diese Aktion zum gewünschten Erfolg, alle Segmente des ersten MARSIS-Antennenmastes sind nunmehr in der vorgesehenen Position eingerastet.
Die beiden anderen Antennenmaste werden in den kommenden Wochen folgen, nachdem die Erfahrungen bei der Entfaltung des ersten Mastes ausgewertet worden sind – MARSIS befindet sich endlich auf gutem Wege zur vollen Einsatzbereitschaft.

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