Quelle: MPE 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Heute veröffentlicht die ESA-Weltraummission Euclid fünf neue, spektaktuläre Ansichten des Universums. Die noch nie zuvor gezeigten Bilder zeigen, dass Euclid in der Lage ist, die Geheimnisse des Kosmos zu entschlüsseln, und ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach fremden Planeten zu suchen, Galaxien mit dem Gravitationslinseneffekt zur Untersuchung geheimnisvoller Materie zu nutzen und die Entwicklung des Universums zu erforschen. Die neuen Bilder begleiten die ersten wissenschaftlichen Daten der Mission, die ebenfalls heute veröffentlicht wurden, sowie mehrere wissenschaftliche Arbeiten. Im Fokus der ersten Datenanalyse stand unter anderem der Perseus-Galaxienhaufen, bei dem Wissenschaftler unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching das schwache Licht innerhalb des Galaxienhaufens untersuchten.

Im Vorfeld der anstehenden Euclid-Hauptdurchmusterung beobachtete das Weltraumteleskop 17 astronomische Objekte, von nahen Gas- und Staubwolken bis hin zu weit entfernten Galaxienhaufen. Euclid wird die verborgenen, netzartigen Stukturen des Kosmos aufzeichnen, Milliarden von Galaxien in mehr als einem Drittel des Himmels kartieren, erforschen, wie sich unser Universum im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt hat, und die geheimnisvollsten seiner grundlegenden Bestandteile untersuchen: dunkle Energie und dunkle Materie.

Die Bilder sind weit mehr als nur schöne Schnappschüsse. Dank der neuartigen Beobachtungsmöglichkeiten von Euclid enthüllen sie neue physikalische Eigenschaften des Universums, die in einer Reihe von Veröffentlichungen der Euclid-Kollaboration näher erläutert werden (siehe ESA-Pressemitteilung). Euclid erstellte den neuen Katalog an nur einem einzigen Tag und entdeckte dabei mehr als elf Millionen Objekte im sichtbaren Licht und weitere fünf Millionen im Infrarotlicht. Daneben werden in fünf weiteren Arbeiten wichtige Aspekte der Euclid-Mission näher beschrieben.

Euclids Bild des Perseus-Galaxienhaufens wurde vor nur sechs Monaten als eines der ersten Bilder des Weltraumteleskops veröffentlicht. Perseus ist eines der spektakulärsten Objekte in unserer kosmischen Nachbarschaft: Er befindet sich in einer Entfernung von „nur“ 240 Millionen Lichtjahren (bei einer Rotverschiebung von z = 0,018) und ist der hellste Röntgenhaufen. Mit seiner hohen Gesamtmasse von 650 Billionen Sonnenmassen bindet seine Schwerkraft Tausende von Galaxien aneinander.

Zum ersten Mal konnte ein Team angeführt vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik nun auch das diffuse Licht aus dem Perseus-Galaxienhaufen bis in die Randbereiche des Haufens analysieren. „Euclid bietet sowohl die nötige Empfindlichkeit als auch ein großes Gesichtsfeld, um das schwache Licht im Perseus-Haufen aufzufangen,“ sagt Matthias Kluge, Hauptautor der Studie, die nun zusammen mit 14 anderen Arbeiten veröffentlicht wurde. „Dieses Licht ist etwa 100.000-mal schwächer im Infraroten als der dunkelste Nachthimmel auf der Erde. Trotzdem macht es aufgrund seiner großen Ausdehnung rund 20% der Gesamt-Leuchtkraft des Haufens aus.“

Darüber hinaus nutzte das Team die hervorragenden Abbildungseigenschaften von Euclid im sichtbaren Licht – vergleichbar mit denen des Hubble-Weltraumteleskops – um 50.000 frei fliegende Kugelsternhaufen zu entdecken. Die Eigenschaften der Kugelsternhaufen und die bläuliche Farbe des diffusen Lichts deuten auf einen gemeinsamen Ursprung hin: Zum einen stammen sie aus den metallarmen Außenbereichen massereicher Haufengalaxien, die durch die Gezeitenkräfte des Haufens abgestreift wurden. Zum anderen steigt mit zunehmender Entfernung vom Haufenzentrum der Anteil der Zwerggalaxien, die ebenfalls durch die starken Gezeitenkräfte vollständig zerrissen wurden.

In einer weiteren Studie wurden zahlreiche noch existierende Zwerggalaxien im Perseus-Haufen nachgewiesen. Raphael Zöller vom MPE und der LMU war maßgeblich an den Messungen beteiligt: „Euclid befindet sich am zweiten Lagrange-Punkt weit außerhalb der Erdatmosphäre. Dank des dunklen Bildhintergrundes, der exzellenten Bildauflösung und des großen Gesichtsfeldes konnten wir 1100 Zwerggalaxien nachweisen, darunter Hunderte mit viel schwächerer Leuchtkraft als jemals zuvor im Perseus-Galaxienhaufen.“

Hintergrundinformationen
Euclid ist eine Weltraummission der Europäischen Weltraumagentur (ESA) mit Beiträgen der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Im „Cosmic Vision“-Programm der ESA ist es die zweite M-Klasse-Mission.

VIS und NISP wurden von einem Konsortium aus Wissenschaftlern und Ingenieurinnen aus 17 Ländern entwickelt und gebaut, viele aus Europa, aber auch aus den USA, Kanada und Japan. Aus Deutschland beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München, die Universität Bonn (UB), die Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen ESA-Beiträge und stellt darüber hinaus aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm Fördermittel in Höhe von 60 Millionen Euro für die beteiligten deutschen Forschungsinstitute zur Verfügung.

Deutschland ist mit rund 21 Prozent der größte Beitragszahler im ESA-Wissenschaftsprogramm.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 26. Februar 2024.

26. Februar 2024 – Zehn Jahre wissenschaftlicher Ehrgeiz und Innovationskraft stehen im Mittelpunkt, wenn vom 11. bis 15. März 2024 neun Schulteams aus ganz Deutschland beim 10. Deutschen CanSat Wettbewerb ihre selbstgebauten Minisatelliten der Öffentlichkeit präsentieren. Die Startkampagne bildet den Höhepunkt des Deutschen CanSat-Wettbewerbs, bei dem die CanSats, auch als Dosensatelliten bekannt, mithilfe einer Modellrakete auf bis zu einem Kilometer Höhe befördert werden, um ihre individuellen wissenschaftlichen Aufgaben zu erfüllen. Das Jubiläum markiert eine Dekade herausragender Leistungen in den Naturwissenschaften und der Technik von engagierten Schülerinnen und Schülern. Das Bildungsbüro der ESA – ESERO Germany – leitet seit fünf Jahren die Organisation des Wettbewerbs. Mit Sitz an der Ruhr-Universität Bochum und dem Motto „Vom Weltall ins Klassenzimmer“ ist dies nur ein Teil der Angebote für Schulen und Lehrkräfte.

Seit einem Jahrzehnt inspiriert der Deutsche CanSat Wettbewerb Schülerinnen und Schüler, ihre eigenen Minisatelliten zu bauen und dabei nicht nur technische Herausforderungen zu meistern, sondern auch ihre Fähigkeiten im Projektmanagement und in der Teamarbeit zu entwickeln. Bei der Startkampagne in Bremen erhalten die Teams die Gelegenheit, die Ergebnisse ihrer monatelangen Arbeit vor einer fachkundigen Jury zu präsentieren und gleichzeitig einen Blick hinter die Kulissen der Bremer Luft- und Raumfahrtindustrie zu werfen.

Innovative wissenschaftliche und technische Ideen
In diesem Jahr streben die Teams nicht nur in die Höhe, denn die Mission ihrer CanSats endet nicht mit der Landung. Zwei Teams haben nach der Landung ihres Minisatelliten vor, Bodenproben zu entnehmen. Das Team MAI für Measure, Analyze, Improve aus Bayern plant, mit Schwefel an einer Bodenprobe die Wahrscheinlichkeit für vulkanische Aktivität zu ermitteln. Währenddessen möchte das Team Hephaistos aus Hessen mit einer Pflanzenprobe mehr über (extra-)terrestrisches Leben erfahren. Diese Missionen sind nicht nur am Boden technisch herausfordernd, sondern erfordern auch eine präzise Positionierung des CanSats bei der Landung. Dies gilt auch für den CanSat des Teams Plexplore aus Hessen, der als Rover genutzt wird und nach der Landung zu einem wissenschaftlich interessanten Ort fahren soll. Die Auswahl des Ortes soll der CanSat während des Fluges mithilfe maschinellen Lernens selbst treffen.

Der Wettbewerb
Der Deutsche CanSat Wettbewerb wird vom deutschen Bildungsbüro der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), ESERO Germany, koordiniert und mit nationalen und lokalen Partnern wie dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Institut für Aerospace-Technologie IAT der Hochschule Bremen, Space Rocket Technology GmbH, dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation ZARM der Universität Bremen und dem Geographischen Institut der Ruhr-Universität Bochum organisiert. Die Senatorin für Kinder und Bildung Bremen trägt die Schirmherrschaft des nationalen Wettbewerbs.

Förderung
Der Wettbewerb wird gefördert durch CGI, OHB Bremen und weiteren Partnern.

Mitmachen
Für alle, die sich dem Abenteuer stellen möchten, bietet der nächste Deutsche CanSat Wettbewerb im Schuljahr 2024/25 die Gelegenheit dazu. Teams mit mindestens vier Schülerinnen und Schülern ab 14 Jahren können sich im September 2024 bewerben und haben dann knapp ein halbes Jahr Zeit, ihre kreativen Minisatelliten zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Mehr Infos gibt es online.

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• Deutscher CanSat Wettbewerb

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. Dezember 2023.

13. Dezember 2023 – Wie genau chemische Vorgänge in Eisgemischen dazu beigetragen haben, dass auf der Erde Leben entstehen konnte, möchte ein Team vom Lehrstuhl für Organische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum erforschen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die Arbeiten von Dr. André Eckhardt im Rahmen einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe mit rund 1,5 Millionen Euro für sechs Jahre. „Das James-Webb-Weltraumteleskop macht es möglich, einen detaillierten Blick in die Eischemie von kleinen Staubpartikeln im Weltall zu erhaschen“, sagt Eckhardt. „Wir wollen die Bedingungen im Weltall im Labor nachstellen, um die chemischen Vorgänge bei der Bildung neuer interstellarer Moleküle besser zu verstehen.“

Das Projekt mit dem Titel „Reaktivität und spektroskopische Charakterisierung von interstellar
relevanten Imin-Spezies“ startet Anfang 2024.

Harsche Weltraumbedingungen im Labor nachstellen
Eckhardts Team wird interstellare Eisgemische bei tiefen Temperaturen und im Hochvakuum herstellen. Die Gemische bestrahlen die Forscher mit Elektronen, um die energiereiche kosmische Strahlung des Weltalls nachzuahmen. „Durch diese harschen Bedingungen können chemische Bindungen sehr leicht gebrochen werden. Aus einfachen kleinen Bausteinen können sich so leicht größere komplexere Moleküle bilden, die von Fachwissenschaftlern auch gerne als die Bausteine des Lebens angesehen werden“, so Eckhardt.

In einem neuartigen Experiment sollen vor allem hochreaktive Spezies, welche unmittelbar nach dem Brechen chemischer Bindungen entstehen, direkt im Eis detektiert werden. Typischerweise reagieren diese sehr reaktiven Moleküle sofort weiter und lassen sich nur indirekt anhand der neu gebildeten Produkte nachweisen. „Mit unserem Experiment wollen wir diese bisher noch unbekannten reaktiven Zwischenstufen direkt im Eis nachweisen, um damit Aussagen über neue astrochemische Reaktionsmechanismen treffen zu können“, so Eckhardt.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt vor allem auf reaktiven Stickstoffverbindungen. Sie könnten als Bausteine für die heute existierenden Aminosäuren dienen, die essenziell für das Leben auf der Erde sind.

Die Methoden umfassen neben der organischen Synthese von Ausgangsverbindungen und Produkten verschiedene spektroskopische Techniken sowie quantenmechanische Berechnungen.

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• Leben im Universum

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 4. Dezember 2023.

4. Dezember 2023 – Der Europäische Forschungsrat ERC fördert die Arbeiten im Rahmen eines Consolidator Grants mit knapp zwei Millionen Euro für fünf Jahre. Das Projekt „Strange Nuclear Matter from First-Principles Hadron Scattering Amplitudes“, kurz StrangeScatt, soll im Juni 2024 starten.

Mit teilchenphysikalischen Modellen lässt sich vorhersagen, wie schwer Neutronensterne werden können und welchen Radius sie besitzen. „Diese Modelle prognostizieren, dass sehr schwere Neutronensterne nicht vorkommen können“, erklärt John Bulava, der in Bochum die Professur für Theoretische Hadronenphysik innehat. „Allerdings wurden schon Neutronensterne gefunden, die zweimal schwerer als unsere Sonne sind – diese Beobachtungen passen nicht zu den Modellen.“

Hyperonen-Interaktionen simulieren
Der Grund für die Unstimmigkeiten dürften die Hyperonen sein. Also jene Teilchen mit Strange-Quark, die im Inneren von Neutronensternen entstehen. „Die Interaktionen der Hyperonen sind nicht gut verstanden“, so Bulava. Materie, wie wir sie im Alltag erleben, besteht aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus kleineren Teilchen bestehen, den Quarks. Quarks gibt es in sechs Sorten; zwei davon – die up- und down-Quarks – kommen in klassischer Materie vor. „Wenn strange-Quarks im Spiel sind, wie bei den Hyperonen, können alle möglichen neuen Sachen passieren“, weiß John Bulava und ist überzeugt: „Wenn wir die Hyperonen-Interaktionen besser verstehen würden, könnten wir auch Masse und Radius der Neutronensterne besser vorhersagen.“ Genau hier setzt seine Arbeit an.

Große Rechenpower erforderlich
Da Hyperonen sehr schnell zerfallen, können sie experimentell schwer untersucht werden. In Computersimulationen besteht diese Hürde nicht. Bulava beschreibt die Teilchen mit sogenannten First-principles-Simulationen. Dabei stellt er im Modell die fundamentalen Kräfte nach, die zwischen Teilchen wirken. Solche Simulationen sind extrem aufwendig und erfordern eine enorme Rechenpower, wie sie nur Hochleistungscomputer bieten. „Deutschland ist ein exzellenter europäischer Standort für diese Arbeiten, weil es hier mehrere Supercomputer gibt“, sagt der gebürtige US-Amerikaner.

Aufgrund des großen Aufwands lassen sich mit Frist-principles-Simulationen nur die Interaktionen von zwei bis drei Teilchen berechnen. John Bulava plant jedoch, seine Arbeiten an der Ruhr-Universität Bochum mit der weiterer Gruppen aus der Theoretischen Physik, der Plasmaforschung und der Astrophysik zu verzahnen. „Neutronensterne sind ein fantastisches astrophysikalisches Labor, dem wir uns an der Ruhr-Universität Bochum aus verschiedenen Perspektiven nähern können“, sagt er.

Zur Person
John Bulava studierte Physik und Mathematik in den USA an der George Washington University und der Carnegie Mellon University. An letzterer schloss er 2009 seine Promotion ab. Es folgten mehrere Forschungsstationen an unterschiedlichen europäischen Instituten, zunächst am Deutschen Elektronensynchrotron (DESY), dann in der Schweiz am CERN. 2013 wurde Bulava Assistant Professor am Trinity College Dublin in Irland. 2019 wechselte er an die University of Southern Denmark, zunächst als Assistant Professor, später als Associate Professor. 2021 kehrte er noch einmal ans DESY zurück, bevor er 2023 die Professur für Theoretische Hadronenphysik an der Ruhr-Universität Bochum antrat.

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 23. November 2023.

Bochum, 23. November 2023 – Der größte Teil der Materie im Universum ist Dunkle Materie. Darauf richtet Dr. Elisa Pueschel vom Astronomischen Institut der Ruhr-Universität Bochum ihr Augenmerk in ihrem Projekt „Dark100″: Im Mittelpunkt steht ein noch unerforschter Massebereich Dunkler Materieteilchen. „Durch den Einsatz neuartiger, kosteneffizienter Teleskoptechnologie wird Dark100 eine Reihe von Teleskopen einsetzen, die in der Lage sind, die Auslöschung Dunkler Materie zu untersuchen und die Empfindlichkeit der derzeit betriebenen und geplanten Gammastrahlen-Instrumente um eine Größenordnung zu verbessern, und zwar mit einer noch nie dagewesenen Energie- und Winkelauflösung“, so Elisa Pueschel. Sie erhält für diese Arbeit einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC) und damit eine Förderung von 2,3 Millionen Euro für fünf Jahre.

Angetrieben von den jüngsten theoretischen Entwicklungen wird Elisa Pueschel nach Teilchen der Dunklen Materie zwischen 100 Teraelektronenvolt und einigen zehn Petaelektronenvolt suchen. Im Projekt Dark100 wird sie so einen einzigartigen Datensatz von tiefgehenden Gammastrahlenbeobachtungen von astrophysikalischen Systemen mit Dunkler Materie aufbauen. „Entweder werden wir Dunkle Materie nachweisen – oder falls nicht werden wir Grenzwerte für ihren geschwindigkeitsgewichteten Annihilationsquerschnitt festlegen“, plant die Wissenschaftlerin. Sollte sie nicht nachgewiesen werden, wird die Dunkle Materie für einen Teil des untersuchten Massenbereichs ausgeschlossen, und die theoretischen Modelle werden für den gesamten untersuchten Massenbereich eingegrenzt.

„Die Ergebnisse des Projekts Dark100 werden über die wissenschaftliche Gemeinschaft mit speziellem Interesse an Dunkler Materie hinaus spürbar sein“, ist Elisa Pueschel überzeugt. „Durch die Demonstration eines neuen Gammastrahlenteleskop-Paradigmas wird Dark100 eine Reihe möglicher astrophysikalischer Studien mit Gammastrahlen über 100 Teraelektronenvolt ermöglichen.“ Eingeschlossen sei ein sogenanntes galaktisches Pevatron, eine Teilchenschleuder im Zentrum der Milchstraße, und verschiedene vorübergehende Ereignisse.“ Das entstehende Datenarchiv wird Synergien mit anderen Gammastrahleninstrumenten fördern.

Zur Person
Elisa Pueschel schloss ihre Dissertation mit dem PhD im Jahr 2010 an der Carnegie Mellon University, USA, ab. Als Postdoktorandin arbeitete sie im Anschluss bis 2013 an der University of Massachusetts, Amherst, USA, und wechselte dann mit einem Stipendium des Irischen Forschungsrats und einem Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Union an das University College Dublin, Irland. Von 2017 bis 2022 leitete sie eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo sie bis zu ihrem Wechsel an die Ruhr-Universität Bochum im August 2023 fest angestellte Wissenschaftlerin blieb.

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• Dunkle Materie
• Ehrungen

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum 31. August 2023.

Bochum, 31. August 2023. Der Frage gehen Forschende der Ruhr-Universität Bochum im September und Oktober 2023 nach und bitten die Öffentlichkeit um Mithilfe: Mit der App „Nachtlichter“ erheben Bürgerwissenschaftler*innen die Daten. Ziel ist es, zu messen, wie viel Prozent der verschiedenen Lichtarten zu welcher Zeit in der Nacht ausgeschaltet werden. „Das ist für die Wissenschaft nützlich, denn die einzigen weltweiten Satellitenbilder der Erde werden erst sehr spät in der Nacht aufgenommen und geben kein genaues Bild des frühen Abends wieder“, sagt Dr. Christopher Kyba, Projektleiter aus der Arbeitsgruppe Interdisziplinäre Geoinformationswissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum. Interessierte finden alle Infos zum Mitmachen auf der Projektwebseite.

Daten sollen die Beleuchtung effektiver machen
„Dank einer Nachtlichter-Kampagne im Jahr 2021 haben wir den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Lichter am Boden und der von Satelliten gemessenen Helligkeit besser verstanden“, sagt Christopher Kyba. „Was wir noch nicht wissen, ist, welche Lichter sich wann ausschalten.“

Das Organisationsteam bittet Teilnehmende daher diesmal darum, die Lichter in den Straßen zu zählen, in denen sie wohnen, aber auch in Straßen mit Gewerbebetrieben. Die Citizen Scientists gehen dazu langsam von einer Straßenecke zur nächsten und zählen mit der Nachtlichter-App die Anzahl und Art der Lichter, die sie sehen. Das Projektteam interessiert sich nicht nur für Straßenlaternen, sondern für jede Art von Außenbeleuchtung, einschließlich Schildern, Fenstern, beleuchteten Fassaden und anderen Arten von Lichtern. Vor der Teilnahme absolvieren die Citizen Scientists ein Online-Tutorial, damit gewährleistet ist, dass sie die Lichter einheitlich zählen und kategorisieren. Im Rahmen der diesjährigen Kampagne „Zeit für die Nacht“ steht die Veränderung der Beleuchtung im Mittelpunkt. Um sie zu untersuchen, zählen die Teilnehmenden die Lichter zu zwei oder mehr Zeitpunkten, zwischen denen mindestens eine Stunde liegen sollte.

Ein neuer Aspekt der Datenerhebung ist in diesem Jahr die Messung, wie viele Menschen sich zum Zeitpunkt der Erhebung auf der Straße aufhalten. Das Projektteam hofft, dass diese Daten den Städten und Unternehmen helfen können, die Beleuchtung effizienter zu nutzen, indem sie die Zeiten, in denen die Beleuchtung eingeschaltet ist, besser auf die Spitzenzeiten der Aktivität abstimmen.

Bürgerforschung als mächtiges Instrument
Die Nachtlichter-App kam schon einmal zu Einsatz: Im Jahr 2021 zählten und klassifizierten mehr als 200 Citizen Scientists in rund 4.500 Erhebungen weltweit fast eine Viertelmillion künstlicher Lichtquellen. Die gleiche Anzahl an Erhebungen will das Projektteam auch 2023 wieder durchführen, diesmal aber an einer kleineren Anzahl einzelner Straßen. Bürgerwissenschaftler Sicco Bauer ist seit Beginn des Projekts dabei. Ihn motivierten seine Erfahrungen als Amateurastronom zur Teilnahme. „Als ich mich mit dem Thema beschäftigt habe, habe ich gelernt, dass Lichtverschmutzung nicht nur Auswirkungen auf die Astronomie hat. Sie wirkt sich zum Beispiel stark auf die Umwelt aus.“ Bauer hat 2021 eine große Nachtlichter-Aktion in Dresden mitorganisiert und wird dies auch in diesem Jahr tun. „Bürgerwissenschaft ist ein mächtiges Instrument, denn als Forschende können wir nicht überall sein“, sagt Kyba. Er lädt alle Interessierten ein, auf die Straße zu gehen und Lichter zu zählen, und betont, dass jede zusätzliche Erhebung nützliche Daten zum Verständnis der Lichtnutzung liefert.

Förderung
Das Nachtlichter-Projekt ist Teil eines größeren Projekts namens Nachtlicht-BüHNE, das im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2023 – Unser Universum vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und Wissenschaft im Dialog gefördert wird.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 11. Juli 2023.

11. Juli 2023 – Mittlerweile befinden sich im Orbit um die Erde Tausende von Satelliten, und es werden noch viel mehr werden. Wie es aus IT-Perspektive um die Sicherheit dieser Systeme bestellt ist, haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum und vom CISPA Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit in Saarbrücken untersucht. Sie analysierten drei aktuelle Low-Earth-Orbit-Satelliten und stellten fest, dass aus technischer Sicht kaum moderne Sicherheitskonzepte eingesetzt wurden. Diverse Sicherheitsmechanismen, die heute in Handys und Laptops gängig sind, waren nicht zu finden: Beispielsweise gab es keine Trennung von Code und Daten. Interviews mit Entwicklerinnen und Entwicklern von Satelliten ergaben zudem, dass man sich in der Branche vorrangig auf Sicherheit durch Geheimhaltung verlässt.

Die Ergebnisse präsentierte ein Team um den Bochumer Doktoranden Johannes Willbold, den Saarbrücker Forscher Dr. Ali Abbasi und Prof. Dr. Thorsten Holz, früher in Bochum, heute in Saarbrücken, auf dem IEEE Symposium on Security and Privacy, das vom 22. bis 25. Mai 2023 in San Francisco stattfand. Die Arbeit wurde auf der Konferenz mit einem Distinguished Paper Award ausgezeichnet.

Forschungssatelliten und kommerzieller Satellit im Test
Bei den untersuchten Satelliten handelte es sich um zwei kleine Modelle und ein mittelgroßes Modell – sowohl ein Forschungssatellit als auch ein Satellit eines kommerziellen Unternehmens –, die in geringer Entfernung die Erde umkreisen und für die Erdbeobachtung eingesetzt werden. Zugriff auf Satelliten und deren Software zu erhalten, war für das Team eine Herausforderung, da gerade kommerzielle Anbieter sich selten in die Karten schauen lassen wollen. Kooperationen mit der European Space Agency (ESA), verschiedenen Universitäten, die am Bau von Satelliten mitwirken, sowie mit einem Unternehmen ermöglichten schließlich den Zugriff.

Das Bochumer-Saarbrücker Team unterzog die drei Modelle einer aufwendigen Analyse. Sie schauten im Detail, was die Software, die auf den Geräten läuft, macht und welche Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Sie emulierten die Systeme, bauten sie also virtuell nach, sodass sie die Software so testen konnten, als ob sie sich in einem echten Satelliten befinden würde. „Das war eine ganz andere Welt als die Systeme, die wir sonst untersuchen. Es kamen beispielsweise ganz andere Kommunikationsprotokolle zum Einsatz“, resümiert Thorsten Holz.

Systeme mit speziellen Anforderungen
Satelliten, die die Erde umkreisen, sind immer nur in einem Zeitfenster von wenigen Minuten für ihre Bodenstation auf der Erde erreichbar. Die Systeme müssen robust gegen die Strahlung im Weltall sein, dürfen nur wenig Energie verbrauchen und haben eine entsprechend geringe Leistung. „Die Datenraten sind wie bei Modems der 1990er-Jahre“, erklärt Holz die Herausforderungen, denen sich Satelliten-Entwickler gegenübersehen.

Basierend auf den Erkenntnissen der Software-Analyse erarbeiteten die Forschenden verschiedene Angriffsszenarien. Sie zeigten, dass sie die Satelliten von der Kontrolle durch die Bodenstation abschneiden und selbst die Steuerung der Systeme übernehmen konnten, um beispielsweise Bilder mit der Satellitenkamera zu machen. „Wir waren überrascht, dass das technische Sicherheitsniveau so gering ist“, sagt Thorsten Holz, schränkt aber gleichzeitig die möglichen Konsequenzen ein: „Es wäre nicht so leicht, den Satelliten an einen anderen Ort zu steuern, beispielsweise zum Absturz zu bringen oder mit anderen Objekten kollidieren zu lassen.“

Umfrage unter Entwicklerinnen und Entwicklern
Um herauszufinden, welches Sicherheitsverständnis bei den Personen herrscht, die Satelliten entwickeln und bauen, konzipierte das Forschungsteam einen Fragebogen und schickte ihn an Forschungseinrichtungen, die ESA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie verschiedene Firmen. 19 Personen beteiligten sich anonym an der Befragung. „Die Ergebnisse zeigen uns, dass das Sicherheitsverständnis in der Branche ein anderes ist als in vielen anderen Bereichen, nämlich Security by Obscurity“, fasst Johannes Willbold zusammen. Viele der Befragten gingen also davon aus, dass Satelliten nicht angegriffen werden könnten, weil es keine Dokumentation der Systeme gibt, also nichts über sie bekannt ist. Nur wenige gaben an, Daten bei der Kommunikation mit den Satelliten zu verschlüsseln oder eine Authentifizierung zu nutzen, sodass sichergestellt wäre, dass nur die Bodenstation mit dem Satelliten kommunizieren darf.

„Eine fehlende Dokumentation schützt aber nicht vor Angriffen“, sagt Moritz Schloegel, ein weiterer Autor der Arbeit. „Mittlerweile kann man Systeme über Reverse Engineering verstehen und ihre Schwachstellen finden. Ein Ziel unserer Arbeit war daher auch, die Satelliten- und Security-Communitys zusammenzubringen, um ein gegenseitiges Verständnis von den Herausforderungen bei der Anwendung im Weltall und von den heute üblichen Sicherheitsstandards zu fördern.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert vom Europäischen Forschungsrat (Grant 101045669), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt CPSec – 16KIS1564K) sowie dem NRW-Ministerium für Kultur und Wissenschaft im Rahmen des Graduiertenkollegs SecHuman.

Originalveröffentlichung
Johannes Willbold, Moritz Schloegel, Manuel Vögele, Maximilian Gerhardt, Thorsten Holz, Ali Abbasi: Space odyssey: An experimental software security analysis of satellites, In IEEE Symposium on Security and Privacy Proceedings, 2023, DOI: 10.1109/SP46215.2023.00131, Preprint: https://jwillbold.com/paper/willbold2023spaceodyssey.pdf;

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• Computertechnik in der Raumfahrt

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 1. Juni 2023.

1. Juni 2023 – Korallen sind modulare Lebewesen, deren Kolonien teilweise mehrere hundert Meter auseinanderstehen. Es ist für die genetische Gesundheit der Riffe wichtig, dass sich bei der sexuellen Fortpflanzung die Ei- und Spermazellen der verschiedenen Kolonien miteinander vermischen. Doch dafür ist es notwendig, dass diese zu einem bestimmten Zeitpunkt gleichzeitig ablaichen.

Kooperationsprojekt in Indonesien
Meeresbiologin Dr. Mareike Huhn vom Lehrstuhl für allgemeine Zoologie und Neurobiologie der Ruhr-Universität Bochum erforscht gemeinsam mit Studierenden und Lehrenden der örtlichen Universität auf den Banda-Inseln im Indonesischen Indo-Pazifik, wie die Tiere sich synchronisieren.

Dazu gleichen die Forschenden den Zeitpunkt des Ablaichens mit verschiedenen Umweltfaktoren ab. Wie ist die Tide am besagten Tag? Wie sind die mittleren Wassertemperaturen und die Tageslänge? Wann geht an diesem Tag der Mond auf und unter? Ist Voll- oder Neumond?

Mehrere Faktoren sind im Spiel
„Es muss mehrere Ausschlaggeber geben“, fasst Mareike Huhn ihre Beobachtungen zusammen. „Die Eizellen müssen erst über mehrere Wochen hinweg in der Koralle reifen, bevor sie laichen kann. Auch das Einsetzten dieses Reifeprozesses muss durch irgendetwas ausgelöst werden – und zwar für alle Korallen einer Art gleichzeitig. Und dann muss der Zeitpunkt des eigentlichen Ablaichens synchron ausgelöst werden“, so Huhn.

Ihre Aufzeichnungen gaben Antworten auf diese Rätsel: Umweltfaktor Nummer eins, der die Eizellreifung auslöst, ist demnach die Wassertemperatur. Diese stieg immer genau einen Monat vor dem Ablaichen an. Dabei spielt sowohl der relative Temperaturanstieg der Oberflächentemperatur des Wassers eine Rolle – diese muss innerhalb von vier Wochen um 0,5 bis ein Grad Celsius steigen – als auch die totale Temperatur, welche zwischen 28 und 30 Grad liegen muss.

Der Vollmond gibt den Takt an
Doch wie synchronisieren sich die teils mehrere hundert Meter auseinanderstehenden Korallen, was die genaue Nacht des Ablaichens angeht? „Dafür spielt der Mond eine große Rolle, dessen Licht die Tiere über Lichtrezeptoren auf ihrer Körperoberfläche wahrnehmen“, erklärt Mareike Huhn. „Immer fünf, sechs oder sieben Tage nach Vollmond laichen die Korallen ab. Die genaue Anzahl der Tage hängt von der Art der Korallen ab.“

Die bisherigen Erkenntnisse helfen den Forschenden dabei, ein besseres Verständnis vom Leben der Korallen zu bekommen. Dies ist wichtig, da Korallenriffe einen sehr großen Beitrag zu einer funktionierenden Umwelt leisten. So bieten sie unzähligen Meeresbewohnern einen Lebensraum und die in ihnen lebenden Algen produzieren einen Teil des Sauerstoffs, den wir zum Leben auf der Erde benötigen.

Originalveröffentlichung
Der komplette Artikel erscheint im Wissenschaftsmagazin Rubin mit dem Schwerpunkt „Was die Welt zusammenhält“. Für redaktionelle Zwecke dürfen die Texte auf der Webseite unter Angabe der Quelle „Rubin – Ruhr-Universität Bochum“ sowie Bilder aus dem Downloadbereich unter Angabe des Copyrights und Beachtung der Nutzungsbedingungen honorarfrei verwendet werden. Rubin kann kostenlos als Newsletter oder Printausgabe abonniert werden.
https://news.rub.de/wissenschaft/2023-06-01-biologie-auf-los-gehts-los
pdf: https://news.rub.de/sites/default/files/16_huhn_korallen.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum 12. Dezember 2022.

12. Dezember 2022 – Federführend beteiligt an beiden Projekten ist Dr. Christopher Kyba von der Arbeitsgruppe Interdisziplinäre Geoinformationswissenschaften der Ruhr-Universität Bochum.

Alle können mitzählen
„Ziel des Projekts ‚Nachtlichter‘ ist es, das Verhältnis von nächtlichen Lichtquellen und Satellitendaten besser zu verstehen und sich ein genaues Bild des Energieverbrauchs durch nächtliche Beleuchtung zu machen“, erklärt Christopher Kyba. Im Jahr 2021 wurde eine App zum Zählen von Lichtquellen entwickelt und von Bürgerwissenschaftlern genutzt, um fast eine Viertelmillion Lichter auf 22 Quadratkilometern zu klassifizieren. Im Rahmen des neuen Projekts werden völlig neue Methoden und Funktionen für die App entwickelt, um zu untersuchen, wie Veränderungen der Beleuchtung mit Veränderungen der Anzahl der Menschen auf der Straße zusammenhängen. Alle Interessierten in ganz Deutschland sind eingeladen, sich an der Konzeption des Forschungsprojekts und im Herbst 2023 an der Zählung der Lichtquellen zu beteiligen. Weitere Informationen über die App und das Projekt ist zu finden auf der Projektwebseite: https://nachtlicht-buehne.de.

Kooperationspartner
Das Projekt wird durchgeführt vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, der Ruhr-Universität Bochum und dem Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2023 – Unser Universum, einer Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gemeinsam mit Wissenschaft im Dialog (WiD).

Konzept für einen Satelliten
Das Projekt Night Watch dient der Konzeption eines europäischen Satelliten, der eines Tages die nächtliche Beleuchtung weltweit beobachten könnte. Forschende aus aller Welt tragen in dem einjährigen Projekt ihre Bedarfe für solche Satellitendaten zusammen. Anhand von Luftbildern und Simulationen wollen die Beteiligten außerdem simulieren, wie Satellitenbilder unter verschiedenen Bedingungen aussehen würden. „In Europa haben wir zurzeit keine ausreichende Datenquelle für nächtliche Beleuchtung“, erklärt Christopher Kyba. „Die Daten aktueller Nachtlichtsatelliten sind problematisch, weil zum Beispiel blaues Licht nicht aufgenommen wird oder die Satelliten während der normalen Schlafenszeit ihre Bilder aufnehmen.“ Die Forschenden wollen mehr über nächtliche Beleuchtung wissen, da sie nicht nur ein Indiz für menschliche Aktivitäten ist, sondern auch eine bedeutende Art der globalen Umweltveränderung ist. „Eine verbesserte Übersicht wäre deswegen sehr nützlich“, so Kyba.

Kooperationspartner
An dem Projekt unter der Koordination von Christopher Kyba sind fünf internationale Partner beteiligt: das Cégep de Sherbrooke, das Deutsche Geoforschungszentrum, das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, die Stiftung „Stars4all“ und die Universität Twente. Das Projekt wird gefördert von der European Space Agency.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 13. September 2022.

13. September 2022 – Ein internationales Forschungsteam hat ein Computerprogramm entwickelt, mit dem sich der Transport kosmischer Strahlung durch das All simulieren lässt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen, so das Rätsel um die Quellen der kosmischen Strahlung lösen zu können. Bislang ist unbekannt, welche Himmelsobjekte die hochenergetische Strahlung aussenden, die aus dem All auf die Erde prasselt. Um experimentelle Daten erklären zu können, braucht es theoretische Modelle; die neue Computersimulation kann diese liefern. Ein Team um Forschende der Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschreibt die Software in der Zeitschrift Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, online veröffentlicht am 12.September 2022.

Wie ein gleichmäßig ausgeleuchteter Himmel am Tag
Seit ihrer Entdeckung von 100 Jahren versuchen Forschende zu entschlüsseln, woher die kosmische Strahlung kommt. Das Problem: Von der Erde aus betrachtet sieht sie so aus wie der Himmel bei Tag mit bloßem Auge: Er ist fast überall, wo man hinschaut, gleich hell erleuchtet. Denn das Licht der Sonne wird in der Erdatmosphäre gestreut und verteilt sich gleichmäßig über den gesamten Himmel. Auch die kosmische Strahlung wird auf ihrem Weg zur Erde gestreut – durch Wechselwirkungen mit kosmischen Magnetfeldern. Von der Erde aus ist nur ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen; der Ursprung der Strahlung bleibt verborgen.

Teilchenbahnen von Anfang bis Ende simuliert
„Mit unserem Programm CRPropa ist es möglich, die Bahnen der Teilchen von ihrer Entstehung bis zu ihrer Ankunft auf der Erde nachzuverfolgen – und zwar für alle Energien, die wir von der Erde aus beobachten können“, sagt Julien Dörner, Doktorand an der RUB. „Auch die Wechselwirkung der Teilchen mit Materie und Photonfeldern im Universum können wir vollständig berücksichtigen.“

Dabei kann das Programm nicht nur kosmische Strahlung simulieren, sondern auch Neutrinoteilchen oder Gammastrahlung, die in Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung entstehen. „Diese Botenteilchen sind – anders als die kosmische Strahlung – direkt von ihren Quellen beobachtbar, sie kommen also auf direktem Weg zur Erde“, erklärt Dr. Patrick Reichherzer, Postdoktorand an der RUB. „Mit der Software können wir solche Strahlung von Neutrinos und Gammastrahlung auch aus fremden Galaxien wie Starbursts oder aktiven Galaxien vorhersagen.“

Das vorgestellte Simulationsprogramm ist die umfassendste derzeit existierende Simulationssoftware und ermöglicht neue Forschungswege. „Wir können neue Energiebereiche in der Simulation erschließen, die mit bisherigen Programmen nicht vollständig erfasst werden konnten“, sagt Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert von der Bergischen Universität Wuppertal. „Insbesondere der Übergang von der kosmischen Strahlung aus unserer eigenen Galaxie zu einem Anteil, der aus fremden Galaxien kommt, kann theoretisch beschrieben und mit Beobachtungen verglichen werden.“

Experimentelle Daten sind nur mit theoretischer Hilfe interpretierbar
Das Simulationsprogramm ist in einer internationalen Zusammenarbeit von 17 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entstanden, die in Deutschland, Spanien, den Niederlanden, Italien, Kroatien, England und Österreich forschen. Die RUB ist mit acht Forschenden federführend am Projekt beteiligt. Die Arbeiten sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1491 „Das Wechselspiel der kosmischen Materie“ entstanden, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. SFB-Sprecherin Prof. Dr. Julia Tjus von der RUB betont: „Die Veröffentlichung ist ein großer Schritt, um den Transport und die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung quantitativ in drei Dimensionen zu beschreiben. CRPropa wird signifikant dazu beitragen zu verstehen, woher die kosmische Strahlung kommt. Denn wir benötigen theoretische Berechnungen, die uns helfen, die Vielfalt an Daten, die wir aus dem Kosmos haben, zu interpretieren.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert von der „la Caixa“ Foundation (ID 100010434), dem Horizon-2020-Programm der EU (Förderkennzeichen 847648 und 646623), der Radboud Excellence Initiative, dem Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (Grantnummer I 4144-N27), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 1491, Projekte TJ 62/8-1 und KA710/5-1 sowie Exzellenzcluster 2121 Quantum Universe – 390833306), der Russian Science Foundation (Grantnummer 22-11-00063), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Förderkennzeichen 05A20PX1 und 05A20GU2) sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst und der RUB Research School.

Originalveröffentlichung
Rafael Alves Batista, Julia Becker Tjus et al.: CRPropa 3.2 – an advanced framework for high-energy particle propagation in extragalactic and galactic spaces, in: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2022, DOI: 10.1088/1475-7516/2022/09/035, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/09/035/pdf

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB).

25. November 2021 – Am nächtlichen Sternenhimmel sehen wir mit dem bloßen Auge Jahr für Jahr die gleichen Konstellationen, sodass der Eindruck entstehen könnte, es handele sich um ein statisches Konstrukt – ein Gedanke, der sich über Jahrhunderte hielt, bevor es Anfang des 20. Jahrhunderts gelang nachzuweisen, dass das Universum ein dynamisches System ist, das mit einem großen Knall entstanden ist und sich immer weiter ausdehnt.

Auch auf kleineren Skalen ist die Dynamik hoch, Sterne entstehen und vergehen in mächtigen Supernovaexplosionen. So beeinflussen sie die Dynamik der Galaxien, in denen sie beherbergt sind. Durch die Explosionen entstehen Wolken von Teilchen oder aus Plasma, die mit kosmischen Magnetfeldern wechselwirken. Das Wechselspiel der kosmischen Materie, welches diese Prozesse antreibt, ist Leitthema des Sonderforschungsbereiches 1491: „Wie werden die verschiedenen Formen von Materie und Energie ineinander umgewandelt? Wie werden die kleinsten, elementaren Teilchen zu den höchsten, jemals beobachteten Energien beschleunigt? Wie entstehen im Plasma der Galaxien großräumige Magnetfeldstrukturen? Welchen Einfluss hat die dunkle Materie auf die Dynamik der Systeme?“, nennt Prof. Dr. Julia Tjus, Sprecherin des SFB, einige der Forschungsfragen.

16 führende Forschende arbeiten in 13 Teilprojekten zusammen, um ein vereinheitlichtes Bild der nachweisbaren Spuren der wechselwirkenden Materie zu erstellen. Sie wollen verstehen, wie kleine Galaxien wie unsere Milchstraße funktionieren, aber auch große, in deren Kern sich ein aktives, supermassives schwarzes Loch befindet. Hierzu werden theoretische astrophysikalische Modelle mit experimentellen Beobachtungen aller Wellenlängen und Teilchen verknüpft. Des Weiteren liefert der SFB Wissen über die fundamentalen Eigenschaften der Materie aus theoretischen Rechnungen, kosmologischen Beobachtungen und irdischen Experimenten zu Teilchenwechselwirkungen. Dieses Wissen kann direkt in den astrophysikalischen Modellen verwendet werden. Die Kombination der beiden Forschungsstränge liefert ein detailreiches und präzises Bild, wie die Galaxien funktionieren und sich entwickeln.

Kooperationspartner
Dieses Wechselspiel der kosmischen Materie zu verstehen ist nur möglich, wenn Forscherinnen und Forscher aus verschiedenen Bereichen der Physik zusammenarbeiten: An der RUB ist die Zusammenarbeit zwischen der Astro- und Plasmaphysik wohletabliert, hinzu kommt die Expertise aus der Teilchen- und Astroteilchenphysik an den benachbarten Universitäten Dortmund und Wuppertal. Die Verknüpfungen der Teilgebiete Astro-, Plasma-, Astroteilchen- und Teilchenphysik werden seit 2015 im Ruhrgebiet im Ruhr Astroparticle and Plasma Physics Center (RAPP Center) untersucht.

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• Kosmologie

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Quelle: RUB.

15. September 2021 – Der Weltraum ist ein energiegeladener Ort. Dort explodieren, implodieren oder kollidieren stetig Objekte, sogar Galaxien und schwarze Löcher. Dabei werden Unmengen von energiereichen Teilchen frei. Erst mit der heutigen Technik, zum Beispiel mit modernen Teleskopen, ist es möglich, diese besonderen Ereignisse zu entdecken und zu beobachten. Patrick Reichherzer, Doktorand am Institut für Astronomie der Ruhr-Universität Bochum (RUB), hat dafür in einer internationalen Zusammenarbeit mit Forschenden aus Paris Astro-COLIBRI entwickelt: ein News-Interface, das sich mit solchen Ereignissen befasst. So werden die Nutzenden bei einem energiereichen Weltraumereignis automatisch benachrichtigt.

Astro-COLIBRI schafft Abhilfe
Gerade für Hobby-Astronomie-Begeisterte ist es meist nicht möglich, jedes dieser Ereignisse auch wirklich zu erfassen. Denn jedes Teleskop ist nur auf einen bestimmten Fleck im Weltraum gerichtet. Auch sind die meisten dieser Ereignisse kurzlebig und oft nur wenige Sekunden bis Stunden präsent.

Genau da setzt die Plattform Astro-COLIBRI an: Sie bietet zu jedem Ereignis eine Vielzahl von Daten. So können sich Interessierte über solche Weltraumereignisse auf dem neusten Stand halten. „Auf der Website sieht man direkt, welche Ereignisse es gab, jeder kann selbst evaluieren, ob diese Ereignisse eine persönliche Relevanz haben“, so Reichherzer. Neue Funktionen sind bereits geplant. Eine App gibt es schon, bald soll noch eine Kommentarfunktion dazukommen.

Astro-COLIBRI smartphone apps (promo video)

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• Space-ige Apps

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