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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Planetenentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: RWTH 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Das Euclid-Konsortium veröffentlicht heute die ersten wissenschaftliche Arbeiten, die auf Beobachtungen des Euclid-Teleskops basieren. Forschende des Euclid-Konsortiums beobachteten und analysierten während der Early Release-Observationsphase eine Reihe wissenschaftlich interessanter Ziele. Sie geben einen Einblick in das beispiellose Potenzial des Teleskops, das die Aufgabe hat, die umfassendste und genaueste Karte unseres Universums zu erschaffen. An dem Großprojekt sind Professor Julien Lesgourgues und Dr. Santiago Casas vom Lehrstuhl für Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie und Institut für Theoretische Teilchenphysik und Kosmologie (TTK) der RWTH Aachen beteiligt.

„Diese erste beeindruckende Veröffentlichung von Euclid-Bildern bestätigt, dass die Mission in den kommenden Jahren in der Lage sein wird, eines ihrer Hauptziele zu erreichen: einen riesigen Katalog von Bildern von etwa einer Milliarde Galaxien erstellen – der größte Galaxienbildkatalog, der jemals kreiert wurde. Mit einem solchen Katalog werden wir in der Lage sein, den detaillierten Entstehungsprozess großer Strukturen unseres Universums – zum Beispiel Galaxienhaufen, kosmische Filamente und riesige Leerräume – während der letzten Milliarden Jahre zu verstehen“, erklärt Professor Lesgourgues.

Einsichten in die Verteilung der dunklen Materie – und vieles mehr
Zehn wissenschaftliche Publikationen präsentieren nun spannende Ergebnisse zur Entdeckung frei schwebender, neu entstandener Planeten sowie neuer Zwerggalaxien und Galaxien mit geringer Oberflächenhelligkeit, zur Population von Kugelsternhaufen in der Nähe von Galaxien, zur Verteilung der dunklen Materie und des Lichts in Galaxienhaufen oder zu sogenannten gelinsten Galaxien mit hoher Rotverschiebung (high-redshift magnified lensed galaxies). Ebenso veröffentlicht das Konsortium heute weitere technische Informationen zur Mission, die die herausragenden Fähigkeiten von Euclid bestätigen sollen.

„Für mich als theoretischen Kosmologen ist es besonders spannend, dass wir nun in der Lage sein sollten, die Masse der leichtesten bekannten Teilchen, der Neutrinos, zu bestimmen und die Eigenschaften der beiden geheimnisvollsten Bestandteile des Universums, der dunklen Materie und der dunklen Energie, besser zu verstehen. Tatsächlich sind Neutrinos, dunkle Materie und dunkle Energie im Universum sehr häufig, und ihre Eigenschaften – wie eben die Masse von Neutrinos – bestimmen die Art und Weise, wie sich diese großen Strukturen bilden“, erläutert Lesgourgues. „Um die Masse von Neutrinos oder die Eigenschaften von dunkler Materie und dunkler Energie zu bestimmen, müssen wir die realen Daten mit vielen Computersimulationen des Universums vergleichen, die unter verschiedenen Annahmen durchgeführt wurden.“

Simulationen spielen für die Forschungsgruppe Kosmologie der RWTH Aachen eine wichtige Rolle. Die Aachener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln Simulationscodes und stellen diese der internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Sie zeigen, wie das großräumige Universum unter anderem von den Eigenschaften der Neutrinos, der dunklen Materie und der dunklen Energie abhängt.

„Diese Instrumente werden eine wesentliche Rolle beim Vergleich zwischen den kosmologischen Modellen und den Beobachtungen von Euclid spielen. Wir haben uns seit vielen Jahren auf die Analyse der Euclid-Daten vorbereitet und freuen uns sehr darüber, dass die Satelliteninstrumente so gut funktionieren wie erwartet“, fügt Dr. Santiago Casas hinzu. „Unsere Arbeit konzentriert sich auf die Bayes’sche Parameterschätzung, bei der wir hochentwickelte statistische Methoden einsetzen, um die Parameter unseres Modells an die Beobachtungsdaten anzupassen. Diese Methoden sind sehr rechenintensiv, so dass wir für Teile dieser Berechnungen auf das RWTH High Performance Computing Cluster zurückgreifen. Indem wir verschiedene Szenarien simulieren und unterschiedliche Annahmen untersuchen, prognostizieren wir die Leistungsfähigkeit der Euclid-Mission bei der Messung der kosmologischen Parameter unseres Universums, wie z.B. die Häufigkeit von dunkler Materie und dunkler Energie. An der RWTH Aachen haben wir zwei in der kosmologischen Gemeinschaft weithin anerkannte Codes entwickelt – CLASS und MontePython – die erheblich dazu beitragen, diese Analysen zu ermöglichen.“

Das Euclid-Konsortium
In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) ist das Euclid-Konsortium für die Durchführung der Mission verantwortlich. Das Konsortium hat die Mission des Weltraumteleskops Euclid geplant und die benötigten Instrumente gebaut. Ziel der Mission ist es, den extragalaktischen Himmel über einen Zeitraum von sechs Jahren zu kartieren und Daten zu liefern, die neue Erkenntnisse über dunkle Energie und dunkle Materie ermöglichen. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 ins All gestartet und begann am 14. Februar 2024 mit der Durchmusterung des Himmels. Das Euclid-Konsortium umfasst mehr als 2.600 Mitglieder, darunter über 1.000 Forscher aus mehr als 300 Forschungseinrichtungen in 15 europäischen Ländern sowie Kanada, Japan und den Vereinigten Staaten. Die beteiligten Institute und Labore decken die verschiedenen Bereiche der Astrophysik, Kosmologie, theoretischen Physik und Teilchenphysik ab. Heute können die Arbeiten des Konsortiums durch eine erste Reihe von Publikationen nachgewiesen werden.

Während der ersten Monate von Euclid im Weltraum wurde ein Early Release-Observationsprogramm durchgeführt, das einen ersten Blick auf die Tiefe und Vielfalt der durch Euclid ermöglichten Forschung erlaubt. Hierzu nahm das Teleskop für einen Zeitraum von 24 Stunden ausgewählte Ziele in den Blick, um eindrucksvolle Bilder zu erstellen, die gleichzeitig wertvolle Erkenntnisse für die Wissenschaft liefern. Fünf dieser Bilder wurden im November 2023 veröffentlicht. Weitere fünf Bilder werden heute von der ESA publiziert. Die wissenschaftlichen Arbeiten, die einem internen Peer-Review-Prozess unterliegen, sind bei Euclid Consortium Publications erhältlich und werden als Vorabveröffentlichungen auf ArXiv erscheinen. Die Bilder und der so genannte Science-Ready Catalog stehen bei der ESA zum Download bereit.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Universität Bern 15. April 2024.

15. April 2024 – Das Forschungsteam ist das erste, dem es gelungen ist, die ungewöhnliche Form mit numerischen Simulationen zu reproduzieren und sie auf einen riesigen und langsamen Einschlag aus einem schrägem Winkel zurückzuführen.

Seit die Kameras der NASA-Mission New Horizons im Jahr 2015 eine grosse herzförmige Struktur auf der Oberfläche des Zwergplaneten Pluto entdeckt haben, gibt dieses «Herz» Astrophysikerinnen und Astrophysikern aufgrund seiner einzigartigen Form, seiner geologischen Zusammensetzung und seiner Höhe Rätsel auf. Ein Team von Forschenden der Universität Bern, darunter mehrere Mitglieder des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) PlanetS, und der University of Arizona in Tucson, hat mit numerischen Simulationen die Entstehung von Sputnik Planitia, dem westlichen, tropfenförmigen Teil von Plutos «Herz»-Oberfläche, untersucht. Ihren Untersuchungen zufolge wurde Plutos frühe Geschichte durch ein drastisches, plötzliches Ereignis geprägt, aus dem Sputnik Planitia hervorging: eine Kollision mit einem planetarischen Körper mit einem Durchmesser von etwa 700 Kilometern, was von Ost nach West ungefähr zweimal der Grösse der Schweiz entspricht. Die Ergebnisse des Teams, die soeben in Nature Astronomy veröffentlicht wurden, deuten auch darauf hin, dass die innere Struktur von Pluto anders ist als bisher angenommen, was darauf hindeutet, dass es keinen unterirdischen Ozean gibt.

Ein geteiltes Herz
Das «Herz», auch bekannt als Tombaugh Regio, erregte sofort nach seiner Entdeckung die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit. Es weckte aber auch sofort das Interesse von Forschenden, weil es mit einem Material mit hohem Rückstrahlvermögen bedeckt ist, das mehr Licht reflektiert als seine Umgebung, wodurch seine weissere Farbe entsteht. Das «Herz» besteht jedoch nicht aus einem einzelnen Element. Der westliche Teil wird Sputnik Planitia genannt und umfasst eine Fläche von 1.200 mal 2.000 Kilometer, was einem Viertel der Fläche Europas oder der Vereinigten Staaten entspricht. Auffallend ist jedoch, dass diese Region drei bis vier Kilometer tiefer liegt als der grösste Teil der Oberfläche des Plutos. «Das helle Erscheinungsbild von Sputnik Planitia ist darauf zurückzuführen, dass es überwiegend mit weissem Stickstoff-Eis gefüllt ist. Das Eis bewegt sich, und es findet ein Strömungstransport statt, so dass die Oberfläche ständig geglättet wird. Dieser Stickstoff hat sich höchstwahrscheinlich nach dem Einschlag aufgrund der geringeren Höhe schnell angesammelt», erklärt Dr. Harry Ballantyne von der Universität Bern, Hauptautor der Studie. Der östliche Teil des «Herzens» ist ebenfalls von einer ähnlichen, aber viel dünneren Schicht aus Stickstoffeis bedeckt, deren Ursprung den Forschenden noch unklar ist, die aber wahrscheinlich mit Sputnik Planitia zusammenhängt.

Ein schräger Einschlag
«Die längliche Form von Sputnik Planitia deutet stark darauf hin, dass es sich nicht um einen direkten Frontalaufprall, sondern um einen Schrägaufprall handelte», betont Dr. Martin Jutzi von der Universität Bern, der die Studie initiiert hat. Deshalb hat das Team, wie mehrere andere auf der ganzen Welt, die Berner SPH-Simulationssoftware (Smoothed Particle Hydrodynamics) verwendet, um solche Einschläge digital nachzubilden und dabei sowohl die Zusammensetzung von Pluto und des Einschlagkörpers als auch dessen Geschwindigkeit und seinen Einschlagswinkel zu variieren. Diese Simulationen bestätigten die Vermutungen über den schrägen Einschlagswinkel und bestimmten die Zusammensetzung des Einschlagkörpers.

«Plutos Kern ist so kalt, dass das Gestein sehr hart blieb und trotz der Hitze des Einschlags nicht schmolz. Und dank des schrägen Einschlagwinkels und der geringen Geschwindigkeit sank der Kern des Einschlagkörpers nicht in Plutos Kern ein, sondern blieb auf ihm liegen», erklärt Harry Ballantyne. «Irgendwo unter Sputnik befindet sich der Restkern eines anderen massiven Körpers, den Pluto nie ganz verdaut hat», ergänzt Mitautor Erik Asphaug von der University of Arizona. Diese Härte des Kerns von Pluto und die relativ niedrige Geschwindigkeit des Einschlagkörpers waren der Schlüssel zum Erfolg der Simulationen: Eine geringere Stärke würde zu einer sehr symmetrischen Oberflächenstruktur führen, die nicht wie die von New Horizons beobachtete Tropfenform aussieht. «Wir sind daran gewöhnt, uns Planetenkollisionen als unglaublich intensive Ereignisse vorzustellen, bei denen man die Details ignorieren kann, mit Ausnahme von Dingen wie Energie, Impuls und Dichte. Aber im fernen Sonnensystem sind die Geschwindigkeiten so viel langsamer und das feste Eis so stark, dass man bei seinen Berechnungen viel genauer sein muss. Da fängt der Spass an», sagt Erik Asphaug. Die beiden Teams arbeiten seit langem zusammen und erforschen bereits seit 2011 die Idee planetarer «Splats», um zum Beispiel Merkmale auf der Rückseite des Mondes zu erklären. Nach unserem Mond und Pluto plant das Team der Universität Bern, ähnliche Szenarien für andere Körper des äusseren Sonnensystems zu erforschen, wie zum Beispiel für den Zwergplaneten Haumea.

Kein unterirdischer Ozean auf Pluto
Die aktuelle Studie wirft auch ein neues Licht auf Plutos innere Struktur. Tatsächlich ist es sehr viel wahrscheinlicher, dass ein riesiger Einschlag wie der simulierte sehr früh in Plutos Geschichte stattgefunden hat. Dies wirft jedoch ein Problem auf: Es ist anzunehmen, dass sich eine riesige Vertiefung wie Sputnik Planitia im Laufe der Zeit aufgrund der physikalischen Gesetze langsam in Richtung des Pols des Zwergplaneten bewegen würde, da sie ein Massendefizit aufweist. Doch sie befindet sich in der Nähe des Äquators. Die bisherige Theorie besagt, dass Pluto, wie mehrere andere Planeten im äusseren Sonnensystem, einen unterirdischen Ozean aus flüssigem Wasser besitzt. Gemäss dieser Theorie wäre die Eiskruste des Pluto in der Region Sputnik Planitia dünner, so dass sich der Ozean dort ausbeult, und da flüssiges Wasser dichter ist als Eis, entstünde ein Massenüberschuss, der eine Wanderung von Sputnik Planitia in Richtung Äquator bewirken würde.

Die neue Studie bietet jedoch eine alternative Perspektive. «In unseren Simulationen wird der gesamte ursprüngliche Mantel des Pluto durch den Einschlag ausgehöhlt, und wenn das Kernmaterial des Einschlagkörpers auf dem Kern des Pluto angelagert wird, entsteht ein lokaler Massenüberschuss, der die Wanderung in Richtung Äquator ohne einen unterirdischen Ozean, oder höchstens einen sehr dünnen, erklären kann», sagt Martin Jutzi. Dr. Adeene Denton von der University of Arizona, ebenfalls Mitautorin der Studie, führt derzeit ein neues Forschungsprojekt durch, um die Geschwindigkeit dieser Wanderung zu bestimmen. «Dieser neuartige und kreative Ansatz, den Ursprung von Plutos herzförmiger Struktur zu erklären, könnte zu einem besseren Verständnis von Plutos Ursprung führen», bemerkt sie abschliessend.

Publikation:
Sputnik Planitia as an impactor remnant indicative of an ancient rocky mascon in an oceanless Pluto by H. Ballantyne et al. is published in Nature Astronomy.
DOI: 10.1038/s41550-024-02248-1
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02248-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02248-1.pdf

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• Plutoid Pluto

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 27. März 2024.

27. März 2024 – Das Innere der Sonne dreht sich nicht in allen Breitengraden mit der gleichen Geschwindigkeit. Der physikalische Ursprung dieser differentiellen Rotation ist noch nicht vollständig geklärt. Ein Team von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen hat jetzt eine bahnbrechende Entdeckung gemacht. Wie das Team heute in der Zeitschrift Science Advances berichtet, spielen langperiodische Sonnenschwingungen eine entscheidende Rolle dabei, das Rotationsmuster der Sonne zu steuern. MPS-Wissenschaftler hatten diese Schwingungen 2021 entdeckt. Die langperiodischen Schwingungen sind vergleichbar mit den baroklin instabilen Wellen in der Erdatmosphäre, die das Wetter bestimmen. Auf der Sonne transportieren diese Schwingungen Wärme von den etwas heißeren Polen zum etwas kühleren Äquator. Um zu ihren neuen Ergebnissen zu gelangen, werteten die Wissenschaftler Beobachtungen des Solar Dynamics Observatory der NASA mit Hilfe modernster numerischer Simulationen des Sonneninneren aus. Sie fanden heraus, dass der Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator etwa sieben Grad beträgt.

Das differentielle Rotationsmuster der Sonne gibt Wissenschaftler*innen seit Jahrzehnten Rätsel auf: Während sich die Pole mit einer Periode von etwa 34 Tagen drehen, rotieren die mittleren Breiten schneller und die Äquatorregion benötigt nur etwa 24 Tage für eine volle Umdrehung. Darüber hinaus haben in den vergangenen Jahren Fortschritte in der Helioseismologie, d.h. der Untersuchung des Sonneninneren mit Hilfe von solaren Schallwellen, ergeben, dass dieses Rotationsprofil in der gesamten Konvektionszone nahezu konstant ist. Die Konvektionszone der Sonne erstreckt sich von einer Tiefe von etwa 200.000 Kilometern bis zur sichtbaren Sonnenoberfläche und ist Schauplatz heftiger Umwälzungen des heißen Sonnenplasmas. Diese spielen eine entscheidende Rolle für den Magnetismus und die Aktivität der Sonne.

Theoretische Modelle deuten seit Langem darauf hin, dass zwischen den Sonnenpolen und dem Äquator ein geringer Temperaturunterschied vorliegen muss. Nur so lässt sich das bekannte Rotationsmuster der Sonne aufrechterhalten. Diesen Temperaturunterschied zu messen, hat sich allerdings als äußerst schwierig erwiesen. Schließlich müssen Beobachtungen durch den Hintergrund des tiefen Sonneninneren „hindurchsehen“, das eine Temperatur von bis zu einer Million Grad aufweist. Wie die MPS-Forscher zeigen, ist es nun aber möglich, den Temperaturunterschied aus Beobachtungen der langperiodischen Schwingungen der Sonne zu ermitteln.

Schwingungen in hohen Breitengraden steuern die differentielle Rotation
Bei ihrer Analyse von Beobachtungsdaten, die der Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord des Solar Dynamics Observatory der NASA von 2017 bis 2021 aufgenommen hat, wandten sich die Wissenschaftler globalen Sonnenschwingungen mit langen Perioden zu, die als Wirbelbewegungen an der Sonnenoberfläche erkennbar sind. Vor drei Jahren hatten MPS-Wissenschaftler diese Trägheitsschwingungen entdeckt. Von diesen beobachteten Schwingungsmoden erwiesen sich jene als besonders einflussreich, die ihre maximalen Geschwindigkeiten von bis zu 70 Kilometer pro Stunden in hohen Breitengraden erreichen.

Um die nichtlineare Natur dieser Schwingungen zu untersuchen, wurde eine Reihe numerischer dreidimensionaler Simulationen durchgeführt. In den Simulationen der langperiodischen Schwingungen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breiten zeigt sich, dass diese Schwingungen Wärme von den Sonnenpolen zum Äquator transportieren. Dadurch begrenzen sie den Temperaturunterschied zwischen diesen Gebieten auf weniger als sieben Grad. „Der sehr geringe Temperaturunterschied zwischen den Polen und dem Äquator steuert die Drehimpulsbilanz in der Sonne und ist damit ein wichtiger Rückkopplungsmechanismus für die globale Dynamik der Sonne“, sagt MPS-Direktor Prof. Dr. Laurent Gizon.

Mit ihren Simulationen haben die Forscher die entscheidenden Prozesse erstmals in einem vollständig dreidimensionalen Modell beschrieben. Frühere Bemühungen hatten sich auf zweidimensionale Ansätze beschränkt, die eine Symmetrie um die Rotationsachse der Sonne voraussetzen. „Der Abgleich der nichtlinearen Simulationen mit den Beobachtungen ermöglichte es uns, die Physik der langperiodischen Schwingungen und ihre Rolle bei der Steuerung der differentiellen Rotation der Sonne zu verstehen“, sagt Dr. Yuto Bekki, MPS-Postdoc und Hauptautor der Studie.

Sonneninneres und Erdatmosphäre haben eine ähnliche Physik
Die Oszillationen mit maximalen Geschwindigkeiten in hohen Breitengraden der Sonne werden ähnlich wie außertropische Wirbelstürme auf der Erde durch ein Temperaturgefälle angetrieben. Die Physik ist ähnlich, auch wenn die Details unterschiedlich sind: „Auf der Sonne ist der Sonnenpol etwa sieben Grad heißer als der Äquator, und das reicht aus, um Strömungen von etwa 70 Kilometern pro Stunde über einen großen Teil der Sonne anzutreiben. Der Prozess ähnelt in gewisser Weise dem Antrieb von Wirbelstürmen“, sagt MPS-Wissenschaftler Dr. Robert Cameron.

Große Erwartungen
Die Physik des tiefen Sonneninneren zu erforschen ist schwierig. Die aktuelle Studie ist wichtig, da sie zeigt, dass die langperiodischen Schwingungen der Sonne nicht nur nützliche „Diagnoseinstrumente“ für das Sonneninnere sind, sondern dass sie aktiv die Prozesse in der Sonne steuern. Zukünftige Arbeiten, die im Rahmen des ERC Synergy Grant WHOLESUN und des Sonderforschungsbereiches 1456 ‘Mathematik des Experiments’ durchgeführt werden, zielen darauf ab, die Rolle dieser Schwingungen und ihr diagnostisches Potenzial besser zu verstehen.

Originalveröffentlichung
Yuto Bekki, Robert H. Cameron, Laurent Gizon:
The Sun’s differential rotation is controlled by high-latitude baroclinically unstable inertial modes,
Science Advances, 27. März 2024
dx.doi.org/10.1126/sciadv.adk5643
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk5643

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• Unsere Sonne

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Quelle: BTU 18. März 2024.

18. März 2024 – Im Februar 2024 startete die zweite Phase des DLR-Projekts „AtmoFlow“. AtmoFlow bezeichnet die wissenschaftlichen Untersuchungen der konvektiven Strömung in einem Kugelschalensystem, welches analog zu planetaren Strömungsfeldern ist“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, der das Projekt leitet. Der Förderzeitraum umfasst drei Jahre und eine Fördersumme von knapp 680.000 Euro.

BTU-Strömungsforschung zum dritten Mal im Weltall
Mit AtmoFlow wird bereits zum dritten Mal ein von der BTU wissenschaftlich und technologisch koordiniertes Raumstationsexperiment in den Orbit fliegen. Die Vorläuferexperimente GeoFlow I (2008-2009) und GeoFlow II (2011-2018) waren bereits sehr erfolgreich von Cottbus aus vorbereitet und durchgeführt worden. Prof. Dr.-Ing. Christoph Egbers, Lehrstuhlinhaber Aerodynamik und Strömungslehre der BTU und Leiter aller drei Projekte, erklärt begeistert: „Das ist etwas sehr Besonderes. Es gibt kaum eine andere deutsche Universität, die seit über 20 Jahren an so vielen Raumstationsexperimenten teilgenommen hat.“ Dazu gehören auch zahlreiche begleitende Bodenexperimente und Parabelflüge sowie Forschungsraketenflüge, bei denen für kurze Zeit Schwerelosigkeit vorherrscht. Mit dem neuen DLR-Projekt werden drei weitere Stellen für Wissenschaftler*innen gefördert.

Miniatur-Erde auf der ISS
Das Hauptanliegen des Atmospherical Flow (AtmoFlow)-Experimentes liegt auf der Untersuchung atmosphärischer, konvektiver Strömungen im Kugelspalt. Solche Kugelspalt-Experimente sind in den Disziplinen Geophysik, Astrophysik und ganz besonders in der Atmosphärenforschung weit verbreitet und von zentraler Bedeutung. Die Besonderheit der BTU-Technik ist ihre Kugelgeometrie im Unterschied zu anderen häufig planaren, kartesischen Experimenten.

In AtmoFlow sollen Strömungen in sphärischer Geometrie unter dem Einfluss eines zentralen Kraftfeldes („Miniatur-Erde“) untersucht werden, die atmosphären-ähnlichen Randbedingungen ausgesetzt sind. Diese Versuchsanordnung kann nicht auf der Erde realisiert werden, da ihr Gravitationsfeld das künstliche zentrale Kraftfeld des Modells überlagert. Unter Mikrogravitationsbedingungen, also in annähernder Schwerelosigkeit, kann das Modell-Kraftfeld jedoch Konvektion simulieren – Strömungen, wie sie in der Erdatmosphäre, in den Weltmeeren oder im Magmamantel vorkommen.

Parallel und komplementär dazu entwickelt Dr.-Ing. Vadim Travnikov, Wissenschaftler im Team von Prof. Egbers, seit Januar 2024 im Rahmen eines von der DFG-geförderten Projekts ein hydrodynamisches CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics). Dieses Strömungsmodell soll die Erscheinungsformen und das Zusammenspiel atmosphärischer Strömungen der Erde beschreiben. Mit Hilfe einer Stabilitätsanalyse erfährt der Forscher auf diese Weise mehr über den Zustand einer Strömung. So kann eine Instabilität den Übergang zu einer turbulenten Strömung einleiten, die sich in der Erdatmosphäre beispielsweise in einem Wirbelsturm äußert. „Uns interessiert, wie sich die Strömungen mit dem Klimawandel weltweit verändern“, sagt der Wissenschaftler. „Mit diesem Wissen können Meteorologen das lokale Klima genauer vorhersagen.“ Die Ergebnisse dieser Forschungen fließen in das Projekt Atmoflow zur Untersuchung planetarer, atmosphärischer Strömungen auf der Internationalen Raumstation (ISS) ein.

Nach aktuellem Stand ist der Flug zur ISS für 2026 oder 2027 geplant.
Ziel des BTU-Projekts ist die Etablierung eines Simulationsmodells, das auf Basis der Daten aus dem Kugelmodell atmosphärische Konvektionsprozesse berechnet. Durch Änderung der Randbedingungen – wie beispielsweise höhere Temperaturen an Nord- und Südpol – können mit diesem Modell auch Auswirkungen des Klimawandels auf Strömungsprozesse simuliert und mögliche Folgen abgeschätzt werden. Das Team besteht weiterhin aus Dr. Peter Szabo, M.Sc. Peter Haun, M.Sc. Yaraslau Sliavin und M.Sc. Yann Gaillard-Röpke.

Hintergrund
Russland, die USA, Japan und Europa betreiben die ISS und ihre Forschungsmodule gemeinsam noch mindestens bis zum Jahr 2030. Allein aus Deutschland laufen 40-50 Experimente verschiedener Disziplinen und Einrichtungen in der Schwerelosigkeit der Raumstation.

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: Technische Universität Wien 5. März 2024.

5. März 2024 – Der Klimawandel verändert den Wasserkreislauf – aber wie? Leider lässt sich das nicht in eine einfache, global gültige Formel pressen. Der Wasserkreislauf ist ein komplexes System, regional können sich ganz unterschiedliche Veränderungen zeigen: In manchen Regionen wird es trockener, in anderen steigt die Regenmenge, Extremwetterereignisse ändern und verschieben sich.

Um dieses komplexe System besser vorhersagbar zu machen, entwickelte ein internationales Pilotprojekt, finanziert von der Europäischen Weltraumbehörde ESA und geleitet vom italienischen National Research Council, nun einen „digitalen Zwilling“ der Hydrosphäre: Der Wasserkreislauf und die relevanten mit ihm verbundenen Phänomene werden physikalisch korrekt am Computer nachgebildet. So lässt sich simulieren, wie eine ganz bestimmte Region auf hydrologische Veränderungen reagiert. Damit sollen nicht nur Katastrophen wie Überschwemmungen sondern auch schleichende Veränderungen im Wasserhaushalt, die z.B. durch höhere Temperaturen verursacht werden, räumlich detaillierter vorhergesagt werden als bisher.

Entscheidend dafür sind Satellitendaten. Ein Team der TU Wien sorgte dafür, dass speziell Radarsatellitendaten über den Wasserkreislauf nun in hervorragender räumlicher Auflösung zur Verfügung stehen – ein wesentliches Schlüsselelement für die Zuverlässigkeit des Vorhersagesystems.

Ein „digitaler Zwilling“ der Erde
Das Konzept des „digitalen Zwillings“ spielt in der Industrie schon lange eine wichtige Rolle: Ein kompliziertes System, zum Beispiel eine Produktionsanlage, wird physikalisch exakt am Computer nachgebildet. Man kann diesem System dann am Computer beliebige Bedingungen vorgeben, und es wird sich genauso verhalten wie auch in der Wirklichkeit. Ähnlich wie beim Flugsimulator, in dem man neuartige Flugmanöver am Computer ausprobieren kann, lässt sich so gefahrlos vorhersagen, was in einer speziellen Situation geschehen wird.

„Genau so ein digitaler Zwilling entsteht nun für das globale Wassersystem“, erklärt Dr. Mariette Vreugdenhil vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien, die den Anteil der TU Wien an dem ESA Projekt geleitet hat. Wenn für große Gebiete, im Idealfall den ganzen Globus, räumlich hochaufgelöste Daten für die Validierung und laufende Verbesserung von Computersimulationen zur Verfügung stehen, dann lässt sich mit höherer Treffsicherheit sagen, welche Effekte sich unter bestimmten Bedingungen zeigen werden – bis hin zu Überflutungen oder Hangrutschungen an einem ganz bestimmten Ort.

Auf die Auflösung kommt es an
Von besonders großer Bedeutung sind dabei Daten über die Bodenfeuchte. Daran forscht man an der TU Wien schon seit Jahren: Man nutzt Messergebnisse von Radarsatelliten, die den Erdboden rund um die Uhr untersuchen. Daraus kann man wichtige Informationen über die Eigenschaften des Bodens herausrechnen und letztlich vorhersagen, ob der Boden in einer bestimmten Gegend angesichts kommender Regenfälle noch weiteres Wasser aufnehmen kann oder nicht.

Entscheidend dafür ist allerdings, dass man die räumlichen Gegebenheiten mit sehr hoher Auflösung kennt. „Hohe Auflösung heißt bei uns etwa: Ein Pixel pro Kilometer“, sagt Prof. Wolfgang Wagner, der Leiter des Forschungsbereichs Fernerkundung der TU Wien. „Man verwendet dafür heute oft künstliche Intelligenz. Die trainiert man mit unterschiedlichen Datensätzen und hofft dann, auf diese Weise die Auflösung zu verbessern. Das ergibt zwar schöne Bilder, aber ob die etwas mit der Wirklichkeit zu tun haben, ist oft eine andere Frage.“ Um die Interpretation der Satellitendaten auf ihre Richtigkeit hin besser überprüfen zu können, hat man sich an der TU Wien für eine andere Strategie entschieden: „Wir verfolgen einen rigorosen Ansatz. Unser Modell arbeitet mit physikalischen Formeln, von denen wir wissen, dass sie stimmen.“ Machine Learning kommt unterstützend zum Einsatz, etwa für die Kalibrierung der Parameter, aber die Berechnung der Daten lässt sich klar nachvollziehen und erklären. So kann man sicherstellen, dass die Berechnung eines hochauflösenden Datensatzes auf bekannten Naturgesetzen beruht und es nicht etwa zu einer AI-Halluzination ohne faktische Basis kommt, wie das bei künstlicher Intelligenz auch manchmal zu beobachten ist.

Von der Po-Region in die ganze Welt
Begonnen hat man damit, die Po-Ebene in Italien abzubilden – eine besonders komplexe Region, wie Projektleiter Luca Brocca erklärt: „Wir haben die Alpen, wir haben Schnee, der schwer zu simulieren ist, besonders in unregelmäßigem und komplexem Gelände wie den Bergen. Dann gibt es das Tal mit all den menschlichen Aktivitäten – Industrie, Bewässerung.“ Aufbauend darauf bildete man den gesamten Mittelmeerraum ab.

Das Modell soll letztendlich auf den ganzen Erdball ausgedehnt werden. Außerdem soll es noch weiter verbessert und verfeinert werden. Wünschenswert wäre am Ende eine multidimensionale Abbildung der Hydrosphäre, in der ausgewählte Prozesse mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von zehn Metern erfasst werden können. Das Ziel des Projekts ist ein Computermodell, das rechtzeitig auf Gefahren hinweisen kann und auch dazu dient, die Auswirkungen verschiedener menschlicher Eingriffe auf lokaler Ebene zu erklären, sodass man nachhaltige Entscheidungen treffen kann.

„Diese gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaft, Raumfahrtbehörden und Entscheidungsträgern versprechen eine Zukunft, in der ein digitaler Zwilling der Erde für die Hydrologie unschätzbare Erkenntnisse für ein nachhaltiges Wassermanagement und die Widerstandsfähigkeit gegen Katastrophen liefern“, sagt Luca Brocca.

Originalpublikation
L. Brocca et al., A Digital Twin of the terresrial water cycle: a glimpse into the future through high-resolution Earth observations; Front Sci. 5. March 2024.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/full
pdf: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1190191/pdf

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• Klimawandel

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Quelle: ETH Zürich 29. Februar 2024.

29. Februar 2024 – Bevor es Leben auf der Erde gab, brauchte es die Chemie, welche aus den chemischen Elementen Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Phosphor organische Moleküle bildete. Damit die entsprechenden chemischen Reaktionen starten und aufrechterhalten bleiben konnten, brauchte es diese Elemente im Überfluss – und einen ständigen Nachschub. Auf der Erde selbst waren und sind diese jedoch Mangelware.

Tatsächlich waren die elementaren Bausteine des Lebens so selten, dass chemische Reaktionen sich schnell erschöpft hätten, wenn sie denn überhaupt in Gang gekommen wären. Auch geologische Prozesse wie Erosion und Verwitterung des irdischen Ausgangsgesteins konnten nicht für ausreichenden Nachschub sorgen, da die Erdkruste schlicht zu wenig dieser Elemente enthielt. Dennoch entwickelte sich in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte eine präbiotische Chemie, die organische Moleküle wie die RNA, DNA, Fettsäuren oder Proteine hervorbrachte, auf denen alles Leben beruht.

Zutaten aus dem All?
Woher kamen Schwefel, Phosphor, Stick-​ und Kohlenstoff in der benötigten Menge? Der ETH-Forscher Craig Walton ist davon überzeugt, dass diese Elemente vor allem durch kosmischen Staub auf die Erde gelangt sind.

Dieser Staub entsteht im Weltraum, zum Beispiel, wenn Asteroiden miteinander kollidieren. Auch heute noch fallen rund 30’000 Tonnen Staub aus dem All auf die Erde. In der Frühzeit der Erde dagegen war der Staubregen mit jährlichen Millionen Tonnen viel grösser. Vor allem aber enthalten die Staubteilchen viel Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor. Sie hätten also das Potenzial dazu, eine chemische Kaskade in Gang zu setzen.

Dagegen spricht jedoch, dass der Staub weit verstreut niedergeht und lokal in sehr kleinen Mengen vorhanden ist. «Wenn man aber Transportprozesse einbezieht, sieht die Sache anders aus», sagt Walton. Wind, Regen oder Flüsse sammeln den kosmischen Staub grossräumig ein und lagern ihn konzentriert an bestimmten Orten ab.

Neues Modell soll Frage klären
Um herauszufinden, ob kosmischer Staub eine mögliche Starthilfe und Quelle für präbiotische Chemie(-reaktionen) sein könnte, hat Walton zusammen mit Kollegen der Universität Cambridge (UK) ein Modell entwickelt.

Damit simulierten die Forschenden, wie viel kosmischer Staub in den ersten 500 Millionen Jahren der Erdgeschichte auf die Erde niederging und an welchen Orten er sich auf der Erdoberfläche angesammelt haben könnte. Die Studie wurde jetzt in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Das Modell entstand in Zusammenarbeit mit Sedimentationsexpert:innen und Astrophysiker:innen der Universität Cambridge. Die britischen Forscher:innen sind auf die Simulation von Planeten-​ und Asteroidensystemen spezialisiert.

Die Simulationen zeigen, dass es auf der frühen Erde Orte mit einer extrem hohen Konzentration an kosmischem Staub gegeben haben könnte. Und dass ständig Nachschub aus dem All kam. Allerdings nahm der Staubregen nach der Entstehung der Erde schnell und stark ab: Nach 500 Millionen Jahren war der Staubfluss um eine Grössenordnung kleiner als im Jahr Null. Gelegentliche Ausschläge nach oben führen die Forschenden auf Asteroiden zurück, die auseinanderbrachen und einen Staubschweif zur Erde schickten.

Schmelzlöcher auf Eisschilden als Staubfänger
Die meisten Wissenschaftler:innen, aber auch Laien gehen davon aus, dass die Erde Millionen von Jahren von einem Magmaozean bedeckt war, was Transport und Ablagerung von kosmischem Staub für lange Zeit verhindert hätte. «Neuere Forschung hat jedoch Hinweise darauf gefunden, dass sich die Erdoberfläche sehr rasch abgekühlt und verfestigt hat und sich grosse Eisschilde gebildet haben», sagt Walton.

Diese Eisschilde könnten den Simulationen zufolge die beste Umgebung für die Ansammlung von kosmischem Staub gewesen sein. In sogenannten Kryokonit-​Löchern – Schmelzlöchern auf der Gletscheroberfläche – sammelten sich nicht nur Sedimente, sondern auch die Staubkörner aus dem All.

Aus den Staubpartikeln lösten sich mit der Zeit die entsprechenden Elemente heraus. Sobald deren Konzentration im Gletscherwasser einen kritischen Schwellenwert erreichte, setzten von selbst chemische Reaktionen ein, die zur Bildung der organischen Moleküle am Ursprung des Lebens führten.

Dass auch bei eisigen Temperaturen, wie sie in den Schmelzlöchern herrschen, chemische Prozesse in Gang kommen, ist durchaus möglich: «Kälte schadet der organischen Chemie nicht, im Gegenteil. Reaktionen laufen bei niedrigen Temperaturen selektiver und spezifischer ab als bei hohen», sagt Walton. Andere Forscher haben im Labor gezeigt, dass sich in solchen Schmelzwasser-​Ursuppen bei Temperaturen um den Gefrierpunkt spontan einfache ringförmige Ribonukleinsäuren (RNA) bilden, die sich selbst vervielfältigen. Ein Schwachpunkt in der Argumentation könnte sein, dass sich bei tiefen Temperaturen, die zum Aufbau der organischen Moleküle benötigten Elemente nur sehr langsam aus den Staubteilchen lösen.

Debatte über den Ursprung des Lebens anstossen
Die Theorie, die der Nomis-​Fellow vertritt, ist in der Wissenschaft nicht unumstritten. «Diese Studie wird sicherlich eine kontroverse wissenschaftliche Debatte auslösen», ist Walton überzeugt. «Und sie wird neue Ideen über den Ursprung des Lebens hervorbringen.»

Schon im 18. und 19. Jahrhundert waren Wissenschaftler davon überzeugt, dass Meteoriten die «Elemente des Lebens», wie Walton sie nennt, auf die Erde gebracht haben. Denn schon damals fanden Forscher in Gesteinsbrocken aus dem All diese Elemente des Lebens in grossen Mengen, nicht aber in den Grundgesteinen der Erde. «Seither hat sich aber kaum jemand mit der Idee auseinandergesetzt, dass eine präbiotische Chemie vor allem durch den Eintrag von Meteoriten in Gang gekommen ist», sagt der Geologe.

«Die Meteoriten-​Idee klingt interessant, hat aber einen Haken», erklärt Walton. Ein einzelner Meteorit liefere diese Stoffe nur in einem begrenzten Umfeld, und wo er aufschlage, sei zufällig und der weitere Nachschub sei nicht gewährleistet. «Ich halte es für unwahrscheinlich, dass der Ursprung des Lebens von ein paar weit und zufällig verstreuten Gesteinsbrocken abhängt», sagt er. «Angereicherter kosmischer Staub hingegen halte ich für eine plausible Quelle.»

In einem nächsten Schritt will er seine Theorie experimentell überprüfen. Im Labor wird er in grossen Reaktionsgefässen die Bedingungen nachstellen, die in den urzeitlichen Schmelzlöchern geherrscht haben könnten. Er wird dabei die Anfangsbedingungen so einstellen, wie sie vor vier Milliarden Jahren in einem Kryokonit-Loch vermutlich vorkamen – und dann abwarten, ob sich chemische Reaktionen entwickeln, die biologisch relevante Moleküle hervorbringen.

Originalpublikation:
Walton CR, Rigley JK, Lipp A et al. Cosmic dust fertilization of glacial prebiotic chemistry on early Earth. Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-​024-02212-z
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02212-z.pdf

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Potsdam 20. Dezember 2023.

20. Dezember 2023 – Es gelang zum ersten Mal, die abgestrahlten Gravitationswellen, die Kilonova und das Nachleuchten des Gammastrahlenausbruchs der am 17. August 2017 beobachteten Verschmelzung zweier Neutronensterne parallel zu modellieren und zu interpretieren.

Die Studie und die dafür entwickelte Code-Infrastruktur liefern präzise Hinweise auf die Eigenschaften der Kernmaterie und bilden die Grundlage für die Analyse zukünftiger Ereignisse. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

„Unsere neue Methode wird dabei helfen, die Eigenschaften von Materie bei extremen Dichten zu untersuchen. Außerdem ermöglicht sie ein genaueres Verständnis davon, wie sich das Universum ausdehnt, und von der Art und Weise, wie und in welchem Ausmaß die schweren Elemente bei Neutronensternkollisionen entstehen“, erklärt Tim Dietrich, Professor an der Universität Potsdam und Leiter einer Max-Planck-Fellow-Gruppe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dietrich ist als korrespondierender Autor an der Veröffentlichung beteiligt.

Ein Neutronenstern ist ein extrem dichtes astrophysikalisches Objekt, das am Ende der Lebensdauer massereicher Sterne bei einer Supernova-Explosion entsteht. Ähnlich wie andere kompakte Objekte kreisen einige Neutronensterne in Doppelsternsystemen umeinander. Durch das kontinuierliche Aussenden von Gravitationswellen – kleinen Störungen im Gefüge der Raumzeit – verlieren sie Energie und stoßen schließlich zusammen. Solche Verschmelzungen ermöglichen es den Forschenden, physikalische Prinzipien unter den extremsten Bedingungen im Universum zu untersuchen. So führen die Bedingungen dieser hochenergetischen Kollisionen zur Entstehung schwerer Elemente, wie z. B. Gold. Verschmelzende Neutronensterne sind tatsächlich einzigartige Untersuchungsobjekte, um die Eigenschaften von Materie bei Dichten zu erforschen, die weit über denen von Atomkernen liegen.

Die neue Methode wurde auf die erste und bisher einzige Beobachtung eines verschmelzenden Doppel-Neutronensternsystems angewandt. Bei dieser am 17. August 2017 entdeckten Verschmelzung hatten die letzten paar tausend Umläufe der Sterne umeinander die Raumzeit so stark verwirbelt, dass Gravitationswellen entstanden, die von den terrestrischen Gravitationswellenobservatorien Advanced LIGO und Advanced Virgo nachgewiesen wurden. Bei der Verschmelzung der beiden Sterne wurden neu gebildete schwere Elemente ausgestoßen. Ein Teil dieser Elemente zerfiel radioaktiv, was zu einem Anstieg der Temperatur führte. Ausgelöst durch diese thermische Strahlung war bis zu zwei Wochen nach der Kollision ein elektromagnetisches Signal im optischen, infraroten und ultravioletten Bereich zu beobachten. Außerdem wurde zusätzliches Material durch einen Gammablitz ausgestoßen, ebenfalls ausgelöst durch die Kollision der Neutronensterne. Durch die Reaktion der Neutronensternmaterie mit dem umgebenden Medium wurden Röntgen- und Radiostrahlen erzeugt, die auf einer Zeitskala von Tagen bis zu Jahren beobachtet werden konnten.

Das neue Tool zur simultanen Auswertung astrophysikalischer Daten aus verschiedenen Quellen ermöglicht es den Forschenden, alle diese Signale gleichzeitig zu interpretieren. Zusätzlich können Informationen aus Radio- und Röntgenbeobachtungen von Neutronensternen (z. B. vom NICER-Teleskop der NASA), kernphysikalische Berechnungen und sogar Daten aus Schwerionenkollisionsexperimenten an erdgebundenen Beschleunigern miteinbezogen werden. „Wir können nun über den bisher üblichen schrittweisen Kombinationsprozess hinausgehen. Indem wir die Daten zusammenhängend und gleichzeitig analysieren, erhalten wir präzisere Ergebnisse“, sagt Peter T. H. Pang, Wissenschaftler an der Universität Utrecht, Erstautor der Publikation und Hauptentwickler des Codes. Um die neue Software in den kommenden Jahren weiterzuentwickeln, wurde Dietrich 2022 mit einem European Research Council (ERC) Starting Grant in Höhe von 1,5 Millionen Euro ausgezeichnet.

Derzeit führen die Gravitationswellen-Detektoren ihren vierten wissenschaftlichen Beobachtungslauf durch. Die nächste Entdeckung einer Verschmelzung von Neutronensternen könnte täglich erfolgen, und die Forschenden stehen in den Startlöchern, das von ihnen entwickelte Werkzeug erneut einsetzen zu können.

Publikation:
Peter T. H. Pang, Tim Dietrich, Michael W. Coughlin et al.,
An updated nuclear-physics and multi-messenger astrophysics framework for binary neutron star mergers,
2023, Nature Communications, https://www.nature.com/articles/s41467-023-43932-6

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: AIP 12. Dezember 2023.

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

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

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

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

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

Wissenschaftliche Publikationen

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

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: Universität Innsbruck 5. Dezember 2023.

5. Dezember 2023 – Es ist gelungen, das rätselhafte Phänomen mit ultrakalten dipolaren Atomen numerisch zu simulieren. Die enge Verbindung von Quantenmechanik und Astrophysik ebnet den Weg für die Quantensimulation von stellaren Objekten.

Neutronensterne faszinieren die Wissenschaft seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1967. Die für ihre periodischen Lichtblitze und ihre schnelle Rotation bekannten Überreste von Supernovae gehören zu den dichtesten Objekten im Universum. Ihre Masse ist vergleichbar mit jener der Sonne, komprimiert in einer Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Neutronensterne zeigen ein eigenartiges Verhalten, das als „Glitch“ bekannt ist, bei dem der Stern plötzlich seine Rotation beschleunigt. Dieses Phänomen deutet darauf hin, dass Neutronensterne möglicherweise teilweise supraflüssig sind. In einer Supraflüssigkeit ist die Rotation durch zahlreiche winzige Wirbel gekennzeichnet, von denen jeder einen Teil des Drehimpulses trägt. Ein „Glitch“ tritt auf, wenn diese Wirbel aus der inneren Kruste des Sterns in seine feste, äußere Kruste entweichen und dadurch die Rotationsgeschwindigkeit des Sterns erhöhen.

Der Schlüssel zu dieser Studie liegt im Konzept des Suprafestkörpers – einem Zustand, der sowohl kristalline als auch supraflüssige Eigenschaften aufweist, und der als notwendige Bedingung für die Rotationsstörungen von Neutronensternen vorhergesagt wurde. Demnach nisten sich quantisierte Wirbel im Suprafestkörper ein, bis sie kollektiv entweichen und von der äußeren Kruste des Sterns absorbiert werden, was dessen Rotation beschleunigt. Kürzlich wurden suprafeste Zustände in Experimenten mit ultrakalten, dipolaren Atomen realisiert. Dies bietet eine einzigartige Möglichkeit, die Bedingungen im Inneren eines Neutronensterns auf der Erde zu simulieren.

Die aktuelle Studie von Forschern der Universität Innsbruck und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Laboratori Nazionali del Gran Sasso und des Gran Sasso Science Institute zeigt, dass in ultrakalten suprafesten Phasen Störungen auftreten können, die mit den Vorgängen im Inneren von Neutronensternen vergleichbar sind. Dieser Ansatz ermöglicht eine detaillierte Erforschung dieses Phänomens und seiner Abhängigkeit von Eigenschaften des Suprafestkörpers. „Unsere Forschung stellt eine enge Verbindung zwischen Quantenmechanik und Astrophysik her und bietet Einblicke in das Innenleben von Neutronensternen“, sagt die Erstautorin Elena Poli. Diese Vorgänge liefern wertvolle Erkenntnisse über die innere Struktur und Dynamik von Neutronensternen. Durch die Untersuchung dieser Ereignisse können die Wissenschaftler mehr über die Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen erfahren.

„Diese Forschung demonstriert einen neuen Ansatz, um Einblicke in das Verhalten von Neutronensternen zu gewinnen, und eröffnet neue Wege für die Quantensimulation von stellaren Objekten in niederenergetischen Laboren auf der Erde“, betont Francesca Ferlaino.

Die Studie wurde kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht und unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem Europäischen Forschungsrat ERC finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Glitches in rotating supersolids. Elena Poli, Thomas Bland, Samuel J. M. White, Manfred J. Mark, Francesca Ferlaino, Silvia Trabucco and Massimo Mannarelli. Phys. Rev. Lett. 131, 223401
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.223401
arXiv: https://arxiv.org/abs/2306.09698
pdf: https://arxiv.org/pdf/2306.09698

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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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: Universität Bonn 1. Dezember 2023.

1. Dezember 2023 – Das Weltall dehnt sich aus. Wie schnell es das tut, wird durch die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante beschrieben. Doch gibt es einen Streit um die Frage, wie groß diese Konstante eigentlich ist: Unterschiedliche Messmethoden liefern widersprüchliche Werte. Diese sogenannte „Hubble-Spannung“ stellt die Kosmologen vor ein Rätsel. Forscher der Universitäten Bonn und St. Andrews schlagen dafür nun eine neue Lösung vor: Unter Verwendung einer alternativen Gravitationstheorie lässt sich die Diskrepanz in den Messwerten problemlos erklären – die Hubble-Spannung verschwindet. Die Studie ist nun in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) erschienen.

Die Ausdehnung des Universums sorgt dafür, dass sich die Galaxien voneinander entfernen. Die Geschwindigkeit, mit der sie das tun, ist proportional zu dem Abstand, den sie voneinander haben. Wenn etwa Galaxie A doppelt so weit von der Erde entfernt ist wie Galaxie B, wächst ihre Distanz von uns auch doppelt so schnell. Der US-Astronom Edwin Hubble war einer der ersten, der diesen Zusammenhang erkannte.

Um zu berechnen, wie schnell sich zwei Galaxien voneinander entfernen, muss man daher einerseits ihren Abstand kennen. Andererseits benötigt man dazu eine Konstante, mit der man diesen Abstand multiplizieren muss. Das ist die sogenannte Hubble-Lemaitre-Konstante, eine fundamentale Größe der Kosmologie. Um ihren Wert zu bestimmen, kann man zum Beispiel die sehr weit entfernten Gebiete des Universums betrachten. Wenn man das tut, kommt man auf eine Geschwindigkeit von knapp 244.000 Stundenkilometern pro Megaparsec Abstand (ein Megaparsec sind gut drei Millionen Lichtjahre).

244.000 Stundenkilometer pro Megaparsec – oder 264.000?
„Man kann sich aber auch Himmelskörper ansehen, die deutlich näher zu uns liegen – sogenannte Supernovae der Kategorie 1a, das ist eine bestimmte Art explodierender Sterne“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Es ist möglich, den Abstand einer 1a-Supernova zur Erde sehr genau zu bestimmen. Zudem weiß man, dass leuchtende Objekte ihre Farbe ändern, wenn sie sich von uns wegbewegen – und zwar umso stärker, je schneller sie das tun. Es ist ähnlich wie bei einem Krankenwagen, dessen Martinshorn tiefer klingt, wenn er sich von uns entfernt.

Wenn man nun aus der Farbverschiebung der 1a-Supernovae ihre Geschwindigkeit berechnet und diese zu ihrer Distanz in Beziehung setzt, kommt man auf einen anderen Wert für die Hubble-Lemaitre Konstante – nämlich knapp 264.000 Stundenkilometer pro Megaparsec Abstand. „Das Universum scheint sich also in unserer Nähe – das heißt bis zu einer Entfernung von ungefähr drei Milliarden Lichtjahren – schneller auszudehnen als in seiner Gesamtheit“, sagt Kroupa. „Und das dürfte eigentlich nicht sein.“

Allerdings gibt es seit kurzem eine Beobachtung, die das erklären könnte. Demnach befindet sich die Erde in einer Region des Weltalls, in der es relativ wenig Materie gibt – vergleichbar etwa mit einer Luftblase in einem Kuchen. Um die Blase herum ist die Materiedichte höher. Von dieser umgebenden Materie gehen Gravitationskräfte aus, die die Galaxien in der Blase zum Rand des Hohlraums ziehen. „Daher entfernen sie sich schneller von uns, als eigentlich zu erwarten wäre“, erklärt Dr. Indranil Banik von der St. Andrews Universität. Die Abweichungen wären also schlicht durch eine lokale „Unterdichte“ zu erklären.

Tatsächlich hat eine andere Forschungsgruppe kürzlich die durchschnittliche Geschwindigkeit sehr vieler Galaxien gemessen, die 600 Millionen Lichtjahre von uns entfernt sind. „Dabei wurde festgestellt, dass sich diese Galaxien viermal so schnell von uns wegbewegen, wie es das Standardmodell der Kosmologie erlaubt“, erklärt Sergij Mazurenko aus Kroupas Arbeitsgruppe, der an der aktuellen Studie beteiligt war.

Blase im Teig des Universums
Denn das Standardmodell sieht derartige Unterdichten oder „Blasen“ nicht vor – sie dürften eigentlich nicht existieren. Stattdessen sollte die Materie im All gleichmäßig verteilt sein. Falls dem so wäre, ließe sich aber nur schwer erklären, welche Kräfte die Galaxien zu ihrer hohen Geschwindigkeit treiben.

„Das Standardmodell fußt auf einer von Albert Einstein aufgestellten Theorie zur Natur der Gravitation“, sagt Kroupa. „Eventuell verhalten sich die Gravitationskräfte aber anders als von Einstein erwartet.“ Die Arbeitsgruppen der Universitäten Bonn und St. Andrews haben in einer Computersimulation eine abgewandelte Gravitationstheorie verwandt. Diese „Modifizierte Newton’sche Dynamik“ (Abkürzung: MOND) wurde vor vier Jahrzehnten vom israelischen Physiker Prof. Dr. Mordehai Milgrom vorgeschlagen. Sie gilt bis heute als Außenseiter-Theorie. „In unseren Berechnungen sagt MOND die Existenz derartiger Blasen jedoch exakt voraus“, sagt Kroupa.

Nähme man an, dass sich die Gravitation tatsächlich nach den Milgrom’schen Vorstellungen verhält, würde die Hubble-Spannung verschwinden: Es gäbe tatsächlich nur eine Konstante für die Ausdehnung des Universums, und die beobachteten Abweichungen wären auf Ungleichmäßigkeiten in der Materieverteilung zurückzuführen.

Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die Universität Saint Andrews (Schottland) sowie die Karls-Universität in Prag (Tschechische Republik) beteiligt. Die Arbeiten wurden durch das Britische Science and Technology Facilities Council gefördert.

Publikation
Sergij Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Kroupa and Moritz Haslbauer: Simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 ℎ−1 Mpc; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society;
https://arxiv.org/abs/2311.17988, DOI: dx.doi.org/10.1093/mnras/stad3357, https://academic.oup.com/mnras/article/527/3/4388/7337338, pdf: https://academic.oup.com/mnras/article-pdf/527/3/4388/53894662/stad3357.pdf.

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• Expansion des Universums

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Quelle: AIP 22. November 2023.

22. November 2023 – Die preisgekrönte Dissertation mit dem Titel „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“ befasst sich mit der Rolle der kosmischen Strahlung bei der Entstehung des interstellaren Mediums von Galaxien, die auf deren Entwicklung und ihre Sternbildungseffizienz Auswirkungen hat. Da es nicht möglich ist, die kosmische Strahlung in fernen Galaxien direkt zu messen, können Forschende ihre Eigenschaften nur indirekt einschränken. Maria Werhahn entwickelte daher numerische Methoden, um die Spektren der kosmischen Strahlung in Galaxien und die damit verbundenen Emissionsprozesse zu modellieren, die von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung reichen.

„Durch hochauflösende magnetohydrodynamische Simulationen von Galaxien habe ich diese Ergebnisse mit Beobachtungen verglichen. So konnte ich die beobachtete kosmische Strahlung und die Emissionsspektren sowie die Beziehungen zwischen Radio- und Gammastrahlenleuchtkraft und der Emission im fernen Infrarot erfolgreich reproduzieren, was Einblicke in die Transporteigenschaften der kosmischen Strahlung ermöglicht“, erklärt Maria Werhahn. „Ich freue mich sehr und fühle mich geehrt, mit diesem Preis ausgezeichnet zu werden. Ein großer Dank gilt auch meinem Betreuer der Doktorarbeit, Christoph Pfrommer, sowie den Kolleginnen und Kollegen am AIP, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.“

„Es ist sehr bemerkenswert, dass es Dr. Werhahn gelungen ist, ein einheitliches Modell zu entwickeln, das gleichermaßen lokale Beobachtungen der kosmischen Strahlung mit der Radio- und Gammastrahlung von entfernten Galaxien in Einklang bringt, und es uns ermöglicht, die Physik der Galaxienentstehung besser zu verstehen” würdigt Prof. Dr. Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP, die Arbeit.

Der Carl-Ramsauer-Preis 2023 wird im Rahmen eines Festkolloquiums verliehen. Dabei stellen die vier Preisträgerinnen und Preisträger ihre ausgezeichneten Arbeiten vor. Die Preisverleihung findet am Mittwoch, den 22. November 2023, um 17:15 Uhr an der Technischen Universität Berlin, Eugene-Paul-Wigner-Gebäude, Hörsaal EW201, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin, statt.

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergibt den Carl-Ramsauer-Preis zu Ehren des Experimentalphysikers Carl Ramsauer (1879-1955). Seit 2002 werden jährlich jeweils vier hervorragende Doktorarbeiten in Physik und angrenzender Gebiete an der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin und der Universität Potsdam ausgezeichnet, seit 2022 auch an der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg. Der Carl-Ramsauer-Preis wird seit 2015 von der Firma SPECS GmbH gefördert.

Dissertation „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“
doi.org/10.25932/publishup-57285
pdf: https://publishup.uni-potsdam.de/opus4-ubp/frontdoor/deliver/index/docId/57285/file/werhahn_diss.pdf

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• Ehrungen

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 27. September 2023.

27. September 2023 – Der Erfolg ist das Ergebnis des DRAGON-II-Simulationsprojekts unter der Leitung des Gran Sasso Science Institute. Es beruht auf Berechnungen der komplexen Wechselwirkungen zwischen Sternen, stellaren schwarzen Löchern und physikalischen Prozessen in dichten Sternhaufen und zeigten, dass schwarze Löcher von bis zu einigen hundert Sonnenmassen in diesen Umgebungen entstehen können.

Die Suche nach dem Ursprung von schwarzen Löchern mittlerer Masse (engl. intermediate-mass black holes, IMBHs) ist nach wie vor ein Rätsel. Sollten sie existieren, könnten sie das Bindeglied zwischen den beiden Extremen der schwarzen Löcher sein. Am massearmen Ende beobachten wir stellare schwarze Löcher, Überbleibsel von Supernova-Explosionen massereicher Sterne am Ende ihrer Lebenszeit. Auf der anderen Seite finden wir schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien, die millionen- oder sogar milliardenfach massereicher sind als unsere Sonne. Die Entstehung und das Wachstum dieser Objekte stellen für die moderne Astronomie immer noch ein faszinierendes Rätsel dar, vor allem, weil es keinen eindeutigen Beweis für die Existenz von IMBHs gibt. Astronomen vermuten, dass sie in dichten und eng gedrängten Sternhaufen zu finden sind.

„Schwarze Löcher mittlerer Masse sind schwer zu beobachten“, erklärt Manuel Arca Sedda vom Gran Sasso Science Institute (GSSI) in L’Aquila, Italien, und Hauptautor des zugrunde liegenden Forschungsartikels, der in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde. „Die derzeitigen Grenzen der Beobachtungsmethoden erlauben es uns nicht, die Gruppe dieser schwarzen Löcher mit Massen zwischen 1.000 und 10.000 Sonnenmassen auf diese Weise zu erforschen. Außerdem bereiten sie den Forschenden hinsichtlich der möglichen Mechanismen, die zu ihrer Entstehung führen, Kopfzerbrechen.“

Um diesen Nachteil zu überwinden, hat ein internationales Team unter der Leitung von Arca Sedda und Albrecht Kamlah vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (MPIA) eine einzigartige Serie von hochauflösenden numerischen Simulationen von Sternhaufen durchgeführt, die als DRAGON-II Cluster-Datenbank bekannt ist. Dabei entdeckten die Astronominnen und Astronomen einen möglichen Mechanismus zur Bildung von mittelschweren schwarzen Löchern in jungen, dicht besiedelten und massereichen Sternhaufen.

Diese bahnbrechenden Simulationen mussten eine Abfolge komplexer Wechselwirkungen zwischen typischen Einzel- und Doppelsternen berechnen, die zu Kollisionen führen und immer massereichere Sterne bilden, die sich schließlich zu schwarzen Löchern entwickeln. In diesem Stadium können sie weitere massereiche Sterne und schwarze Löcher in sich aufnehmen, was zu schwarzen Löchern von mehreren hundert Sonnenmassen führt. Wie sich herausstellt, führt kein einzelner Weg zu solch einem Objekt. Stattdessen finden die Astronomen eine komplexe Palette von Wechselwirkungen und Verschmelzungsereignissen.

Bis zu einer Million Sterne bevölkerten die simulierten Sternhaufen, die einen Anteil an Doppelsternhaufen zwischen 10 % und 30 % aufweisen. „Die simulierten Sternhaufen spiegeln die realen Exemplare, die in der Milchstraße, den Magellanschen Wolken und verschiedenen Galaxien in unserem lokalen Universum beobachtet wurden, sehr gut wider“, erklärt Kamlah.

Indem sie das weitere Schicksal eines solchen schwarzen Lochs in diesen Simulationen nachzeichneten, identifizierten die Astronomen eine turbulente Periode, die durch heftige Austauschprozesse mit anderen Sternen und stellaren schwarzen Löchern gekennzeichnet ist und zu seinem schnellen Ausstoß aus dem elterlichen Sternhaufen innerhalb von ein paar hundert Millionen Jahren führen kann. Dieses Ereignis begrenzt effektiv sein weiteres Wachstum. Die Berechnungsmodelle zeigen, dass kleinere schwarze Löcher mittlerer Masse auf natürliche Weise aus energiereichen Wechselwirkungen zwischen Sternen innerhalb von Sternhaufen entstehen. Ihre Tendenz, größere Massen als einige hundert Sonnenmassen zu erreichen, hängt jedoch von der Dichte oder dem Massereichtum der Umgebung ab.

Dennoch bleibt ein zentrales wissenschaftliches Rätsel ungelöst: ob diese mittelschweren schwarzen Löcher als Bindeglied zwischen ihren kleineren stellaren Verwandten und den kolossalen supermassereichen schwarzen Löchern dienen. Diese Frage bleibt vorerst unbeantwortet, aber die Studie eröffnet einen Raum für konkrete Vermutungen.

„Wir brauchen zwei Zutaten für eine genauere Ergebnisse“, erklärt Arca Sedda. „Einerseits einen oder mehrere Prozesse, die in der Lage sind, schwarze Löcher im mittleren Massenbereich zu bilden und andererseits die Fähigkeit, sie in der ursprünglichen Umgebung zu halten.“ Die Studie stellt strenge Anforderungen an die erste Komponente und gibt einen klaren Überblick darüber, welche Prozesse zur Bildung von schwarzen Löchern beitragen können. Die Berücksichtigung massereicherer Sternhaufen, die mehr Doppelsterne enthalten, könnte in Zukunft helfen, die zweite Zutat zu erhalten, was wiederum hohe Anforderungen an die zukünftigen Simulationen stellt.

Interessanterweise könnten Sternhaufen, die in der Frühzeit des Universums entstanden sind, die geeigneten Eigenschaften besitzen, um das Wachstum von schwarzen Löchern über mittlere Massen hinaus aufrechtzuerhalten. Zukünftige Beobachtungen solch alter Sternhaufen, zum Beispiel mit Hilfe des James Webb Space Telescope (JWST) und der Entwicklung neuer theoretischer Modelle, könnten dabei helfen, die Beziehung zwischen mittelschweren und supermassereichen schwarzen Löchern zu entschlüsseln.

Hintergrundinformationen
Der an dieser Forschung beteiligte MPIA-Wissenschaftler ist Albrecht Kamlah (ebenfalls Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg).
Die Publikation über die DRAGON-II-Simulationen ist Teil einer Serie von drei Veröffentlichungen (die beiden verbleibenden befinden sich in der Begutachtung), die wiederum zum langfristigen DRAGON-Simulationsprojekt gehören, das von Rainer Spurzem (Astronomisches Rechen-Institut, Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, und Kavli-Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Peking; Nationale Astronomische Observatorien, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking) und Teams hauptsächlich in Deutschland, China, Polen und Italien geleitet wird. Ziel dieses Projekts ist es, die dynamische Entwicklung massereicher Sternhaufen über kosmische Zeiträume hinweg mit den genauesten verfügbaren Methoden zu erforschen.

Die erfolgreiche Durchführung des Projekts erfordert den umfassenden Einsatz von GPU-beschleunigten massiv-parallelen Rechensystemen, wie dem High-Performance Computing (HPC) System Raven und dem JUWELS-Booster-System des Jülich Supercomputing Center (JSC). Die Simulationen des DRAGON-II-Projekts, die in den Veröffentlichungen vorgestellt werden, wurden alle auf dem JUWELS-Booster durchgeführt. Die umfassende Nutzung der Rechenressourcen von Raven, die in der Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) zur Verfügung stehen, war ebenfalls von entscheidender Bedeutung für die gründliche Evaluierung und das Benchmarking der Millionen-Körper-Simulationen, die in dieser Reihe vorgestellt werden, und bot gleichzeitig eine Testumgebung für viele der notwendigen Code-Aktualisierungen.

Originalpublikation:
Manuel Arca Sedda, Albrecht W H Kamlah, Rainer Spurzem, Francesco Paolo Rizzuto, Thorsten Naab, Mirek Giersz, Peter Berczik: „The DRAGON-II simulations – II. Formation mechanisms, mass, and spin of intermediate-mass black holes in star clusters with up to 1 million stars„, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 526, Issue 1, November 2023, Pages 429–442,
doi: dx.doi.org/10.1093/mnras/stad2292,
https://academic.oup.com/mnras/article/526/1/429/7281010

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• Schwarze Löcher

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