Quelle: NASA / Jet Propulsion Laboratory, 26. Januar 2026

Dank der beispiellosen Empfindlichkeit des Webb-Teleskops erfahren Wissenschaftler immer mehr über den Einfluss der Dunklen Materie auf Sterne, Galaxien und sogar Planeten wie die Erde. Wissenschaftler haben anhand von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA eine der detailliertesten und hochauflösendsten Karten der Dunklen Materie erstellt, die jemals erstellt wurde. Sie zeigt, wie sich das unsichtbare, geisterhafte Material mit „normaler“ Materie überlagert und verflechten, aus der Sterne, Galaxien und alles, was wir sehen können, bestehen. Die Karte, die am Montag, dem 26. Januar, in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, baut auf früheren Forschungen auf und liefert zusätzliche Bestätigungen und neue Details darüber, wie dunkle Materie das Universum im größten Maßstab – Galaxienhaufen mit einem Durchmesser von Millionen von Lichtjahren – geprägt hat, aus denen letztlich Galaxien, Sterne und Planeten wie die Erde entstanden sind.

„Dies ist die größte Karte der Dunklen Materie, die wir mit Webb erstellt haben, und sie ist doppelt so scharf wie alle anderen Karten der Dunklen Materie, die von anderen Observatorien erstellt wurden“, sagte Diana Scognamiglio, Hauptautorin der Studie und Astrophysikerin am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien. „Bisher hatten wir nur ein verschwommenes Bild der Dunklen Materie. Dank der unglaublichen Auflösung von Webb sehen wir nun die unsichtbare Struktur des Universums in atemberaubender Detailgenauigkeit.“

Dunkle Materie strahlt kein Licht aus, reflektiert es nicht, absorbiert es nicht und blockiert es auch nicht, sondern durchdringt normale Materie wie ein Geist. Aber sie interagiert mit dem Universum durch die Schwerkraft, was die Karte mit einer neuen Klarheit zeigt. Der Beweis für diese Interaktion liegt im Grad der Überlappung zwischen dunkler Materie und normaler Materie. Laut den Autoren der Studie bestätigen die Beobachtungen von Webb, dass diese enge Übereinstimmung kein Zufall sein kann, sondern darauf zurückzuführen ist, dass die Schwerkraft der dunklen Materie im Laufe der kosmischen Geschichte normale Materie zu sich hinzieht.

„Wo immer wir einen großen Cluster aus Tausenden von Galaxien sehen, sehen wir auch eine ebenso große Menge an dunkler Materie am selben Ort. Und wenn wir eine dünne Kette aus normaler Materie sehen, die zwei dieser Cluster verbindet, sehen wir auch eine Kette aus dunkler Materie“, sagte Richard Massey, Astrophysiker an der Durham University im Vereinigten Königreich und Mitautor der neuen Studie. „Es ist nicht nur so, dass sie die gleiche Form haben. Diese Karte zeigt uns, dass dunkle Materie und normale Materie immer am selben Ort waren. Sie sind zusammen gewachsen.“

Genauer betrachtet

Das Gebiet, das von der neuen Karte abgedeckt wird, befindet sich im Sternbild Sextans und ist etwa 2,5 Mal so groß wie der Vollmond. Eine weltweite Gemeinschaft von Wissenschaftlern hat diese Region mit mindestens 15 bodengestützten und weltraumgestützten Teleskopen für die Cosmic Evolution Survey (COSMOS) beobachtet. Ihr Ziel: die Position der regulären Materie hier genau zu messen und sie dann mit der Position der dunklen Materie zu vergleichen. Die erste Karte der dunklen Materie in diesem Gebiet wurde 2007 unter Verwendung von Daten des Hubble-Weltraumteleskops der NASA erstellt, einem Projekt unter der Leitung von Massey und dem JPL-Astrophysiker Jason Rhodes, einem Mitautor der Veröffentlichung.

Webb beobachtete diese Region insgesamt etwa 255 Stunden lang und identifizierte fast 800.000 Galaxien, von denen einige zum ersten Mal entdeckt wurden. Scognamiglio und ihre Kollegen suchten dann nach dunkler Materie, indem sie beobachteten, wie ihre Masse den Raum selbst krümmt, was wiederum das Licht von fernen Galaxien auf seinem Weg zur Erde ablenkt. Bei der Beobachtung durch die Forscher wirkt es so, als ob das Licht dieser Galaxien durch eine gekrümmte Fensterscheibe gefallen wäre.

Die Webb-Karte enthält etwa zehnmal mehr Galaxien als Karten des Gebiets, die von bodengestützten Observatorien erstellt wurden, und doppelt so viele wie die von Hubble. Sie zeigt neue Ansammlungen dunkler Materie und liefert eine höherauflösende Ansicht der zuvor von Hubble beobachteten Gebiete. Um die Entfernungsmessungen zu vielen Galaxien für die Karte zu verfeinern, verwendete das Team das Mid-Infrared Instrument (MIRI) von Webb, das vom JPL entwickelt und bis zum Start betreut wurde, zusammen mit anderen Weltraum- und bodengestützten Teleskopen. Dank der von MIRI erfassten Wellenlängen eignet es sich auch hervorragend zur Erkennung von Galaxien, die durch kosmische Staubwolken verdeckt sind.

Warum das wichtig ist

Als das Universum entstand, waren normale Materie und dunkle Materie wahrscheinlich nur spärlich verteilt. Wissenschaftler glauben, dass sich die dunkle Materie zuerst zu Klumpen zusammenballte und dass diese Klumpen dann normale Materie anzogen, wodurch Regionen mit genügend Material entstanden, in denen sich Sterne und Galaxien bilden konnten. Auf diese Weise bestimmte die dunkle Materie die großräumige Verteilung der Galaxien im Universum. Indem sie die Entstehung von Galaxien und Sternen früher als sonst ausgelöst hat, trug die Dunkle Materie auch dazu bei, die Voraussetzungen für die spätere Entstehung von Planeten zu schaffen. Denn die ersten Generationen von Sternen waren dafür verantwortlich, Wasserstoff und Helium – die den größten Teil der Atome im frühen Universum ausmachten – in die vielfältigen Elemente umzuwandeln, aus denen heute Planeten wie die Erde bestehen. Mit anderen Worten: Die Dunkle Materie verschaffte komplexen Planeten mehr Zeit für ihre Entstehung.

„Diese Karte liefert einen weiteren Beweis dafür, dass es ohne Dunkle Materie in unserer Galaxie möglicherweise keine Elemente gäbe, die das Entstehen von Leben ermöglicht hätten“, so Rhodes. „Dunkle Materie ist nichts, was wir in unserem Alltag auf der Erde oder sogar in unserem Sonnensystem antreffen, aber sie hat uns definitiv beeinflusst.“

Scognamiglio und einige ihrer Co-Autoren werden die Dunkle Materie auch mit dem kommenden Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA über einem Gebiet kartieren, das 4.400 Mal größer ist als die COSMOS-Region. Zu den wichtigsten wissenschaftlichen Zielen von Roman gehört es, mehr über die grundlegenden Eigenschaften der Dunklen Materie zu erfahren und darüber, wie sie sich im Laufe der kosmischen Geschichte verändert haben oder auch nicht. Die Karten von Roman werden jedoch die räumliche Auflösung von Webb nicht übertreffen. Eine detailliertere Untersuchung der dunklen Materie wird nur mit einem Teleskop der nächsten Generation möglich sein, wie dem Habitable Worlds Observatory, dem nächsten Flaggschiff-Konzept der NASA im Bereich der Astrophysik.

Mehr über Webb

Das James Webb Space Telescope löst Geheimnisse in unserem Sonnensystem, blickt über diese hinaus auf ferne Welten um andere Sterne und erforscht die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA mit ihren Partnern ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumagentur).

Weitere Informationen über Webb finden Sie unter: https://science.nasa.gov/webb

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• Dunkle Materie

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Im November 1915 hält Albert Einstein vier Vorträge an der Preußischen Akademie der Wissenschaften in Berlin. In diesen Vorträgen stellt er seinem Publikum die Allgemeine Relativitätstheorie vor, an der er jahrelang getüftelt hatte. Mit dieser Theorie kann Einstein beschreiben, wie Materie, Raum und Zeit wechselwirken. Dabei schafft er kurzerhand eine Kraft unseres Universums ab: die Schwerkraft.

Bei Isaac Newton war alles noch viel einfacher gewesen: Laut dem Briten ist die Schwerkraft, wie der Name schon sagt, eine Kraft. Diese wirkt zum Beispiel zwischen zwei Massen anziehend. Mit den Newtonschen Gravitationsgesetzen ließ sich zunächst wunderbar erklären, warum ein Apfel vom Baum fällt oder warum die Erde um die Sonne kreist.

Doch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitet Einstein der Schwerkraft nun ein Ende: Laut ihm handelt es sich dabei lediglich um einen Effekt der gekrümmten Raumzeit. Frei nach dem Physiker John Wheeler übersetzt könnte man die Allgemeine Relativitätstheorie so zusammenfassen: Die Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat, und die gekrümmte Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich zu bewegen hat. Ein Apfel fällt also nicht deshalb vom Baum, weil er die Effekte der Schwerkraft verspürt, sondern weil er dem kürzesten Weg in der gekrümmten Raumzeit folgt.

Doch war die Allgemeine Relativitätstheorie im Jahr 1915 nicht nur konzeptionell ungeheuerlich, sondern auch mathematisch: Ihre Gleichungen sind so kompliziert, dass Einstein selbst zunächst davon überzeugt ist, dass es unmöglich sei, exakte Lösungen für sie zu finden.

Wie praktisch, dass sich bei einem seiner Vorträge ein Mensch befand, dem genau das nur wenig später gelingen sollte – und das, während er als Soldat im Ersten Weltkrieg an der Front stationiert war. Karl Schwarzschild war Physiker und Astronom. Außerdem beherrschte er praktischerweise genau jene mathematischen Fähigkeiten, die benötigt wurden, um eine exakte Lösung für die Einstein’schen Feldgleichungen zu finden. Diese Gleichungen brachten jedoch einen seltsamen Aspekt zu Tage, der zeigte: Es könnte so etwas wie Schwarze Löcher geben.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Schwarze Löcher

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Quelle: ÖWF 29. August 2024.

29. August 2024 – Am 29. August 2024 eröffneten das Österreichische Weltraum Forum (ÖWF) und die Europäische Weltraumagentur ESA, vertreten durch ESA-Reserveastronautin Dr. Carmen Possnig, Österreichs erste ESA Ground Based Facility. Die Einrichtung ist in Europa einzigartig und steht Forschenden offen, um die Wirkung von geringer oder null Schwerkraft auf den menschlichen Körper zu erforschen. Projektfinanzierungen sind z.B. über das CORA-Programm der Europäischen Weltraumagentur ESA möglich.

„Wir sind ungemein stolz darauf, dass wir nun die erste ESA Ground Based Facility in Österreich betreiben. Das zeigt einmal mehr, dass das ÖWF in den letzten 25 Jahren zu einer international anerkannten Forschungseinrichtung gewachsen ist und wichtiger Player im Weltraumsektor ist, wenn es darum geht Analogforschung voranzutreiben. Diese Einrichtung stellt für die Hypogravitationsforschung einen bedeutenden Fortschritt dar. Indem wir die Bedingungen im Weltraum, auf dem Mond oder auf dem Mars simulieren können, erweitern wir unser Wissen über die Auswirkungen von Langzeitraumflügen auf den menschlichen Körper und können wirksame Gegenmaßnahmen entwickeln“, sagt Dr. Gernot Grömer, Direktor des Österreichischen Weltraum Forums.

In der Vertical Treadmill Facility wird eine Testperson mittels Seilzügen in Schwebe gehalten und mit einem Gurtsystem auf ein Vertikal-Laufband gezogen, um verschiedene Schwerkraftniveaus zu simulieren, ein ideales System für Hypogravitationsforschung und für Bildungszwecke.
Das Vertikal-Laufband ist mit fortschrittlichen Systemen ausgestattet und bietet die Möglichkeit, den Aouda Mars-Raumanzugsimulator, der vom ÖWF entwickelt wurde, mit dem Laufband zu kombinieren.

Die Einrichtung ist in Europa einzigartig und steht Forschenden offen, um die Wirkung von geringer oder null Schwerkraft auf den menschlichen Körper zu erforschen. Projektfinanzierungen sind z.B. über das CORA-Programm der Europäischen Weltraumagentur ESA möglich.

Das Vertikal-Laufband – wie funktioniert es?
Eines der größten Probleme bei langandauernden Raumflügen ist die physische Dekonditionierung des Körpers, die sich meist als Verlust von Knochen- und Muskelmasse äußert. Andere physiologische Veränderungen und Veränderungen der Bewegungsmuster, wie z. B. des Gangs, hängen mit der Schwerkraft z. B. auf dem Mond, dem Mars oder Asteroiden zusammen.

Deshalb reproduziert das „Subject Loading System“ die Trainings- und Bewegungsbedingungen bei Schwerelosigkeit und Teilgravitation, wie sie an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) oder auf Planeten herrschen können, um die menschliche Physiologie zu untersuchen und die Trainingsprogramme anzupassen. Die Vertical Treadmill Facility (VTF) der ESA ist eine Einrichtung mit einer vertikal aufgestellten Fortbewegungsfläche (Laufband). Bei Verwendung auf der Erdoberfläche, also im Gravitationsfeld der Erde, muss die Versuchsperson während einer Geh- oder Laufübung an einer VTF aufgehängt werden. Die Schwebekraft gleicht die Schwerkraft der Körpersegmente aus, die parallel zur Fortbewegungsfläche und nicht senkrecht dazu wirkt wie bei der Fortbewegung auf einer horizontalen Fläche. Ein „Subject Loading System“ kann ebenfalls integriert werden, um die auf den Körper wirkende Schwerkraft teilweise oder ganz zu ersetzen. Die simulierte Schwerkraft wirkt somit senkrecht auf die Fortbewegungsfläche.

Diese wesentlichen Funktionen eines jeden Vertikal-Laufbands werden durch drei Hauptkomponenten bereitgestellt:

• Ein Laufband: bietet eine Fortbewegungsfläche, die vertikal in einem Chassis montiert ist.
• Ein Aufhängungssystem: bietet über das Aufhängungsgeschirr eine Federungskraft, um die Wirkung der Erdanziehungskraft zu unterdrücken, und ist an einem bodengestützten Chassis montiert.
• Ein Subject Loading System: bietet eine Zugkraft, die die Schwerkraft des Körpers zur Fortbewegungsfläche simuliert.

Vertical Treadmill Fakten

• Laufband-Geschwindigkeit: 0-20 km/h
• Maximales Gewicht der Testperson: 110 kg
• Schwerkraft-Bandbreite: 0-1 g
• Zugelassen für Parabelflüge
• VTF Gesamt-Masse: 703 kg (davon entfallen 450 kg auf das Laufband-Gerüst)

Über das Österreichische Weltraum Forum (ÖWF)
Das Österreichische Weltraum Forum (ÖWF) gehört im Bereich der Analogforschung weltweit zu den führenden Organisationen, die an der Vorbereitung astronautischer Erforschung anderer Planeten mitarbeiten. Das ÖWF ist seit August 2024 Österreichs erste ESA Ground Based Facility und betreibt ein Vertikal-Laufband zur Simulation unterschiedlicher Schwerkraft-Levels. Das ÖWF ist federführend an zwei internationalen Cube-Sat Missionen beteiligt, die von 2022 bis 2024 Weltraumschrott in der Erdumlaufbahn aufspürten. Expert*innen verschiedenster Disziplinen bilden innerhalb des ÖWFs die Basis für diese Arbeit. Gemeinsam mit nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen, Industrie und Unternehmen unterschiedlicher Branchen wird hier Forschung auf höchstem Niveau betrieben. Dabei nutzt das ÖWF seine ausgezeichneten Kontakte zu Meinungsbildner*innen, Politik und Medien, um österreichische Spitzenforschung und Technologie international voranzutreiben und bekanntzumachen. Das Österreichische Weltraum Forum ist zudem einer der wichtigsten Bildungsträger in Österreich, wenn es um Raumfahrt und darum geht, junge Menschen für Wissenschaft und Technik zu begeistern sowie ihnen einen Zugang zu dieser Branche zu ermöglichen. Neben der Betreuung von universitären Arbeiten bietet das ÖWF auch immer wieder Studierenden und Schüler*innen die Möglichkeit, im Rahmen von Praktika ihr Wissen zu erweitern.

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• Österreichisches Weltraum Forum (ÖWF)

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. März 2024.

Friedrichshafen, 19. März 2024 – Airbus hat vom Jet Propulsion Laboratory JPL (Pasadena, Kalifornien) der NASA den Zuschlag für die Entwicklung und den Bau der GRACE-C-Zwillingssatelliten erhalten. Diese neue Mission der NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird die mehr als 20-jährige Partnerschaft zwischen den USA und Deutschland fortsetzen und damit die ununterbrochenen Messung des Schwerefelds der Erde gewährleisten. 2002 begann die Kooperation mit GRACE und wurde mit dem 2018 gestarteten GRACE Follow-On fortgeführt.

Während ihrer fünfjährigen nominellen Missionsdauer wird die GRACE-C-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment-Continuity) die Messreihe fortsetzen, mit der beobachtet wird, wie sich das Grundwasser, die Ozeane, die Eisschilde und das Land der Erde von Monat zu Monat verändern, indem Veränderungen im Schwerefeld des Planeten gemessen werden.

Alain Fauré, Leiter von Space Systems bei Airbus, sagte: „Es ist erstaunlich, dass zwei Satelliten, die mehr als 200 km voneinander entfernt sind, uns sagen können, wie schnell unsere Eisschilde schmelzen, ohne auf die Erde zu schauen. Bei der Umweltüberwachung ist Kontinuität ein Schlüsselelement. Die wertvollen Daten, die die bisherigen GRACE-Missionen geliefert haben, sind ein Beweis für ihren Erfolg, und es ist eine großartige Nachricht, dass Airbus weiterhin Teil dieser internationalen Mission ist, die die Instrumente zur Messung der Entwicklung unseres Klimas liefert.”

GRACE-C besteht aus zwei identischen Satelliten, die im Abstand von etwa 200 km auf einer Umlaufbahn in 500 km Höhe mit einer Neigung von 89 Grad fliegen. Jeder Satellit wird etwa 3 x 2 x 1 Meter groß sein und rund 600 kg wiegen. Der Start soll frühestens Ende 2028 von den USA aus erfolgen.

Wie ihre Vorgänger ist auch die GRACE-C-Mission darauf ausgelegt, kleine Abstandsänderungen zwischen den Satelliten aufgrund von Schwerkraftschwankungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bis auf den Mikrometer genau zu messen. Während die beiden Satelliten die Erde umkreisen, werden Bereiche mit etwas stärkerer Schwerkraft (größere Massenkonzentration) die Position der Sonde und damit den Abstand zwischen den Satelliten beeinflussen. Das äußerst präzise Mikrowellen-Entfernungsmesssystem wird diese Veränderungen aufspüren und die Kartierung des Schwerefelds der Erde mit unübertroffener Genauigkeit ermöglichen.

Anhand der Veränderungen in diesen Schwerkraftkarten – oder der Verfolgung der Massenkonzentration – können die Wissenschaftler im Laufe der Monate oder Jahren den globalen Wasserhaushalt, einschließlich Grundwasserspiegel und Eisschilde, und den Einfluss des Klimawandels beurteilen. Außerdem wird es Einblicke in die Tiefen- und Oberflächenströmungen in den Ozeanen und in den Beitrag der Ozeanhöhen liefern.

GRACE-C ist ein Umbau der beiden GRACE Follow-On Satelliten mit modernster Avionik und dem gemeinsamen US-amerikanisch-deutschen Laser Ranging Interferometer (LRI), das bereits auf GRACE Follow-On als experimentelle Nutzlast geflogen ist und nun das Hauptinstrument für die Entfernungsmessung darstellt.

Die Mission basiert auf einer ressortübergreifenden Partnerschaft zwischen NASA und DLR. Die deutschen Beiträge werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die optische Bank des LRI-Instruments wird von der SpaceTech GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsforschung (Albert-Einstein-Institut) gebaut.

Airbus Defence and Space in Friedrichshafen wird die Satelliten entwerfen, bauen und zum Startplatz liefern, einschließlich der Unterstützung der NASA/JPL in der Start- und frühen Orbitphase (LEOP). Die Mission wird vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) des DLR betrieben.

GRACE-C – eine erfolgreiche Serie von Missionen zur Beobachtung der Erdumwelt geht weiter
GRACE-C ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Dies wird durch Beiträge anderer Projektpartner auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten verantwortlich sein und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) zusammen mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für den Bau des Lasersystems zur Messung der Entfernung zwischen den GRACE-C-Sonden.

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• GRACE-C

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Inzwischen hat man sich fast an den Gedanken gewöhnt, dass unser Universum voll Dunkler Materie ist. Die können wir zwar nicht sehen, aber sie sorgt dafür, dass unsere Galaxienhaufen und auch unsere eigene Galaxie nicht auseinanderfliegen. Tatsächlich ist die Dunkle Materie für uns überlebenswichtig. Da verzeiht man ihr es gerne, dass sie wohl 84 Prozent aller Materie im Universum ausmacht.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fieberhaft nach der Dunklen Materie – was gar so einfach ist, wenn man bedenkt, dass niemand sie sehen kann und sie auch nicht mit sichtbarer Materie wechselwirkt, aus der wir und alles um uns herum besteht. Aber, da sind Forschende fast sicher: Es muss sie einfach geben, die Dunkle Materie.

Aber warum muss es Dunkle Materie in unserem Universum geben? In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi den Anfang einer Geschichte: die der Entdeckung der Dunklen Materie. Sie fängt mit dem Coma-Galaxienhaufen an, dessen Galaxien zu schnell unterwegs sind, hin zu Galaxien, die zu schnell rotieren und eigentlich auseinanderfliegen sollten. Doch schließlich war es die Kosmologie und der Wunsch nach einem ganz bestimmten Universum, welche der Dunklen Materie zu ihrem Durchbruch auf der wissenschaftlichen „Most-Wanted“-Liste verhalfen.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban alle regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist der Podcast von Die Weltraumreporter, einem Magazin der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement die Weltraumreporter für 3,49 Euro pro Monat oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• Dunkle Materie
• AstroGeo Podcast

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Quelle: Universität Duisburg-Essen (UDE) 24. Mai 2023.

24. Mai 2023 – Unser roter Nachbarplanet fasziniert die Menschheit seit langem, ist er doch der Erde am ähnlichsten und seine Oberfläche durch ein Teleskop gut sichtbar. Raumsonden und Lander haben schon einiges erforscht, aber die Details geben Rätsel auf: So rutschen in der warmen Saison regelmäßig riesige Hänge ab, immer an denselben Stellen. Was löst diese Staublawinen aus? Die Forschenden vermuten, dass ein thermischer Gasfluss innerhalb des Bodens die Ursache ist und wollen dies nun im Experiment herausfinden.

Eine Zentrifuge ist dabei das Herzstück: Sie wurde vom fünfköpfigen Team um Prof. Dr. Gerhard Wurm entwickelt und wird gerade in Bordeaux in ein speziell ausgerüstetes Flugzeug eingebaut. Dieses hebt zu insgesamt drei Flügen mit jeweils 30 Parabeln ab (23.-25.5.). „In der Schwerelosigkeit simuliert eine Vakuumkammer die echte Mars-Schwerkraft, die geringer ist als auf der Erde“, erklärt Dr. Jens Teiser, der seit 2004 bei Parabelflügen wissenschaftliche Experimente macht. „Mit dabei haben wir besonderen Sand, der dem auf dem Mars gleicht. Durch Kippen der Vakuumkammer wird die Hangneigung langsam erhöht, bis der Sand ins Rutschen kommt. Halogenlampen erhitzten ihn während des Fluges, um den thermischen Gasfluss zu erzeugen.“

Wie läuft ein Parabelflug ab?
Das Flugzeug geht auf rund 7.500 Meter und fliegt von dort mit vollem Schub – in einem 47-Grad-Winkel – in 20 Sekunden auf etwa 8.700 Meter. In dieser Höhe drosselt der Pilot die Triebwerke, und das Flugzeug fällt frei auf einer parabelförmigen Bahn nach unten. Die Schwerelosigkeit dauert etwa 22 Sekunden, bevor der Pilot abfängt und zur nächsten Parabel ansetzt.

„Die Schwerelosigkeit ist die angenehmste Phase. Davor und danach wirkt doppelte Schwerkraft, das heißt man wird mit dem zweifachen Körpergewicht auf den Flugzeugboden gepresst“, sagt Teiser. Der Physiker hat die 160 Kilogramm schwere Zentrifuge mit entwickelt. Sie kann für weitere Experimente eingesetzt werden – etwa, um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Doch zunächst sind nach den Flügen, die meist über dem Atlantik stattfinden, tausende Gigabyte Daten auszuwerten. „Wir wollen wissen, was auf dem Mars anders ist als bei uns und dadurch Zusammenhänge besser verstehen“, so Teiser.

Das dreijährige Forschungsvorhaben SCARLETT läuft bis Ende 2023. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert, Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt.

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• Parabelflüge

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Quelle: GFZ, 3. April 2023.

Zusammenfassung
Ein Team des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) hat nun gemeinsam mit Forschenden der Universität Bonn und des Forschungszentrums Jülich die Jahre von 2002 bis 2022 genauer untersucht. Ihr Fazit: Im Durchschnitt hat Deutschland jedes Jahr 760 Millionen Tonnen (0,76 Kubikkilometer) Wasser verloren – sei es durch abnehmende Bodenfeuchte, schwindendes Grundwasser, abgeschmolzene Gletscher oder gesunkene Wasserspiegel. Die Studie beruht in erster Linie auf Daten der Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv). Das Besondere dieser Studie ist, dass die Forschenden vier verschiedene Auswertemethoden verglichen haben und damit zu einem deutlich geringeren Wasserverlust kamen als andere Auswertungen der Satellitendaten, die lediglich auf einer einzigen Methode beruhten. Der gesamte Wasserspeicher (auf Englisch Terrestrial Water Storage, TWS) hat demnach in den zwei Jahrzehnten um zusammengerechnet 15,2 Kubikkilometer abgenommen. Zum Vergleich: Der Wasserverbrauch aller Sektoren – Industrie, Landwirtschaft, Privathaushalte – in Deutschland beträgt rund 20 Kubikkilometer pro Jahr. Um verlässlich einen Trend abschätzen zu können, sei der Zeitraum jedoch zu kurz und zu stark von verschiedenen Extremen geprägt, schreiben die Forschenden in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift „Hydrologie & Wasserbewirtschaftung (HyWa)“.

Hintergrund: Bestimmung von Schwerefeld und Wassermassen der Erde aus Satellitendaten
Die Satellitenmissionen GRACE (2002 bis Missionsende 2017) und GRACE-Follow On (seit 2018 aktiv) sind einzigartig. Die Satelliten-Tandems vermessen die Erdanziehungskraft, das so genannte Schwerefeld, und dessen Änderungen global auf Monatsbasis. Aus diesen Schwerefelddaten lassen sich Massenverlagerungen erkennen, die wiederum Rückschlüsse auf Veränderungen im Wasserkreislauf erlauben, also beispielsweise das Abschmelzen von Gletschern oder das Entleeren von Grundwasserspeichern. Erstmals ist es damit zum Beispiel gelungen, den Eismassenverluste Grönlands und der Antarktis zu quantifizieren. Der große Vorteil dieser Art von Messung: Sie erfasst auch Grundwasserleiter, die tief unter der Erdoberfläche verborgen sind. Der Nachteil: Die räumliche Auflösung der Schwerefelddaten ist vergleichsweise grob: rund 300 mal 300 Kilometer. Verlässliche Aussagen lassen sich daher nur für Gebiete von rund 100.000 Quadratkilometern Größe treffen, das entspricht etwa der Fläche der ehemaligen DDR.

Neue Analyse verschiedener Datenreihen für Deutschland (2002-2022)
Ein Team von Forschenden unter der Leitung von Andreas Güntner vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat jetzt erstmals für Deutschland einen detaillierten Überblick über die von den Satelliten gemessenen Änderungen des Gesamtwasserspeichers der letzten zwanzig Jahre veröffentlicht. Beteiligt waren Kolleg:innen mehrerer GFZ-Sektionen sowie Forschende aus dem Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn und aus dem Forschungszentrum Jülich.

Unterschiede in der Auswertung der Daten
Für die Auswertung der Daten – sowohl was die Bestimmung des Schwerefeldes betrifft als auch daraus abgeleitet die Bestimmung der gespeicherten Wassermassen – muss eine ganze Reihe von störenden Effekten herausgerechnet werden. So sind die 300 mal 300 Kilometer messenden Datenflächen naturgemäß nicht scharf abgegrenzt, denn der Einfluss der Schwerkraft auf die Satelliten lässt sich nicht auf klar definierte Segmente der Erde zurückführen wie etwa bei einem Satellitenbild. Das zeigt sich etwa darin, dass der Schwerefeldeffekt abschmelzender Alpengletscher auch die Messungen für die Wasservorkommen im Alpenvorland überlagert (der Effekt wird „Leakage“ genannt): Wenn die Gletschermassen schwinden, sieht es für die Satelliten so aus, als ob auch weiter entfernte Wassermassen verschwunden seien. Außerdem ändert sich das Schwerefeld der Erde auch, ohne dass sich akut Wassermassen verändern. Ein solcher Effekt ist beispielsweise, dass sich in manchen Regionen nach dem Verschwinden der eiszeitlichen Gletscher heute noch die Erdkruste hebt.

Je nach Prozessierungsmethoden und korrigierenden Faktoren ergeben sich leicht unterschiedliche Werte für das Schwerefeld und dessen Variationen. Die Forschenden nutzten für ihre Studie vier Datenreihen: die GFZ-eigene, eine aus mehreren Datenreihen berechnete Kombinationslösung der Uni Bern (COST-G genannt), eine der Universitäten Graz und Bonn (ITSG/UB) und eine vom Jet Propulsion Laboratory der NASA (JPL Mascons). Zusätzlich nutzten sie Niederschlagsdaten und Computermodelle des FZ Jülich, die die Veränderung des Gesamtwasserspeichers simulierten.

Ergebnisse im Vergleich
Über weite Teile des Beobachtungszeitraums, insbesondere in den Jahren zwischen 2004 und 2015, stimmen die Ergebnisse aller vier Datensätze für die Schwerefeldänderungen gut überein. Unterschiede gab es vor allem zu Beginn und am Ende der Zeitreihen. Das Jahr 2002 war von extremen Niederschlägen insbesondere in Süd- und Ostdeutschland geprägt. Die verheerenden Hochwasser an der Donau und der Elbe ereigneten sich im August 2002. Und am Ende des Untersuchungszeitraums stehen die trockenen Jahre seit 2018. In beiden Extremfällen zeigte vor allem die NASA-JPL-Datenreihe größere Ausschläge nach oben und unten. Auch die jahreszeitlichen Unterschiede zwischen dem Maximum der Wasserspeicherung im Winter und dem Minimum im Sommer fallen bei der NASA-JPL-Reihe am stärksten aus.

Vorsicht bei der Interpretation geboten
Die Forschenden mahnen daher zu Vorsicht bei der Interpretation von Auswertungen, die lediglich auf einer Datenreihe beruhen, und weisen insbesondere auf besondere Empfindlichkeit für Flut- oder Dürre-Extreme bei der NASA-JPL-Mascons-Reihe hin. Sie vermuten die Ursache in unterschiedlichen Prozessierungsverfahren und bei der Korrektur des „Leakage“-Effekts.

Diskussion früherer Publikation: 0,76 versus 2,5 Kubikkilometer durchschnittlicher Wasserverlust pro Jahr in Deutschland
Es waren jedoch ausgerechnet diese Datenreihe und Schlussfolgerungen daraus, die im vergangenen Jahr zu einem großen Medienecho geführt hatten: Deutschlands Gesamtwasserspeicher verliere fast 2,5 Kubikkilometer Wasser pro Jahr, hatte es geheißen, besonders betroffen sei der Südwesten. Der Vergleich mit anderen Auswerteverfahren zeigt nun: Es sind vermutlich nur 0,76 Kubikkilometer, also knapp ein Drittel des über die JPL-Mascons-Reihe bezifferten Verlusts. Und besonders in der Nähe der Alpen müsse man den Schwerefeld-Effekt abschmelzender Gletscher (Leakage) zusätzlich in Betracht ziehen.

Schlussfolgerung und Notwendigkeit zur Verlängerung der Datenreihen
Trotz der niedrigeren Werte gibt der Leitautor der Studie, Andreas Güntner, zu bedenken: „Die Beobachtungen aus allen Datensätzen zeigen, dass ein Jahr mit höheren Niederschlägen wie 2021 nicht ausreicht, um die Defizite der Wasserspeicherung, die sich über den längeren Zeitraum angesammelt haben, wieder auszugleichen.“

Auch bei Prognosen raten die Forschenden zur Vorsicht. Mitautorin Helena Gerdener von der Universität Bonn mahnt: „Da es in den zwanzig Jahren der bisherigen Datenerhebung einige auffällige Extreme gegeben hat, ist eine Aussage zu einem langfristigen Trend nur schwer zu treffen.“

Umso wichtiger sei die Kontinuität der Messreihe, schreiben die Forschenden. Eine Fortsetzung der GRACE- und GRACE-FO-Missionen wird bereits geplant und soll 2028 ins All starten.

Originalpublikation:
Güntner, A., Gerdener, H., Boergens, E., Kusche, J., Kollet, S., Dobslaw, H., Hartick, C., Sharifi, E., Flechtner, F. (2023): Veränderungen der Wasserspeicherung in Deutschland seit 2002 aus Beobachtungen der Satellitengravimetrie. Hydrologie & Wasserbewirtschaftung, 67, (2), 74-89. DOI: 10.5675/HyWa_2023.2_1

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt 30. November 2022.

30. November 2022 – Die theoretische Beschreibung physikalischer Phänomene beruht auf einer grundlegenden Annahme: dass nämlich das Ergebnis eines Experiments nicht von seiner Ausrichtung in der Raumzeit abhängt. Einsteins Relativitätstheorie stützt sich in hohem Maße auf diese Annahme, und experimentelle Tests haben ihre Gültigkeit bisher bestätigt. Einige Theorien der Quantengravitation deuten jedoch darauf hin, dass diese Raumzeit-Symmetrie möglicherweise nicht vollständig gilt und eine kleine Verletzung experimentell beobachtet werden könnte. Ein Team der Forschungsgruppe QUEST 2 Quantenuhren und komplexe Systeme an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat nun mit einem einzelnen gefangenen Ytterbium-Ion nach einer solchen Verletzung der Lorentz-Symmetrie gesucht. Das Ergebnis: Trotz doppelt so hoher Genauigkeit wie beim bislang besten Test fand sich kein signifikanter symmetriebrechender Effekt. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Bereits vor mehr als einem Jahrhundert haben Michelson und Morley gezeigt, dass sich Licht mit einer festen Geschwindigkeit ausbreitet, unabhängig von der Ausbreitungsrichtung. Diese sogenannte Lorentz-Symmetrie wurde später zu einem grundlegenden Prinzip in Einsteins Relativitätstheorie. Diese Theorie beschreibt die Schwerkraft erfolgreich auf makroskopischer Ebene, doch es fehlt eine Erklärung für ihr Verhalten auf quantenmechanischer Ebene. Bei dem Versuch, eine quantenkonsistente Beschreibung der Schwerkraft zu geben, wurde vorgeschlagen, dass die Lorentz-Symmetrie nicht für alle Teilchen gilt, d. h. dass sich Teilchen je nach ihrer Ausbreitungsrichtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen könnten, obwohl sie die gleiche Energie haben. Obwohl dieser Effekt am stärksten bei hohen Energien vorhergesagt wurde, kann er bei Präzisionsexperimenten mit niedriger Energie beobachtet werden – wenn er denn existiert.

Um die Lorentz-Symmetrie mit noch nie dagewesener Präzision zu untersuchen, verwendete das PTB-Team ein einzelnes kaltes gefangenes Ytterbium-Ion. Die Elektronen des Ions bewegen sich in Orbitalen, die sich in Bezug auf ein statisches Magnetfeld ausrichten, das im Labor in einer festen Richtung angelegt wird. Ihre absolute Orientierung im Universum ändert sich aber mit der Drehung der Erde. „Wenn die Lorentz-Symmetrie gebrochen würde und die Geschwindigkeit des Elektrons von der absoluten Richtung seines Orbitals abhängt, würde der Energieunterschied zwischen zwei orthogonalen, also rechtwinklig zueinander angeordneten Orbitalen periodisch mit der Rotationsfrequenz der Erde (23,9345 Stunden) variieren“, erläutert Physikerin Laura Dreissen.

Um solche kleinen, durch die Lorentz-Symmetrie verursachten Energieverschiebungen zu beobachten, müssen die viel größeren, durch Umgebungsrauschen verursachten Energieverschiebungen unterdrückt werden. In diesem Experiment wurde eine neuartige Methode angewandt, die den Quantenzustand des Ions dynamisch so manipuliert, dass es unempfindlich gegenüber Rauschen wird, während es empfindlich gegenüber Effekten bleibt, die von einer hypothetischen Lorentz-Verletzung herrühren. Das Ion konnte mehrere Sekunden lang abgefragt werden, bevor es durch Rauschen beeinflusst wurde. Damit wurde eine Weltrekord-Empfindlichkeit für einen Lorentz-Symmetriebruch-Effekt erreicht. Um nach periodischen Signalen mit der Frequenz der Erdrotation zu suchen, wurden Daten über einen Zeitraum von mehr als fünf Wochen aufgenommen. In dem Datensatz wurde keine eindeutige Signatur gefunden, aber eine Verletzung der Lorentz-Symmetrie konnte mit einer doppelt so hohen Genauigkeit wie beim vorherigen besten Test ausgeschlossen werden.

Für weitere Untersuchungen zur Gültigkeit der Lorentz-Symmetrie für Elektronen kann in Zukunft eine empfindlichere Messung durchgeführt werden, indem die Methode auf etwa 10 gefangene Ionen gleichzeitig angewendet wird.

Originalpublikation:
Laura Dreissen, Chih-Han Yeh, Henning Fürst, Kai Grensemann, Tanja Mehlstäubler: Improved bounds on Lorentz violation from composite pulse Ramsey spectroscopy in a trapped ion. Nature Communications 13, 7314 (2022).

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Waterloo; 16. August 2022.

Simulationen sagten voraus, dass sich hinter dem diffusen orangefarbenen Leuchten ein dünner, heller Lichtring verbergen sollte, der von Photonen erzeugt wird, die durch die starke Schwerkraft um die Rückseite des Schwarzen Lochs geschleudert werden.

Ein Forscherteam unter der Leitung des Astrophysikers Avery Broderick verwendete ausgeklügelte Bildgebungsalgorithmen, um die Originalbilder des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 im Wesentlichen „neu zu mastern“.

„Wir haben die Scheinwerfer ausgeschaltet, um die Glühwürmchen zu sehen“, so Broderick, der am Perimeter Institute und an der University of Waterloo lehrt. „Wir konnten etwas Tiefgreifendes tun – wir konnten eine fundamentale Signatur der Schwerkraft um ein Schwarzes Loch herum auflösen.“

Indem man Elemente des Bildmaterials im Wesentlichen „abschält“, so Mitautor Hung-Yi Pu, Assistenzprofessor an der National Taiwan Normal University, „kann man die Umgebung des Schwarzen Lochs klar erkennen.“

Um dies zu erreichen, setzte das Team einen neuen Bildgebungsalgorithmus innerhalb des Event Horizon Telescope (EHT)-Analysesystems THEMIS ein, um das ausgeprägte Ringmerkmal aus den ursprünglichen Beobachtungen des Schwarzen Lochs M87 zu isolieren und zu extrahieren – und um den verräterischen Fußabdruck eines starken Jets zu erkennen, der vom Schwarzen Loch nach außen schießt.

Die Ergebnisse der Forscher bestätigen sowohl theoretische Vorhersagen als auch neue Wege zur Erforschung dieser mysteriösen Objekte, von denen man annimmt, dass sie sich im Herzen der meisten Galaxien befinden.

Schwarze Löcher galten lange Zeit als unsichtbar, bis Wissenschaftler sie mit einem weltumspannenden Netz von Teleskopen, dem EHT, aus ihrem Versteck lockten. Mit Hilfe von acht Observatorien auf vier Kontinenten, die alle auf dieselbe Stelle am Himmel gerichtet und mit Nanosekunden-Taktung miteinander verbunden sind, beobachteten die EHT-Forscher 2017 zwei Schwarze Löcher.

Die EHT-Kollaboration enthüllte 2019 zunächst das supermassive Schwarze Loch in M87 und dann 2022 das vergleichsweise kleine, aber turbulente Schwarze Loch im Herzen unserer eigenen Milchstraßengalaxie, das Sagittarius A* (oder Sgr A*) genannt wird. Supermassive schwarze Löcher befinden sich im Zentrum der meisten Galaxien und vereinen eine unglaubliche Menge an Masse und Energie auf kleinem Raum. Das Schwarze Loch M87 zum Beispiel ist zwei Billiarden Mal (das ist eine Zwei gefolgt von 15 Nullen) massereicher als die Erde.

Das Bild von M87, das die Wissenschaftler 2019 vorstellten, war ein Meilenstein, aber die Forscher waren der Meinung, dass sie das Bild schärfen und neue Erkenntnisse gewinnen könnten, wenn sie intelligenter und nicht härter arbeiten würden. Sie wendeten neue Softwaretechniken an, um die ursprünglichen Daten aus dem Jahr 2017 zu rekonstruieren, um nach Phänomenen zu suchen, die nach Theorien und Modellen unter der Oberfläche lauern sollten. Das neue, resultierende Bild zeigt den Photonenring, der aus einer Reihe von immer schärferen Unterringen besteht, die das Team dann übereinanderlegte, um das vollständige Bild zu erhalten.

„Der Ansatz, den wir verfolgten, bestand darin, unser theoretisches Verständnis davon, wie diese schwarzen Löcher aussehen, zu nutzen, um ein maßgeschneidertes Modell für die EHT-Daten zu erstellen“, sagte Dominic Pesce, ein Teammitglied am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „Dieses Modell zerlegt das rekonstruierte Bild in die beiden Teile, die uns am meisten interessieren, so dass wir beide Teile einzeln untersuchen können, anstatt sie miteinander zu vermischen.“

Das Ergebnis war möglich, weil der EHT im Kern ein „Recheninstrument“ ist, so Broderick, der den Delaney Family John Archibald Wheeler Chair am Perimeter innehat. „Es ist genauso abhängig von Algorithmen wie von Stahl. Modernste algorithmische Entwicklungen haben es uns ermöglicht, wichtige Merkmale des Bildes zu untersuchen und den Rest in der nativen Auflösung des EHT darzustellen.“

Die Ergebnisse der Forscher wurden am 16. August in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Kontakt
Ryon Jones
Universität von Waterloo
rnjones@uwaterloo.ca

Mike Braun
Perimeter-Institut für Theoretische Physik
mbrown@perimeterinstitute.ca

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Bonn 5. August 2022.

5. August 2022 – Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass die Zwerggalaxien des zweitnächsten Galaxienhaufens der Erde – des sogenannten Fornax-Haufens – frei von solchen Halos aus Dunkler Materie sind. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Zwerggalaxien sind kleine, schwache Galaxien, die normalerweise in Galaxienhaufen oder in der Nähe größerer Galaxien zu finden sind. Aus diesem Grund können sie von den Gravitationswirkungen ihrer größeren Begleiter beeinflusst werden. „Wir stellen eine innovative Methode zur Überprüfung des Standardmodells vor, die darauf beruht zu untersuchen, wie stark Zwerggalaxien durch die Schwerkraft von nahegelegenen größeren Galaxien gestört werden“, sagt Elena Asencio, Doktorandin an der Universität Bonn und Erstautorin der Studie. Solche Gezeiten entstehen, wenn die Schwerkraft eines Körpers auf verschiedene Teile eines anderen Körpers wirkt. Sie sind vergleichbar mit den Gezeiten auf der Erde – bestimmt durch den Mond, der wie ein Magnet an der ihm zugewandten Seite der Erde zieht.

Der Fornax-Haufen hat viele Zwerggalaxien. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass einige dieser Zwerggalaxien verzerrt erscheinen, als wären sie durch die Umgebung des Haufens gestört worden. „Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag. „Das liegt daran, dass nach diesem Modell die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“

Das Team analysierte das erwartete Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge, das von ihren inneren Eigenschaften und ihrer Entfernung zum gravitativen Zentrum des Haufens abhängt: Galaxien mit großer Größe, aber geringer stellarer Masse und Galaxien in der Nähe des Haufenzentrums werden leichter gestört oder zerstört. Die Ergebnisse verglichen sie mit dem Störungsgrad, beobachtet aus Bildern des VLT Survey Teleskops der Europäischen Südsternwarte.

Das Ergebnis des Vergleichs: „Um die Beobachtungen mit dem Standardmodell zu erklären, müssten die Fornax-Zwerge bereits durch die Gravitation des Haufenzentrums zerstört werden, selbst wenn die Gezeiten, die auf einen Zwerg wirken, vierundsechzigmal schwächer sind als die Eigengravitation des Zwergs“, sagt Elena Asencio. Das sei nicht nur der Intuition widersprechend, sondern widerspreche auch früheren Studien, die zeigten, dass die externe Kraft, die nötig ist, um eine Zwerggalaxie zu stören, ungefähr so groß ist wie die Eigengravitation des Zwergs.

Widerspruch zum Standardmodell
Daraus schlossen die Autorinnen und Autoren, dass es im Standardmodell nicht möglich ist, die beobachteten Erscheinungsformen der Fornax-Zwerge auf eine in sich widerspruchsfreie Weise zu erklären. Das Team wiederholte die Analyse mithilfe der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach dieser Theorie gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newton’schen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Drehgeschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Dr. Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

„Es ist aufregend zu sehen, dass die Daten, die wir mit dem Survey Teleskop erhalten haben, einen so gründlichen Test kosmologischer Modelle ermöglichen“, betonen die Koautoren Aku Venhola von der Universität Oulu (Finnland) und Steffen Mieske von der Europäischen Südsternwarte.

Es sei nicht das erste Mal, dass eine Studie, die die Auswirkungen der Dunklen Materie auf die Dynamik und Entwicklung von Galaxien untersucht, zu dem Schluss komme, dass die Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Pavel Kroupa, Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren.“

Dr. Hongsheng Zhao von der University of St. Andrews fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass wir mehr gestörte Zwerggalaxien in anderen Haufen finden, eine Vorhersage, die von anderen Teams überprüft werden sollte“.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die University of Saint Andrews (Schottland), die Europäische Südsternwarte (ESO), die Universität Oulu (Finnland) und die Karls-Universität in Prag (Tschechien) beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Universität Bonn, den britischen Science and Technology Facilities Council und den Deutschen Akademischen Austauschdienst.

Originalpublikation
Elena Asencio, Indranil Banik, Steffen Mieske, Aku Venhola, Pavel Kroupa & Hongsheng Zhao: The distribution and morphologies of Fornax Cluster dwarf galaxies suggest they lack dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; doi.org/10.1093/mnras/stac1765

https://arxiv.org/abs/2208.02265

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• Dunkle Materie

Der Beitrag Keine Spur von Halos aus Dunkler Materie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ETH Zürich 12. Juli 2022.

12. Juli 2022 – Die Gravitationskonstante G bestimmt die Stärke der Schwerkraft. Diese sorgt dafür, dass Äpfel zu Boden fallen, oder dass die Erde um die Sonne kreist. Isaac Newton hat vor über 300 Jahren das Gravitationsgesetz formuliert, in dem diese Naturkonstante vorkommt. Sie lässt sich nicht mathematisch herleiten, sondern nur experimentell ermitteln.

Obwohl Wissenschaftler*innen im Lauf der Zeit zahlreiche Experimente durchgeführt haben, um den Wert der Gravitationskonstante zu bestimmen, befriedigt der derzeit gültige Wert die Fachwelt nicht. Er ist noch immer ungenauer als der Wert jeder anderen fundamentalen Naturkonstante, zu denen etwa die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gehört.

Dass die Schwerkraft nur äußerst schwer zu fassen ist, hat damit zu tun, dass sie nur sehr schwach ist und sich auch nicht abschirmen lässt: Misst man die Schwerkraft zwischen zwei Körpern, misst man auch die Wirkung aller anderen Körper der Welt mit.

«Die einzige Möglichkeit diese Situation aufzulösen, besteht darin, die Gravitationskonstante mit möglichst vielen verschiedenen Methoden zu ermitteln», erklärt Jürg Dual, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. Er und seine Mitarbeitenden stellen nun in der Fachzeitschrift «Nature Physics» ein neues Experiment vor, mit dem sie die Gravitationskonstante erneut bestimmt haben.

Neuartiges Experiment in alter Festung
Um Störquellen möglichst auszuschließen, baute Duals Team die Messeinrichtung in der ehemaligen Festung Furggels bei Pfäfers ob Bad Ragaz (Schweiz) auf. Der Versuchsaufbau besteht aus zwei in Vakuumkammern aufgehängten Balken. Den einen versetzen die Forschenden in Vibration. Durch die Gravitationskopplung begann auch der zweite Stab minimal (im Pikometerbereich – also ein Billionstel Meter) zu vibrieren. Die ETH-​Forschenden maßen schließlich mit Lasermessgeräten die Bewegung der beiden vibrierenden Balken und die Messung dieses dynamischen Effekts erlaubte Rückschlüsse auf die Größe der Gravitationskonstante.

Der Wert, den die Forschenden auf diese Weise ermittelten, liegt um 2,2 Prozent höher als die derzeit offizielle Größe, welche das Committee on Data for Science and Technology angibt. Allerdings ist der neue Wert mit einer großen Unsicherheit behaftet, räumt Dual ein: «Für einen zuverlässigen Wert muss diese Unsicherheit noch deutlich reduziert werden. Wir sind bereits daran, Messungen mit einem leicht veränderten Versuchsaufbau durchzuführen, um die Konstante G noch genauer bestimmen zu können. Erste Resultate sind verfügbar, aber noch nicht publiziert. «Wir sind auf dem richtigen Weg», bestätigt Dual.

Das Experiment läuft ferngesteuert von Zürich aus. Das reduziert Störungen durch Personal, das vor Ort anwesend ist, auf ein Minimum. Die Forschenden können die Messdaten jederzeit in Echtzeit anschauen.

Einblick in die Geschichte des Universums
Für ihn liegt der Vorteil der neuen Methode darin, dass die Schwerkraft über die vibrierenden Stäbe dynamisch gemessen werde. «Bei dynamischen Messungen spielt es im Gegensatz zu statischen keine Rolle, dass sich die von anderen Körpern wirkende Schwerkraft nicht abschirmen lässt», erklärt er. Er hofft daher, dass er und sein Team mit dem Experiment dazu beitragen können, das Rätsel der Gravitation zu knacken. Die Wissenschaft hat diese Naturkraft oder die Experimente, die sich darauf beziehen, noch immer nicht vollständig verstanden.

Ein besseres Verständnis der Gravitation würde es beispielsweise erlauben, die Signale von Gravitationswellen besser zu interpretieren. Solche Wellen konnten im Jahr 2015 in den LIGO-​Observatorien in den USA erstmals nachgewiesen werden. Sie waren das Resultat von zwei sich umkreisenden Schwarzen Löchern, die in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung zur Erde verschmolzen waren. Seither konnten Wissenschaftler*innen dutzende solche Ereignisse dokumentieren. Könnte man solche Ereignisse detailliert nachzeichnen, ließen sich neue Einblicke in das Universum und dessen Geschichte gewinnen.

Krönender Karriereabschluss
Jürg Dual beschäftigt sich seit 1991 mit Methoden zur Messung der Gravitationskonstante, stellte die Arbeit daran zwischenzeitlich aber wieder ein. Die Beobachtung von Gravitationswellen am LIGO verlieh seiner Forschung neuen Schub, und 2018 nahm er die Gravitationsforschung wieder auf. 2019 richtete die Gruppe das Labor in der Festung Furggels ein und setzte neue Experimente auf. Am Projekt beteiligt waren nebst den Wissenschaftlern aus Duals Gruppe auch Infrastrukturpersonal wie Reinraumspezialisten, ein Elektroingenieur und ein Mechaniker sowie eine Statistikerin. «Dieses Experiment ist nur dank eines jahrelangen Team-​Efforts zustande gekommen.»

Publikation
Brack T, Zybach B, Balabdaoui F, et al. Dynamic measurement of gravitational coupling between resonating beams in the hertz regime. Nature Physics, 11. Juli 2022. Doi: 10.1038/s41567-​022-01642-8
https://www.nature.com/articles/s41567-022-01642-8

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• physikalische Grundlagenforschung

Der Beitrag ETH-Forschende vermessen Gravitationskonstante neu erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ZARM 14. Juni 2022.

14. Juni 2022 – Die Anlage bietet, ähnlich wie der Fallturm Bremen, die Möglichkeit wissenschaftliche Experimente unter Schwerelosigkeitsbedingungen durchzuführen. Der etwas kleinere GraviTower mit einer Versuchsdauer von 2,5 Sekunden kommt ohne Vakuum aus und bietet dadurch eine weitaus höhere Wiederholungsrate. Statt maximal drei Experimenten im Fallturm können im GraviTower bis zu 960 Wiederholungen am Tag stattfinden. Nachdem die ersten wissenschaftlichen Versuche erfolgreich absolviert wurden, wurde die Anlage am 14. Juni 2022 in einer Hybridveranstaltung der Öffentlichkeit präsentiert.

Seit über 30 Jahren prägt der Fallturm die Wissenschaftslandschaft für Forschung in der Schwerelosigkeit. Am Raumfahrtstandort Bremen bietet er Forschenden aus aller Welt die Möglichkeit für 9,3 Sekunden Experimente in Schwerelosigkeit durchzuführen – eine Experimentdauer, die weltweit unerreicht ist und eine exzellente Alternative zu den Forschungsmöglichkeiten im Weltraum darstellt.

Das neue und schnellere Weltraumlabor
Mit dem neuen GraviTower Bremen Pro wird dem Fallturm nun ein zweites leistungsstarkes Weltraumlabor an die Seite gestellt, welches statt einer langen Experimentdauer eine sehr hohe Wiederholungsrate bietet. Mit bis zu 960 Mikrogravitations-Experimenten am Tag eröffnet er den Wissenschaftler:innen ganz neue Möglichkeiten und festigt Bremens internationale Vorrangstellung auf dem Gebiet der Forschung unter Weltraumbedingungen.

Für die Durchführung der Experimente nutzt der GraviTower ein Schienensystem, und kann so auf das Vakuum, welches beim Bremer Fallturm vor jedem Versuch gezogen werden muss, verzichten. Das Besondere daran: Mit Hilfe eines Seilantriebs wird ein Schlitten als Träger der Experimentkapsel auf exakt die Geschwindigkeit beschleunigt, die er theoretisch während eines Katapultfluges im Vakuum des Fallturms erreichen würde. Auf diese Weise wird der störende Luftwiderstand kompensiert.

Durch den Schlitten wird die Experimentkapsel von der Umgebungsluft abgeschirmt. Beim Erreichen der Schwerelosigkeitsphase ist sie von dem sie umgebenden Schlitten komplett entkoppelt und befindet sich für 2,5 Sekunden berührungslos im freien Fall. In dieser Zeit gibt es innerhalb des Schlittens keine Luftbewegung, die den freien Fall der Experimentkapsel bremsen würde, sodass wir eine ähnlich hohe Qualität der Schwerelosigkeit erreichen wie im Fallturm. Gegen Ende des freien Falls wird die Experimentkapsel schließlich wieder an den Schlitten gekoppelt und beide werden durch den Seilantrieb abgebremst.

Seit dem 9. März 2022 führen Forscherteams im GraviTower sehr erfolgreich ihre Versuche durch, die bisher aus den Fachgebieten Feuersicherheit, Gravitationsphysik und Biologie stammen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Wissenschaftler:innen sich bei der Nutzung der Mikrogravitationslabore des ZARM nicht zwischen einer langen Experimentdauer oder einer hohen Wiederholrate entscheiden müssen – das im Fallturm genutzte Experimentkapselsystem findet auch im GraviTower Anwendung, was die Kompatibilität der beiden Anlagen maximiert. Ein Experiment kann, ohne langen Umbau, vom Fallturm in den GraviTower übertragen werden.

Mit der Präsentation des Weltraumlabors am 14. Juni 2022 wurde der GraviTower zum ersten Mal feierlich der Öffentlichkeit präsentiert, auch wenn die Entwicklungsphase noch nicht final abgeschlossen ist. In naher Zukunft soll die Anlage durch eine künstliche Intelligenz, sowie reduzierte Gravitation, wie sie beispielsweise auf dem Mond oder Mars herrscht, erweitert werden.

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• Fallturm Bremen (ZARM)

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 30. Mai 2022 – mit freundlicher Genehmigung.

30. Mai 2022 – Schwarze Löcher sind die vielleicht faszinierendsten Objekte in unserem Universum, die nicht nur Wissenschaftler* innen in ihren Bann ziehen – im wahrsten Sinne des Wortes. Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist so extrem, das nicht einmal das Licht ihr entkommt. Doch wie kann man etwas nachweisen, das absolut unsichtbar ist?

Einer, der praktisch sein ganzes Forscherleben der Beantwortung dieser Frage gewidmet hat, ist Prof. Dr. Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching. Die vergangenen 40 Jahre hat er mit der Erforschung des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße verbracht. Am 4. Mai 2022 verfolgten rund 250 Gäste auf dem Campus Westend und im Livestream gebannt seiner Reise durch Zeit und Raum.

Wie so oft treffen wir bei dieser Reise auf Albert Einstein, der mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereits 1915 vorhersagte, dass auch Licht von der Gravitation abgelenkt wird. Sein Kollege Karl Schwarzschild errechnete kurz darauf, dass es sogar komplett verschwinden kann, wenn das Objekt, von dem die Gravitation ausgeht, nur kompakt genug ist. Ein Nachweis solcher astronomischen Objekte schien zu dieser Zeit jedoch absolut utopisch. Erst in den 1960er-Jahren wurden von Maarten Schmidt geeignete Kandidaten entdeckt – die sogenannten Quasare (quasi-stellare Radioquellen), die zunächst für Sterne gehalten wurden. Sie gehören zu den hellsten Objekten im Universum und befinden sich – wie man heute weiß – in unmittelbarer Nähe von Schwarzen Löchern. Etwa zur gleichen Zeit postulierten Donald Lynden-Bell und Martin J. Rees ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Tatsächlich wird dort 1974 eine kompakte Radioquelle entdeckt, die den Namen Sagittarius A* (kurz Sgr A*) erhält, da sie im Sternbild Schütze (Sagittarius) zu sehen ist.

Es ist diese Radioquelle, der sich Genzel fortan widmet. In den 1990er-Jahren gelingt es ihm und seinem Team, Aufnahmen der umliegenden Sterne zu machen, deren Bewegungen über mehrere Jahre nachvollzogen werden. Dabei wird deutlich, dass ihre Bahnen durch die Anziehungskraft eines massereichen Objekts abgelenkt werden. Doch handelt es sich hierbei um ein Schwarzes Loch? Bis zum Jahr 2018 muss Genzel sich gedulden, um die Frage zufriedenstellend beantworten zu können. Dann erst würde ein Stern auf seiner errechneten Umlaufbahn zurückkehren, der die Existenz des Schwarzen Lochs Sgr A* belegen könnte. Die Wartezeit wird mit dem Bau des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte und einer immer anspruchsvolleren Verfeinerung der Messmethoden überbrückt. Schließlich gelingt Genzel mithilfe der neu entwickelten Interferometrie tatsächlich der indirekte Nachweis eines massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße – die Erkenntnis, die im Jahr 2020 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wird.

Auch am Ende seines Vortrags kehrt Genzel wieder zu der Frage zurück „Aber ist es denn wirklich ein Schwarzes Loch?“ und bricht dabei eine Lanze für die Naturwissenschaften im Allgemeinen, die sich immer und immer wieder den gleichen Fragen zuwenden und Alternativhypothesen kleinschrittig ausschließen müssen. Abschließend lassen sich manche Fragen vielleicht nie klären. Doch mit der Veröffentlichung des ersten Bildes vom Schwarzen Loch Sgr A*, das von der Event Horizon Telescope-Kollaboration gemacht wurde – darunter auch Prof. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität – bleibt kein Raum mehr für Zweifel.

Wer mehr über »Die Unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft« erfahren möchte, dem sei das gleichnamige Buch von Luciano Rezzolla empfohlen (ISBN: 978-3-406-77520-8, erhältlich im Campus-Shop). Der Frankfurter Professor für Theoretische Physik leitet unter anderem das Clusterprojekt ELEMENTS, das zu diesem Abend eingeladen hatte (https://elements.science/).

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• Die Milchstraße

Der Beitrag 40 von 14 Milliarden Jahren: Rückblick auf Reinhard Genzels Vortrag »Im Zentrum unserer Milchstraße« erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina 25. Mai 2022.

Etwa hundert weitere Gravitationswellen wurden inzwischen durch die Experimente des Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatoriums LIGO in den USA und des europäischen Observatoriums Virgo erfasst. Darunter befanden sich auch Signale von sogenannten binären Neutronensternen und Neutronenstern-Schwarzes-Loch-Doppelsternen, deren Beobachtungen auf präzisen theoretischen Vorhersagen beruhen. In Ihrem Vortrag gibt Leopoldina-Mitglied Prof. Dr. Alessandra Buonanno, Direktorin am Max‐Planck‐Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, einen Überblick über ihre Forschung zur Modellierung von Gravitationswellen und erklärt den zugrundeliegenden Ansatz, der analytische und numerische Relativitätstheorie miteinander kombiniert. Darüber hinaus diskutiert sie die Bedeutung dieser Beobachtungen für Astrophysik, Schwerkraft und Grundlagenphysik.

Zuvor überreicht Leopoldina-Präsident Prof. (ETHZ) Dr. Gerald Haug um 17:00 Uhr Akademie-Mitgliedern der Klasse I – Mathematik, Natur- und Technikwissenschaften ihre Urkunden. Folgende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wurden 2021 neu in die Klasse I der Leopoldina aufgenommen: https://www.leopoldina.org/presse-1/pressemitteilungen/pressemitteilung/press/2879/

Die Urkundenübergabe findet in deutscher Sprache statt. Der Abendvortrag wird in englischer Sprache abgehalten. Die Veranstaltung richtet sich an alle Interessierten und ist kostenlos. Eine vorherige Anmeldung, bis Mittwoch, 1. Juni 2022, ist unter folgendem Link erforderlich: https://www.leopoldina.org/form/anmeldung-gravitational-waves/

Programm:
Mittwoch, 8. Juni 2022
17:00 Uhr bis 18:30 Uhr Urkundenübergabe Klasse I – Mathematik, Natur- und Technikwissenschaften
18:30 Uhr bis 19:30 Uhr Abendvortrag „Gravitational Waves as Probes of Astrophysics, Gravity and Fundamental Physics“ mit Leopoldina-Mitglied Prof. Dr. Alessandra Buonanno

Veranstaltungsort:
Hauptgebäude der Leopoldina
Jägerberg 1, 06108 Halle (Saale)

Über die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina:
Als Nationale Akademie der Wissenschaften leistet die Leopoldina unabhängige wissenschaftsbasierte Politikberatung zu gesellschaftlich relevanten Fragen. Dazu erarbeitet die Akademie interdisziplinäre Stellungnahmen auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse. In diesen Veröffentlichungen werden Handlungsoptionen aufgezeigt, zu entscheiden ist Aufgabe der demokratisch legitimierten Politik. Die Expertinnen und Experten, die Stellungnahmen verfassen, arbeiten ehrenamtlich und ergebnisoffen. Die Leopoldina vertritt die deutsche Wissenschaft in internationalen Gremien, unter anderem bei der wissenschaftsbasierten Beratung der jährlichen G7- und G20-Gipfel. Sie hat 1.600 Mitglieder aus mehr als 30 Ländern und vereinigt Expertise aus nahezu allen Forschungsbereichen. Sie wurde 1652 gegründet und 2008 zur Nationalen Akademie der Wissenschaften Deutschlands ernannt. Die Leopoldina ist als unabhängige Wissenschaftsakademie dem Gemeinwohl verpflichtet.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Alessandra Buonanno über Gravitationswellen und deren Bedeutung für die Physik erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

17. März 2022 – Am 17. März 2002 starteten die Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und mit ihnen die „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und dem GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam.
Nach dem GRACE-Betriebsende im Jahr 2017 setzt die Folgemission „GRACE-Follow-On“ (FO) seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Überwachung der großen Veränderungen im „Ökosystem Erde“ erfolgreich fort. Die GRACE- und GRACE-FO-Daten sind heute eine der Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC).

Wenn wir Massen beobachten, wirken sie auf den ersten Blick starr und unbeweglich. Doch das täuscht, denn sie sind ständig in Bewegung: Im Erdinneren verschiebt sich flüssiges Gestein, Wasser verteilt sich in den Ozeanen und auf den Kontinenten in riesigen Mengen um und auch Luftmassen verwirbeln sich ständig. Diese ungleiche Verteilung führt jeweils dazu, dass sich die Erdanziehungskraft nicht gleichförmig über den Erdball verteilt. An Stellen mit mehr Masse ist das Gravitationsfeld geringfügig stärker als an anderen.

Seit dem Start der beiden GRACE-Zwillingssatelliten „Tom“ und „Jerry“ und dem Beginn der GRACE-Mission des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam am 17. März 2002 und der Nachfolgemission GRACE-FO erfassen die Satellitenduos diese langsamen Bewegungen ganz genau. „Mit den GRACE-Satelliten können wir erstmalig die Massentransporte im System Erde global erheben. Die Missionen GRACE und GRACE-FO haben jede kleine Veränderung in diesen Masseströmen so präzise erfasst, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Durch diese Messungen können wir vor allem die Folgen des Klimawandels besser verstehen, weil sich zum Beispiel das Schmelzen der Eismassen, die Veränderungen des Meeres- sowie des Grundwasserspiegels exakter bestimmen lassen“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn.

4,7 Billionen Tonnen Eis in Grönland geschmolzen
Das Grönlandeis schmilzt – und zwar viel schneller als gedacht. Pro Jahr verliert dieses Eisschild 277 Gigatonnen an Masse. Eine Gigatonne entspricht einem Würfel von einem Kilometer Kantenlänge. „In den letzten zwanzig Jahren hat die grönländische Eisdecke rund 4,7 Billionen Tonnen Eis verloren. Dänische Forscher haben diese Erkenntnisse anhand der langen GRACE-Datenreihen gewonnen, die auch regelmäßig in die Berichte des Weltklimarates IPCC einfließen. Im letzten Bericht ist GRACE die am dritt-häufigsten zitierte Satellitenmission. Das unterstreicht die Bedeutung, die diese Mission für die Klimaforschung hat“, betont Walther Pelzer. Doch nicht nur die Eisschmelze ist ein wichtiger Klimaindikator.

Mehrmonatige Trockenperioden im Amazonas und drastische Abnahmen des Grundwasserspiegels im Norden Indiens konnten mit den GRACE-Daten ebenso zuverlässig beobachtet werden wie der Anstieg des Meeresspiegels über zwei Jahrzehnte. Außerdem ist aus den GRACE-Daten die sogenannte „Potsdamer Schwerekartoffel“ entstanden. Dieser „Gravitationsglobus“ zeigt, dass das Schwerefeld der Erde nicht gleichmäßig verteilt ist. Dank dieses dreidimensionalen Geoids werden die Abweichungen der Erdgestalt deutlich sichtbar. Besonders stark ist der Einfluss der Schwerkraft demnach über dem Himalaja und dem Nordatlantik, dagegen eher schwach über dem Indischen Ozean und den Kleinen Antillen.

Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie genau messen diese Satelliten eigentlich die Massentransporte? Der Clou ist, dass Massen bei GRACE und GRACE-FO alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung erfasst werden. Die beiden Satelliten flogen beziehungsweise fliegen jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanz und Geschwindigkeit der beiden Satelliten werden dabei mithilfe von Mikrowellen und einem Laser ständig ganz exakt gemessen. Die Genauigkeit von ein bis zwei Mikrometern entspricht dabei etwa einem Hundertstel der Dicke eines Blattes Druckerpapier. „Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – üben mit ihren Massen eine Gewichtskraft aus. Ist sie stärker, wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch wird er schneller und entfernt sich vom anderen Satelliten.

Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Geringere Massen beschleunigen den voranfliegenden Satelliten weniger und bewirken wieder eine Annäherung. Im übertragenen Sinne können wir mit den Satelliten wiegen, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat abnehmen oder zunehmen“, erklärt Peter Schaadt, GRACE-FO-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht im All, sondern anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden, wobei die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt werden.

„Tom“ und „Jerry“ in sicheren Händen des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums
Nach dem Start der beiden GRACE-Satelliten am 17. März 2002 wurden „Tom“ und „Jerry“ in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Schon etwa 70 Sekunden später fand die erste Kontaktaufnahme mit der DLR-Bodenstation in Weilheim statt. Die ersten Daten der Satelliten wurden über ein Kommunikationsnetzwerk direkt und ohne Verzögerung zum Raumfahrt-Kontrollzentrum des DLR in Oberpfaffenhofen bei München geschickt. Dort begann dann die „Akquisitionsphase“ der Satelliten.

Diese erste frühe Phase nach dem Start übernahm das Kontrollzentrum auch 2018 bei der Folgemission GRACE-FO, wie Sebastian Löw, Projektleiter des GRACE-FO Bodensegments vom DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining, erzählt: „Wir haben die Bahnparameter bestimmt, den Zustand von GRACE analysiert, die Funktionsbereitschaft aller Systeme getestet sowie deren Konfiguration für ihre eigentlichen wissenschaftlichen Aufgaben. In der Akquisitionsphase haben wir außerdem die autonomen Bordsysteme zur Positions- und Lagebestimmung sowie die bordeigenen Sternsensoren und das Lageregelungssystem in Betrieb genommen.“ Die Betriebsaufgaben waren für beide Missionen, GRACE und GRACE-FO, identisch.

In den ersten beiden Wochen nach den Starts befahl das Betriebsteam dann jeweils mehrere Bahnmanöver, um den relativen Abstand der Satelliten auf 220 Kilometer einzustellen. Die Kontrolle dieses Formationsfluges erfordert regelmäßige Korrekturmanöver in Intervallen von einigen Wochen. Dafür und zur Satellitenkontrolle während der Mission werden die beiden Antennen der DLR-Bodenstation Weilheim genutzt – unterstützt in den ersten 30 Tagen vom Polar-Netzwerk der NASA. Nach einer zweiwöchigen Testphase lag dann die Kontrolle und der Betrieb der beiden GRACE Satelliten in der Hand des Deutschen Raumfahrtkontrollzentrums. Alle empfangenen Daten wurden im Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) des DLR in Neustrelitz weiterverarbeitet, archiviert und an die wissenschaftlichen Auswertezentren verteilt.

20 Jahre erfolgreiche Deutsch-Amerikanische Kooperation – ein Erfolgsmodell für die Zukunft
Die Bedeutung der Klimazeitreihenmessungen von GRACE und GRACE-FO für die Klimaforschung ist essenziell. Deshalb arbeiten NASA, das DLR und das GFZ gemeinsam mit Max-Planck-Instituten an der Vorbereitung einer nächsten Mission, die die Beobachtungen im Anschluss an GRACE-FO fortsetzen soll. „Die Kooperation mit der NASA in der Erdbeobachtung ist ein großartiges Zeichen für die gemeinsamen Ziele, die die USA und Deutschland in der Klimapolitik verfolgen wollen“, unterstreicht DLR-Vorstandsmitglied Walther Pelzer. „Die Beauftragung des Satellitenbaus durch die NASA ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit der deutschen Raumfahrtindustrie.“

GRACE und GRACE-FO – zwei erfolgreiche Missionen
GRACE war eine gemeinsame Mission der NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant dauerte. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die „University of Texas“ und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde finanziert vom DLR, der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ. Das JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger für die Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen.

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