Quelle: ESO, Pressemitteilung eso2501de-at, 10. Januar 2025

Ein unersetzliches Erbe für die Menschheit

Seit seiner Einweihung im Jahr 1999 hat das Paranal-Observatorium, das von der Europäischen Südsternwarte (ESO) gebaut und betrieben wird, zu bedeutenden Durchbrüchen in der Astronomie geführt, wie z. B. dem ersten Bild eines Exoplaneten und der Bestätigung der beschleunigten Expansion des Universums. Der Nobelpreis für Physik im Jahr 2020 wurde für die Erforschung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße verliehen, bei der die Paranal-Teleskope eine entscheidende Rolle spielten. Das Observatorium ist für Astronomen weltweit von großer Bedeutung, auch für die in Chile, wo die astronomische Gemeinschaft in den letzten Jahrzehnten erheblich gewachsen ist. Darüber hinaus wird auf dem nahe gelegenen Cerro Armazones das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO errichtet, das größte Teleskop seiner Art weltweit – eine revolutionäre Einrichtung, die unser Wissen über unser Universum dramatisch verändern wird.

„Die Nähe des industriellen Megaprojekts AES Andes zu Paranal stellt ein erhebliches Risiko für den unberührtesten Nachthimmel der Welt dar“, betonte ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Staubemissionen während des Baus, erhöhte atmosphärische Turbulenzen und insbesondere Lichtverschmutzung werden die Möglichkeiten für astronomische Beobachtungen, in die die Regierungen der ESO-Mitgliedstaaten bisher Investitionen in Höhe von mehreren Milliarden Euro getätigt haben, irreparabel beeinträchtigen.“

Die beispiellosen Auswirkungen eines Megaprojekts

Das Projekt umfasst einen Industriekomplex von mehr als 3000 Hektar, was in etwa der Größe einer Stadt oder eines Stadtteils wie Valparaiso in Chile oder Garching bei München entspricht. Es umfasst den Bau eines Hafens, von Ammoniak- und Wasserstoffproduktionsanlagen sowie Tausender Stromgeneratoren in der Nähe des Paranal.

Dank ihrer atmosphärischen Stabilität und der geringen Lichtverschmutzung ist die Atacama-Wüste ein einzigartiges natürliches Labor für astronomische Forschung. Diese Eigenschaften sind für wissenschaftliche Projekte, die sich mit grundlegenden Fragen wie dem Ursprung und der Entwicklung des Universums oder der Suche nach Leben und der Bewohnbarkeit anderer Planeten befassen, von entscheidender Bedeutung.

Ein Aufruf zum Schutz des chilenischen Himmels

„Chile und insbesondere Paranal sind ein ganz besonderer Ort für die Astronomie – der dunkle Himmel ist ein Naturerbe, das über die Landesgrenzen ausstrahlt und der gesamten Menschheit zugutekommt“, sagte Itziar de Gregorio, Vertreterin der ESO in Chile. „Es ist von entscheidender Bedeutung, alternative Standorte für dieses Megaprojekt in Betracht zu ziehen, die einen der wichtigsten astronomischen Schätze der Welt nicht gefährden.“

Die Verlegung dieses Projekts ist nach wie vor die einzige wirksame Möglichkeit, um irreversible Schäden am einzigartigen Himmel von Paranal zu verhindern. Diese Maßnahme wird nicht nur die Zukunft der Astronomie sichern, sondern auch einen der letzten wirklich unberührten dunklen Himmel auf der Erde bewahren.

Endnoten

[1] Eine Studie von Falchi et al., die 2023 in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurde, verglich die Lichtverschmutzung an allen 28 großen astronomischen Observatorien. Sie ergab, dass Paranal der dunkelste Ort unter ihnen ist.

Lichtverschmutzung an den wichtigsten astronomischen Observatorien der Welt.

Diese Grafik zeigt die Auswirkungen der Lichtverschmutzung auf alle 28 großen astronomischen Observatorien, wobei das Paranal-Observatorium der ESO der dunkelste Standort unter ihnen ist. Sie stammt aus einer Studie von Falchi et al., die 2023 in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht wurde. Sie verwendet eine logarithmische Skala und vergleicht die Helligkeit direkt über den Observatorien mit der natürlichen Hintergrundhelligkeit (1 % bedeutet, dass es 1 % mehr Lichtverschmutzung gibt, 100 % bedeutet, dass es 100 % mehr Lichtverschmutzung gibt, also doppelt so viel wie ohne künstliche Lichtquellen). Beachten Sie, dass einige Observatorien zweimal aufgeführt sind: So weist beispielsweise Armazones, wo sich das Extremely Large Telescope der ESO befindet, während des Baus des Teleskops (als eine provisorische Unterkunft für die Arbeiter vorhanden war) eine höhere Lichtverschmutzung auf.
Diese Darstellung ist eine leicht angepasste Version von Abbildung 1 aus der Studie von Falchi et al. Hier werden die Standorte auf der vertikalen Achse angezeigt und die Beschriftungen auf der horizontalen Achse wurden zur besseren Lesbarkeit geändert.

Die Schönheit des Nachthimmels über Paranal

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• ESO

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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 Stuttgart 16. Juni 2023.

16. Juni 2023 – Seit Jahrzehnten erforschen Astronomen und Astronominnen die Kräfte, die das Innere von Galaxien bestimmen: Schwerkraft, kinetische Energie, stellare Strahlung, Gasdruck. Die Bedeutung von Magnetfeldern für die Entwicklung von Galaxien ist allerdings noch weitgehend unverstanden – und das, obwohl sie bis zur Hälfte des gesamten Energiehaushalts des Gases in einer Galaxie ausmachen können. Beobachtungen des warmen diffusen Gases zwischen den Sternen im Radiowellenbereich deuten darauf hin, dass vermutlich alle Galaxien von einem geordneten großskaligen Magnetfeld gewaltiger Dimension durchzogen sind. Aber wie sieht es auf kleineren Skalen wie etwa den kalten dichten Molekülwolken aus, in denen Sterne entstehen? Befinden sich dort ähnlich geordnete Magnetfelder? Regulieren diese womöglich die Geschwindigkeit der Sternentstehung? Beeinflussen sie die Bildung der molekularen Wolken oder die Kinematik der Scheibe einer Spiralgalaxie?

Um diesen Fragen nachzugehen, hat ein internationales Team um Alejandro Borloff vom NASA Ames Research Center im Rahmen des SOFIA-Legacy-Programms SALSA (Survey on extragALactic magnetiSm with SOFIA) die Magnetfelder von 14 Galaxien in der Nachbarschaft der Milchstraße untersucht. Dazu haben die Forschenden die Galaxien mit der hochauflösenden Airborne Wideband Camera HAWC+ an Bord von SOFIA im fernen infraroten Wellenlängenbereich bei zwischen 53 und 214 Mikrometern beobachtet. Nur bei diesen Wellenlängen können Forschende die Magnetfelder in den kalten, dichten Molekülwolken der Sternentstehungsgebiete vermessen. Allerdings sind Magnetfelder von Natur aus schwer bzw. nur indirekt zu detektieren, sodass die Forschenden einen Trick anwenden: In den Molekülwolken befinden sich längliche Staubkörner geringer Ausdehnung, die sich senkrecht zum Magnetfeld ausrichten, sodass die Strahlung, die von diesen Staubkörnern ausgeht, polarisiert ist. Mit dem HAWC+-Instrument konnte das Team um Alejandro Borloff dieses polarisierte, ferninfrarote Licht der magnetisch ausgerichteten Staubkörner beobachten und daraus anschließend die Orientierung der Magnetfelder in den Molekülwolken ableiten.

Ein Vergleich mit Radiodaten vom Effelsberg-Teleskop in Deutschland und Very Large Array in New Mexico bei Wellenlängen von wenigen Zentimetern, die beide für die polarisierte Strahlung aus dem weniger dichten Gas der Galaxien empfindlich sind, zeigt Erstaunliches: Spiralgalaxien neigen zwar dazu Magnetfelder zu haben, die auf großen Skalen den Spiralarmen aus Gas und Sternen folgen. Die mit SOFIA abgeleiteten Magnetfelder auf den kleineren Skalen der Molekülwolken sind jedoch chaotischer und weniger geordnet als die mit Radioteleskopen beobachteten. „Die Ergebnisse des Projektes SALSA sind sehr wichtig“, erläutert Rainer Beck vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Ko-Autor der veröffentlichten Studie. “Zum ersten Mal gibt es Polarisationsdaten von Galaxien mit ähnlicher Winkelauflösung wie die unserer Radiokarten im Ferninfrarot, sodass sich die Magnetfeldstruktur im kalten interstellaren Medium mit der im warmem interstellaren Medium vergleichen lässt. Die Strukturen sind ähnlich, aber es gibt auch signifikante Unterschiede, z.B. in Regionen zwischen den Spiralarmen und in den Außengebieten der galaktischen Scheiben. Die Ähnlichkeit der im Ferninfrarot- und Radiobereich gemessenen Magnetfeldstrukturen ist ein starkes Argument für die Aktivität von galaktischen Dynamos, deren Theorie vor rund 50 Jahren in Deutschland, den USA und Russland entwickelt wurde.“

Das SALSA-Projekt umfasst neben sogenannten Starburst-Galaxien, die mit einer unglaublich hohen Rate Sterne bilden – oft als Folge einer Kollision zwischen Galaxien oder anderer gravitativer Störungen – auch Galaxien, die ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergen, das energiereiche Jets aus ionisiertem Gas senkrecht zur galaktischen Ebene rauschleudert. Die SALSA-Ergebnisse zeigen, dass SOFIA das Magnetfeld, das parallel zu diesen Ausströmungen in Starburst-Galaxien ausgerichtet ist, im Ferninfraroten besser detektieren kann als Radioteleskope. Radioteleskope hingegen sind tendenziell empfindlicher für die Magnetfelder im diffusen Gas in den Regionen zwischen den Spiralarmen der Wirtsgalaxien. Bei einigen Galaxien wie etwa NGC 2146 ist SOFIA mithilfe der HAWC+-Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen sogar in der Lage, zwischen dem Magnetfeld des galaktischen Ausflusses und dem der galaktischen Ebene zu unterscheiden.

Das von den magnetisch ausgerichteten Staubkörnern im kalten, dichten interstellaren Medium ausgestrahlte Ferninfrarotlicht zeigt, dass Magnetfelder untrennbar mit der Sternentstehung verbunden sind: Dieselben Prozesse, die neue Sterne bilden, können gleichzeitig die Stärke und Struktur der umliegenden Magnetfelder beeinflussen. Die Ergebnisse des SALSA-Projekts zeigen, dass die Magnetfelder in turbulenten, dichten, sternbildenden Gaswolken ungeordneter sind als im diffusen interstellaren Gas – ein Effekt, der vermutlich direkt mit den Auswirkungen der von Sternbildung freigesetzten Energie zusammenhängt. Verschiedene Wellenbereiche (Ferninfrarot, Radio) offenbaren Regionen mit unterschiedlicher Magnetfeldstruktur. Hochauflösende Polarisationsbeobachtungen von Galaxien im fernen Infrarot, wie sie mit HAWC+ an Bord von SOFIA geliefert werden konnten, sind für das Verständnis der Rolle von Magnetfeldern in der Entwicklung des Universums von Bedeutung.

Über SALSA:
SALSA – Das Joint Legacy Program „SALSA – Survey of Extagalactic Magnetism with SOFIA“ zielt darauf ab, ein umfassendes empirisches Bild der magnetischen Feldstärke und Struktur im mehrphasigen ISM von Galaxien zu erstellen. Zum ersten Mal wird eine polarimetrische FIR-Durchmusterung von nahen Galaxien durchgeführt. Diese Ergebnisse werden mit radio-polarimetrischen und optischen spektroskopischen Beobachtungen kombiniert, um die Magnetfeldstärke/-struktur sowie die Gasdynamik als Funktion der Eigenschaften der Wirtsgalaxie und der galaktischen Umgebung auf der kpc-Skala zu bestimmen. Die polarimetrischen Beobachtungen dieses Legacy-Programms mit großem Feld und mehreren Wellenlängen werden einen entscheidenden Schritt darstellen, der den grundlegenden Rahmen für die Magnetfeldstruktur in den molekularen Gasscheiben naher Galaxien im kpc-Maßstab schaffen wird.

Über SOFIA:
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Die SOFIA-Aktivitäten werden auf deutscher Seite von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert und vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart durchgeführt, auf amerikanischer Seite von der NASA und der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente wurde finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

Originalveröffentlichung:
Extragalactic magnetism with SOFIA (SALSA Legacy Program) — V: First results on the magnetic field orientation of galaxies,
https://arxiv.org/abs/2303.13586,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2303.13586.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Universität Stuttgart 25. Mai 2023.

25. Mai 2023 – Sobald ein Stern die Hauptreihe hinter sich gelassen hat – das längste Stadium der Sternentwicklung, in dem der durch die Kernfusion im Innern des Sterns erzeugte Strahlungsdruck der Schwerkraft die Waage hält – stößt der alternde Stern eine Hülle aus Gas und Plasma ab und ein planetarischer Nebel entsteht. Was in dieser Phase mit einem möglicherweise vorhandenen Planetensystem geschieht, ist allerdings ein Rätsel. Astronomen und Astronominnen wissen im Allgemeinen nicht, ob Planeten jenseits dieses Punktes überleben können bzw. welches Schicksal sie ereilt.
Ein Hinweis hierzu hat nun ein Team um Jonathan Marshall von der Academia Sinica in Taiwan im nahegelegenen Helixnebel gefunden, in dem es neue Daten von SOFIA, dem Stratosphären-Observatoriums für Infrarot-Astronomie und ALMA, dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, zusammen mit Archivdaten der Spitzer- und Herschel-Weltraumobservatorien untersucht hat.

Der Helixnebel ist ein junger planetarischer Nebel, in dem sich glühendes Gas ausbreitet, das von seinem alternden Wirtsstern ausgestoßen wurde. Im Zentrum des Nebels hat sich ein sehr junger Weißer Zwerg gebildet, der allerdings mehr Infrarotstrahlung aussendet als erwartet. Um zu klären, woher diese überschüssige Strahlung kommt, hat Marshall zusammen mit seinem Team zunächst untersucht, woher sie nicht kommen kann:
Kollisionen zwischen kleinen, festen Objekten aus kosmischem Staub, die sich während der Entstehung eines Planetensystems um einen Stern gebildet haben – sogenannte Planetesimale – können diese überschüssige Emission zwar grundsätzlich erzeugen, aber weder SOFIA noch ALMA konnten die dafür erforderlichen großen Staubkörner nachweisen.
Auch haben die Forschenden keine Kohlenmonoxid- oder Siliziummonoxidmoleküle gefunden, die für die Gasscheiben charakteristisch sind, die einen Stern nach seinem Leben auf der Hauptreihe umgeben können.

Zerstörung als Strahlungsquelle
Zusammen mit den Archivdaten grenzen die Beobachtungen von SOFIA und ALMA die verschiedenen Parameter der möglichen infraroten Strahlungsquelle – wie ihre Größe, Struktur und Umlaufbahn – stark ein, so dass nur eine Erklärung übrig bleibt: Staub, der sich bildet, wenn ausgewachsene Planeten bei der Entstehung des planetarischen Nebels zerstört werden und sich in Richtung des Sterns im Zentrum bewegen.

„Nachdem wir die Puzzleteile der Größe und Form der überschüssigen Emission sowie die daraus resultierenden Eigenschaften über die Staubkörner in der Umgebung des Weißen Zwerges zusammen gesetzt hatten, kamen wir zu dem Schluss, dass ein zerstörtes Planetensystem die beste Erklärung für den vorhandenen Infrarotüberschuss des Helixnebels ist“, sagt Jonathan Marshall, der Hauptautor der Studie.

Ein mögliches Szenario wäre die kontinuierliche Zerstörung tausender Kometen pro Jahr durch die intensive Strahlung des Weißen Zwerges. Dies würde den notwendigen Nachschub an Staub erklären, um die gemessene Infrarothelligkeit zu erhalten, welche einer gesamten Staubmasse von 500 Millionen Kometen der Größe von Hale-Bopp entspricht.

Ferninfrarotdaten von SOFIA füllen entscheidende Lücke
Die mit dem HAWC+ Instrument an Bord von SOFIA gemessenen Helligkeiten bei einer Wellenlänge von 54 µm konnten genau die Lücke zwischen den früheren Spitzer- und Herschel-Beobachtungen bei 24 und 70 µm schließen. „Diese Lücke lag genau dort, wo wir den Höhepunkt der Staubemission erwartet haben“, so Marshall. „Es ist wichtig, die Form der Staubemission zu bestimmen, um die Eigenschaften dieser Staubkörner einzugrenzen. Die SOFIA-Beobachtungen haben es uns ermöglicht, unser Verständnis zu verfeinern“.

Obwohl SOFIA nach seinem Betriebsende keine Folgebeobachtungen des Helixnebels mehr durchführen kann, ist diese Studie Teil eines größeren Projekts das darauf abzielt zu verstehen, was mit Planetensystemen geschieht, wenn sich ihr Zentralstern über die Hauptreihe hinaus entwickelt. Marshall und sein Team hoffen, auch andere Sterne in der Spätphase mit ähnlichen Techniken untersuchen zu können.

Originalveröffentlichung:
Evidence for the Disruption of a Planetary System During the Formation of the Helix Nebula , Jonathan P. Marshall et al 2023 AJ 165 22, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac9d90.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

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Quelle: Leibniz-Gemeinschaft 16. Mai 2023.

16. Mai 2023 – Auf der Spur von Sonne, Mond und Sternen brechen wir im neuen Online-Schwerpunkt von „leibniz“ auf in den Weltraum. Denn auch wenn wir heute Forschungsraketen, Laserstrahlen und Weltraumteleskope in die Höhe schicken können – viele Geheimnisse des Universums bleiben weiterhin ungelüftet. Wie groß die Neugier und Faszination für das All sind, zeigt sich nicht zuletzt darin, wie intensiv wir uns damit auseinandersetzen; in Politik, Literatur – und sogar auf Briefmarken. Wie entstanden die Planeten und Galaxien? Und sind wir wirklich allein in den unendlichen Weiten?

Wenn Sie mehr darüber lesen möchten, finden Sie in unserem Schwerpunkt „Universum“ Antworten und weitere Fragen.

In den kommenden Wochen baut er sich Beitrag für Beitrag auf:

• Wie werden aus winzigen, im luftleeren Raum verstreuten Staubkörnern riesige Himmelskörper? So viel vorweg: Es hat mit Flieh- und Schwerkraft und Magnetfeldern zu tun – und mit einer ominösen Scheibe aus Gas. Mit seiner Forschung gewährt Oliver Gressel vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam Einblick in die Kinderstube von Sternen und Planeten. In den Himmel muss er dafür nicht gucken – seine Daten bezieht er aus einer Wüste in Chile.
• Mit dem Kalten Krieg endete auch die Militarisierung der Raumfahrt – so hoffte man zumindest. Tatsächlich hat das Wettrüsten im All gerade erst begonnen. „Ein Militär ohne Satelliten ist seinen Gegnern deutlich unterlegen“, sagt der Politikwissenschaftler Niklas Schörnig vom Leibniz-Institut Hessische Stiftung Friedens- und Konfliktforschung. Beliebt seien etwa Systeme, die Satelliten manipulieren oder zerstören. Und auch private Unternehmen schießen heute Satelliten ins All – allein bei Space X ist es alle sechs Tage eine Rakete. Niklas Schörnig im Interview: „So langsam wird es dort oben eng.“
• Sind wir allein im Universum? Svetlana Berdyugina vom Leibniz-Institut für Sonnenphysik hat sich diese Frage zum Lebensinhalt gemacht – und eine klare Antwort: „Ich bin überzeugt, dass es im Weltall fremdes Leben gibt“, sagt sie. „Wir werden es entdecken!“ Für ihre Suche nutzt sie das Licht, das ferne Planeten zur Erde werfen. Komplexe Modulationen verraten ihr, ob sich darauf Wüsten, Meere oder Gebirge erstrecken. Oder ein Wald, was besonders interessant wäre: Pflanzen bedeuten Leben.

Außerdem lesen Sie in „leibniz“ u.a. folgende Beiträge:

• Kein Entrinnen: Ihre Anziehungskraft ist so groß, dass schwarzen Löchern nichts entwischt. Eigentlich – denn die kosmischen Vielfraße sondern eine seltsame Strahlung ab. Die Physikerin Lotte Mertens untersucht sie.
• Briefmarken: Sie sind ein idealtypisches Objekt der Sammelleidenschaft, und mit der Zeit haben sich zahlreiche Sammelgebiete entwickelt. Auch Astronomie und Weltraum gehören dazu – gemeinsam firmieren sie als Astrophilatelie.
• Höhenforschung I: Auf einer Insel am Rande des Polarkreises steht Forschenden ein einzigartiger Maschinenpark zur Verfügung. Mit Lidar, Radar und Raketen können sie von hier aus eine Zone am Rande des Weltraums vermessen, über die bislang so wenig bekannt ist, das man sie auch „Ignorosphäre“ nennt. Zu Besuch in Nordnorwegen.
• Höhenforschung II: Sie helfen, Tiere und Ökosysteme zu beobachten, mehr über Winde und Wolken zu erfahren und Naturkatastrophen zu untersuchen. Satelliten haben das Potenzial die Umweltbeobachtung zu revolutionieren – und den Planeten zu schützen.
• Space Billiard: Vor 66 Millionen Jahren besiegelte ein Asteroideneinschlag das Ende der Dinosaurier. Damit es uns nicht so ergeht, haben Forschende erstmals versucht, die Flugbahn eines Asteroiden zu ändern. Mit dabei: das Museum für Naturkunde Berlin.
• Teilchenbauer: Transistoren, Dioden, Sensoren – oder die Materialien, aus denen sie bestehen: Leibniz-Institute fertigen einige der kleinen Rädchen, die es braucht, um den großen Fragen rund ums All nachzugehen. Ein Werkstattbesuch.
• Weltraumstart: Mitte der 1970er Jahre vollzog die European Space Agency (ESA) den Einstieg in die bemannte Raumfahrt. In der Bundesrepublik war die Kritik daran groß. Tilmann Siebeneichner vom Leibniz-Zentrum untersucht, warum der Griff nach den Sternen dennoch erfolgte.
• Ganz unten: Am Grund der Ozeane hausen wundersame Wesen, die oft noch unentdeckt sind. Im Epilog des Schwerpunkts „Universum“ tauchen wir in die Tiefsee.

„leibniz“ ist das Magazin der Leibniz-Gemeinschaft. In drei Schwerpunkten im Jahr, von denen einer in gedruckter Form erscheint, erzählt es aus Wissenschaft und Gesellschaft und stellt die Menschen hinter der Leibniz-Forschung vor. Alle Schwerpunkte und weitere Beiträge finden Sie unter www.leibniz-magazin.de. Die Printausgabe können Sie kostenlos auf der Website abonnieren unter oder mit einer Mail an: abo(at)leibniz-gemeinschaft.de.

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• Leibnitz-Gemeinschaft

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Quelle: Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik e.V. an der Universität Rostock 4. Januar 2023.

4. Januar 2023 – Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik startet mit voller Kraft ins neue Jahr: Gleich zwei Projekte konnten die Forschenden der Abteilung Optische Sondierung an Land ziehen.

Unter dem Kürzel DEFINE („Density Field in the MLT“) bereitet das Kühlungsborner Institut in Kooperation mit Partnern aus Norwegen und Schweden in den kommenden Monaten einen Raketenstart vor. Ziel ist es, Parameter in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre zu messen und Aussagen zur Strahlungsbilanz zu treffen. Die Rakete soll im Jahr 2025 aus dem norwegischen Andøya starten. Das Projekt DEFINE wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 3 Millionen Euro gefördert. Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Greifswald arbeitet das Institut zudem an einer neuartigen Lidar-Methode, um Staubpartikel von Meteoren in der mittleren Atmosphäre zu beobachten. Dafür stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft dem Kühlungsborner Institut 300.000 Euro bereit. Starttermin für dieses Forschungsprojekt ist im Juni 2023.

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• Planet Erde

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Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 27. Dezember 2022.

27. Dezember 2022 – Die in Schockfronten erzeugte Wärme sollte daher einen wichtigen Faktor darstellen in den frühen Stadien der Entwicklung von Protosternen und den planetaren Scheiben um sie herum. Solche Schocks könnten durch die lokale Akkretion von Materie aus der umgebenden Hülle oder durch lokale Fragmentierung aufgrund von Gravitationsinstabilitäten verursacht werden.

Astronomen untersuchen die Umgebung von Protosternen nicht nur, um mehr über die Sternentstehung im Allgemeinen zu erfahren, sondern auch um die Bedingungen und Prozesse zu untersuchen, die zur Entstehung unseres eigenen Sonnensystems geführt haben könnten. Insbesondere junge Sterne mit einer Masse nahe der unserer Sonne sind von großem Interesse. Etwa die Hälfte aller sonnenähnlichen Sterne sind keine Einzelgänger, wie das Doppelsternsystem IRAS 16293-2422, das von einem Team des MPE im Jahr 2020 entdeckt wurde.

Bei einer genaueren Betrachtung des Systems mit sehr hochauflösenden ALMA-Beobachtungen stellte das Team nun fest, dass die beiden Sterne in dem System nicht die einzige Wärmequelle sind. „Wir konnten in die zentrale Region hinein zoomen und stellten fest, dass der heiße Staub nicht mit den Positionen der Protosterne korreliert“, sagt María José Maureira, Postdoktorandin und Leiterin der Studie am MPE. „Überraschenderweise fanden wir lokalisierte heiße Bereiche oder ‚Hot Spots‘, die wahrscheinlich durch lokale Schocks im Gas erzeugt werden, ähnlich dem Überschallknall bei Flugzeugen.“

Solche Schocks können die chemische Zusammensetzung der Gas- und Staubwolken verändern, da hierbei Moleküle freigesetzt werden, die zuvor im Eis um die Staubkörner herum eingefroren waren. Organische Moleküle im Weltraum sind potenzielle Vorläufer von komplexeren Molekülen, die für das Leben unerlässlich sind. Solche Schocks können daher die chemische Zusammensetzung der Materie verändern und die Menge, die sich zu größeren Gebilden aufbauen kann – und damit die Eigenschaften der entstehenden Planetensysteme.

„Diese faszinierenden neuen Beobachtungen zeigen, dass unsere Scheiben-Modelle nicht vollständig waren; wir brauchen eine zusätzliche Heizquelle,“ betont Jaime Pineda, Koautor der Studie am MPE. „Die ändert die Art und Weise, wie wir die Eigenschaften des Staubs und die Masse dieser jungen Scheiben bestimmen.“

Die neuen Temperaturkarten des Staubs stimmen sehr gut mit früheren Beobachtungen bei Wellenlängen überein, die von bestimmten Molekülen ausgesandt werden. „Diese Beobachtungen haben es uns ermöglicht, die physikalischen Bedingungen und die Verteilung komplexer organischer Moleküle mit einer noch nie dagewesenen Empfindlichkeit und Winkelauflösung sichtbar zu machen“, betont Paola Caselli, Direktorin des Zentrums für Astrochemische Studien am MPE. „Das ist entscheidend, um die Chemie dieser Moleküle zu verstehen. Nur so können wir die diagnostischen Informationen, die sie uns liefern, nicht nur bei dieser, sondern auch bei zukünftigen Beobachtungen ähnlicher Systeme voll ausschöpfen.“

Durch die Messung der Temperatur in der Umgebung junger Sterne können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler herausfinden, welche Moleküle vorhanden sind und wie sie sich bilden. Die Temperatur beeinflusst auch, wie viel Staub sich zur Entstehung von Planeten ansammeln kann. Die ALMA-Beobachtungen waren ursprünglich geplant um festzustellen, ob die Staubkörner um die Protosterne deutlich größer geworden sind. Da dies der erste Schritt zur Planetenentstehung ist, betrifft dies ein wichtige Frage: Wann genau entstehen Planeten?

„Da dieses ‚Baby‘-Sternsystem sehr hell ist, können wir es als Labor nutzen, um mehr darüber zu erfahren, wie Sterne mit sonnenähnlicher Masse entstehen“, fügt Kedron Silsbee hinzu, Koautor an der Universität Texas. „Als wir die Größe des Staubs analysierten, sahen wir, dass die Körner wahrscheinlich bereits größer geworden sind, aber nicht in dem Maße, wie wir es erwartet hatten. Vielleicht hängt dies mit den hohen Temperaturen in den Hot Spots oder mit der asymmetrischen Konfiguration des Systems zusammen.“ Mit weiteren Beobachtungen und einer Simulation des jungen Doppelsternsystems im Computer will das Team diese neuen Fragen beantworten.

Originalveröffentlichung:
María José Maureira, Munan Gong, Jaime E. Pineda, Hauyu Baobab Liu, Kedron Silsbee, Paola Caselli, Joaquin Zamponi, Dominique M. Segura-Cox, and Anika Schmiedeke
Dust Hot Spots at 10 au Scales around the Class 0 Binary IRAS 16293–2422 A: A Departure from the Passive Irradiation Model
2022 ApJL 941 L23
DOI 10.3847/2041-8213/aca53a
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aca53a
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• Sternentstehung

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 23. Dezember 2022.

23. Dezember 2022 – Kosmische Brocken wie winzige Staubkörner, faustgroße Meteoriten sowie Kometen und Asteroiden gelten als Zeitzeugen der Entstehung unseres Sonnensystems. Bei den Bemühungen, ihnen ihre Geheimnisse zu entlocken, haben Forscherinnen und Forscher in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte gemacht: Mit Hilfe bodengebundener Teleskope haben sie verblüffende Exemplare dieser so genannten kleinen Körper entdeckt; unbemannte Raumsonden haben Kometen und Asteroiden aus der Nähe untersucht und sogar Materialproben zurück zur Erde gebracht; und aufwändige Laboruntersuchungen offenbaren immer präzisere Informationen über ihre Zusammensetzung. Diesen Entwicklungen geht die aktuelle öffentliche Vortragsreihe am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen nach. Von Mitte Januar 2023 bis April 2023 berichten sechs Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von ihren Forschungsergebnissen und -projekten. Der Eintritt ist kostenlos.

Den Auftakt am Donnerstag, 19. Januar 2023, macht Prof. Dr. Thorsten Kleine, der seit etwa einem Jahr die Abteilung für Planetenwissenschaften des MPS leitet. Es ist sein erster öffentlicher Vortrag in Göttingen, der sich an ein breites Publikum richtet. Unter dem Titel „Die Erde oder: Wie entsteht ein lebensfreundlicher Planet?“ präsentiert der Meteoritenforscher und Kosmochemiker den aktuellen Kenntnisstand zur Entstehung und Entwicklung unseres Heimatplaneten. Er erklärt unter anderem, woher das ursprüngliche Baumaterial der Erde stammt, wann und wie es sich zusammenballte und wie das Wasser auf die Erde kam.

Im Folgenden widmen sich gleich zwei Vorträge den Kometen. Einen Blick auf Kometenmissionen im Weltraum wirft am Donnerstag, 2. Februar 2023, Dr. Carsten Güttler vom MPS. In seinem Vortrag „Kometenforschung im All: Von Rosetta bis Comet Interceptor“ spannt er einen Bogen von der ESA-Mission Rosetta, die von 2014 bis 2016 den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko begleitete und zu der das MPS maßgeblich beigetragen hat, bis zur Mission Comet Interceptor. Die gleichnamige ESA-Raumsonde soll 2029 ins All starten, dort zunächst ausharren und dann, sobald sich die Gelegenheit ergibt, einen Kometen vom äußersten Rand des Sonnensystems abfangen. „Sind Kometen ein Schlüssel zum frühen Sonnensystem?“ fragt am 2. März 2023 Prof. Dr. Jürgen Blum von der TU Braunschweig. In seinem Vortrag fasst er zusammen, was Kometen über die Entstehung und die Entwicklung des Sonnensystems verraten.

Mit ungewöhnlichen kosmischen Brocken beschäftigen sich die Vorträge am 16. Februar 2023 und am 16. März 2023. Im Februar ist Prof. Dr. Jessica Agarwal von der TU Braunschweig zu Gast. Die Wissenschaftlerin stellt kleine Körper vor, die sich nicht den gängigen Kategorien „Komet“ oder „Asteroid“ zuordnen lassen. Die so genannten aktiven Asteroiden finden sich zwar im Asteroidengürtel zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter, schmücken sich jedoch mit ausgeprägten, kometenartigen Schweifen. Im März wendet sich die Vortragsreihe einem Besucher von außerhalb des Sonnensystems zu. Vor fünf Jahren flog Oumuamua, das erste bekannte interstellare Objekt, nah an der Sonne vorbei – und verblüffte nicht nur durch seine ausgesprochen längliche Form. Von diesen und anderen Überraschungen erzählt in ihrem Vortrag Prof. Dr. Susanne Pfalzner vom Forschungszentrum Jülich, die an der Auswertung der Beobachtungsdaten des weitgereisten Körpers beteiligt ist.

Den allerkleinsten Brocken im All wendet sich der letzte Vortrag in der Reihe zu. Unter dem Titel „Staubteilchen – Boten ferner Himmelskörper“ führt PD Dr. Harald Krüger vom MPS am Donnerstag, 27. April 2023, in die Erforschung kosmischen Staubs ein. Er berichtet, wie Raumsonden Staubteilchen in situ untersuchen, welche Weltraummissionen anstehen und was Staub über das Sonnensystem verrät.

Die Vorträge finden im Auditorium des MPS statt und beginnen jeweils um 19 Uhr. Sie sind als hybride Veranstaltungen geplant: Interessierte sind vor Ort herzlich willkommen, können die Vorträge jedoch auch von Zuhause per zoom-Webinar verfolgen. Genauere Informationen zur Teilnahme an den zoom-Webinaren veröffentlichen wir rechtzeitig im Internet unter www.mps.mpg.de/kosmisches-urgestein. Der Eintritt für die Vorträge ist kostenlos.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 12. Oktober 2022.

12. Oktober 2022 – Ein neues Bild, das mit dem James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommen wurde, zeigt einen bemerkenswerten kosmischen Anblick: mindestens 17 konzentrische Staubringe, die von einem Sternenpaar ausgehen. Dieses Sternenduo befindet sich in einer Entfernung von gut 5.000 Lichtjahre von der Erde und ist unter der Bezeichnung Wolf-Rayet 140 bekannt. Zu dem Forscherteam unter der Leitung des US-Astronomen Ryan Lau gehört auch Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Ein neues Bild des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) offenbart einen bemerkenswerten kosmischen Anblick: mindestens 17 konzentrische Staubringe, die von einem Sternenpaar ausgehen. Dieses Sternsystem befindet sich in etwas mehr als 5.000 Lichtjahren Entfernung in Richtung des Sternbilds Cygnus (Schwan) und ist unter dem Namen Wolf-Rayet 140 (WR 140) bekannt. Die Ringe entstanden jeweils beim geringsten Abstand beider Sterne auf ihrer Umlaufbahn durch Kollision der Sternwinde (Gasströme, die sie ins All blasen). Dadurch wurde das Gas komprimiert und es bildete sich Staub. Die Umlaufbahnen der Sterne bringen sie etwa alle acht Jahre zusammen; wie die Ringe eines Baumstamms markieren die Staubschleifen den Lauf der Zeit.

„Wir sehen die Staubproduktion über mehr als ein Jahrhundert in diesem System“, sagt Ryan Lau, Astronom am NOIRLab der National Science Foundation, der Erstautor einer neuen Studie über das System, die heute in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht wurde. „Das Bild zeigt auch, wie empfindlich das JWST ist. Früher konnten wir mit bodengebundenen Teleskopen nur zwei Staubringe sehen. Jetzt sehen wir mindestens 17 davon.“

Zusätzlich zur allgemeinen Empfindlichkeit des James-Webb-Teleskops ist sein „Mid-Infrared Instrument“ (MIRI) in einzigartiger Weise geeignet, die Staubringe zu untersuchen, die Lau und seine Kollegen als Schalen bezeichnen, da sie in Wirklichkeit dicker und breiter sind als sie auf dem Bild erscheinen. Die wissenschaftlichen Instrumente des Teleskops erfassen infrarotes Licht, einen Bereich von Wellenlängen, der für das menschliche Auge unsichtbar ist.

MIRI, das zuvor vom „Jet Propulsion Laboratory“ für die NASA verwaltet wurde, erkennt die längsten Infrarot-Wellenlängen, was bedeutet, dass es im Vergleich zu den anderen Instrumenten des JWST oft kühlere Objekte sehen kann, darunter auch die Staubringe. Das MIRI-Spektrometer enthüllte auch die Zusammensetzung des Staubs, der größtenteils aus Material besteht, das von einem Sterntyp ausgestoßen wird, der als Wolf-Rayet-Stern bekannt ist.

Ein Wolf-Rayet-Stern wird mit mindestens 25-mal mehr Masse als unsere Sonne geboren und nähert sich dem Ende seines Lebens. Ein Wolf-Rayet-Stern erzeugt starke Winde, die riesige Mengen an Gas ins All stoßen. Der Wolf-Rayet-Stern in diesem speziellen Paar hat durch diesen Prozess möglicherweise bereits mehr als die Hälfte seiner ursprünglichen Masse verloren.

Die Umwandlung von Gas in Staub ist in etwa so, als würde man Mehl in Brot verwandeln: Es sind bestimmte Bedingungen und Zutaten erforderlich. Das in Sternen am häufigsten vorkommende Element, Wasserstoff, kann von sich aus keinen Staub bilden. Da Wolf-Rayet-Sterne jedoch so viel Masse abwerfen, stoßen sie auch komplexere Elemente aus, die normalerweise tief im Inneren eines Sterns zu finden sind, darunter Kohlenstoff. Die schweren Elemente im Wind kühlen auf ihrer Reise in den Weltraum ab und werden dort komprimiert, wo die Winde beider Sterne zusammentreffen.

Einige andere Wolf-Rayet-Systeme bilden ebenfalls Staub, aber von keinem ist bekannt, dass es Ringe wie bei WR 140 bildet. Das einzigartige Ringmuster entsteht, weil die Umlaufbahn des Wolf-Rayet-Sterns im Doppelsternsystem länglich und nicht kreisförmig ist. Nur wenn sich die Sterne einander genügend annähern – etwa auf die gleiche Entfernung wie zwischen Erde und Sonne – und ihre Sternwinde miteinander kollidieren, steht das Gas unter ausreichendem Druck, um Staub zu bilden.

Lau und seine Mitautoren gehen davon aus, dass die Winde von WR 140 auch die Umgebung von Materialresten befreit haben, mit denen sie sonst kollidiert wären. Das könnte der Grund dafür sein, dass die Ringe so unberührt und nicht verschmiert oder zerstreut erscheinen. Wahrscheinlich gibt es sogar noch mehr Ringe, die so schwach und zerstreut sind, dass man sie nicht einmal in den Daten vom JWST erkennen kann.

„WR 140 stellt ein faszinierendes astrophysikalisches Labor dar, um Windkollisionen, Staubbildung und das Überleben von Staub in der feindlichen Strahlungsumgebung um diese massereichen und heißen Sterne zu untersuchen“, sagt Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Beobachtungen in verschiedenen Orbitalphasen ermöglichen es uns zu untersuchen, wie die Staubproduktion von der Entfernung zwischen den beiden heißen Sternen abhängt, da die Umlaufbahn gut bekannt ist. Die Entdeckung von entfernten Schalen aus der Staubproduktion vor mehr als 100 Jahren zeigt, dass der von WR 140 gebildete Staub lange Zeit überleben kann.“

Die neue Studie mit den Daten des MIRI-Spektrometers mit mittlerer Auflösung liefert den bisher besten Beweis dafür, dass Wolf-Rayet-Sterne kohlenstoffreiche Staubmoleküle produzieren. Und die Erhaltung der Staubhüllen deutet darauf hin, dass dieser Staub in der lebensfeindlichen Umgebung zwischen den Sternen überleben und Material für zukünftige Sterne und Planeten liefern kann.

„Obwohl Wolf-Rayet-Sterne in unserer Galaxie selten sind, weil sie im Vergleich zu anderen Sternen sehr kurzlebig sind, ist es möglich, dass sie im Laufe der Geschichte der Galaxie viel Staub produziert haben, bevor sie explodierten und Schwarze Löcher bildeten“, sagt Patrick Morris, Astrophysiker am Caltech in Pasadena, Kalifornien, und Mitautor der neuen Studie. „Ich denke, mit JWST werden wir viel mehr darüber lernen, wie diese Sterne das Material zwischen den Sternen formen und neue Sternentstehung in Galaxien auslösen.“

Weitere Informationen:
Das „James Webb Space Telescope“ (JWST) ist ein weltweit führendes Observatorium für Weltraumforschung. Das JWST wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick in ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Das JWST ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Kanadischen Weltraumorganisation CSA.

Das „Mid-infrared Instrument“ (MIRI) wurde im Rahmen einer 50:50-Partnerschaft zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation ESA entwickelt. Das JPL leitete die amerikanischen Aktivitäten beim Bau von MIRI, und ein multinationales Konsortium europäischer astronomischer Institute trug den Anteil für die ESA bei. George Rieke von der University of Arizona ist der Leiter des MIRI-Wissenschaftsteams in den USA. Gillian Wright vom U.K. Astronomy Technology Centre ist die europäische Leiterin des MIRI-Projekts. Alistair Glasse vom britischen ATC ist der MIRI-Instrumentenwissenschaftler, und Michael Ressler ist der US-Projektwissenschaftler am JPL. Laszlo Tamas von UK ATC leitet das europäische Konsortium. Die Entwicklung des MIRI-Kryokühlers wurde vom JPL in Zusammenarbeit mit dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Northrop Grumman in Redondo Beach, Kalifornien, geleitet und verwaltet.

Die Autoren der Veröffentlichung sind Ryan M. Lau, Matthew Hankins, Yinuo Han, Ioannis Argyriou, Michael F. Corcoran, Jan J. Eldridge, Izumi Endo, Ori D. Fox, Macarena Garcia Marin, Theodore R. Gull, Olivia C. Jones, Kenji Hamaguchi, Astrid Lamberts, David R. Law, Thomas Madura, Sergey V. Marchenko, Hideo Matsuhara, Anthony F.J. Moffat, Mark R. Morris, Patrick W. Morris, Takashi Onaka, Michael E. Ressler, Noel D. Richardson, Christopher M. P. Russell, Joel Sanchez-Bermudez, Nathan Smith, Anthony Soulain, Ian R. Stevens, Peter Tuthill, Gerd Weigelt, Peredur M. Williams und Ryodai Yamaguchi, darunter Gerd Weigelt vom MPIfR.

Originalveröffentlichung
Nested Dust Shells around the Wolf-Rayet Binary WR 140 from JWST, Ryan M. Lau et. al., in: Nature Astronomy, 12. Oktober 2022, https://www.nature.com/articles/s41550-022-01812-x.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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Quelle: Deutsches Museum Bonn 3. Oktober 2022.

Die dreiteilige Reihe startet am 19. Oktober 2022 um 19.00 Uhr mit dem Eröffnungsvortrag »APEX: Der Pfadfinder für den Südhimmel bei Submillimeterwellenlängen« von Professor Dr. Karl Menten. Er ist einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und leitet die Forschungsabteilung »Millimeter- und Submillimeter-Astronomie«.

Neue Sterne entstehen in unserem Universum seit mindestens 13 Milliarden Jahren – auch heute noch – aus dichten interstellaren Wolken aus Gas und Staub. Dieser Staub verhüllt die jüngsten Sterne vollständig, was direkte Beobachtungen ihrer Entstehung im optischen Licht unmöglich macht. Bei 1000- bis 10000-mal längeren Wellenlängen, also im Submillimeterbereich (bzw. Terahertz-Frequenzbereich), dagegen »leuchtet« der Staub, wie auch die Strahlung einer Vielzahl von Molekülen. Seit 2005 betreibt das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in 5100 Meter Höhe in der chilenischen Atacamawüste ein Submillimeter-Teleskop, das Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Ursprünglich konzipiert als »Pfadfinder« für das viel größere Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und die Weltraum- bzw. Flugzeugobservatorien Herschel und SOFIA, wurden mit APEX weite Teile unserer Milchstraße systematisch in der Strahlung von Staub und molekularem Gas, dem Rohstoff für die Entstehung von neuen Sternen, durchmustert und die Chemie des interstellaren Mediums untersucht. Auch eine Reihe von anderen Fragestellungen wurde mit APEX adressiert. Der Vortrag gibt einen Überblick der astronomischen Ergebnisse von APEX und der von uns und unseren Partnern ständig weiterentwickelten innovativen Technologie, die sie ermöglichen.

Das Reihenthema »APEX & ALMA: Moleküle und Sternentstehung im Universum«, ursprünglich bereits geplant für das Jahr 2020, war gleich drei Jubiläen aus dem Jahr 2020 gewidmet: 25 Jahre Deutsches Museum Bonn (DMB), 20 Jahre Astronomische Vorträge im DMB und 15 Jahre Submillimeterteleskop APEX in Chile.

Die Vortragsreihe ist eine gemeinsame Veranstaltung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, des Argelander-Instituts für Astronomie der Universität Bonn und des Deutschen Museums Bonn.

Der Eintritt ist frei!
Kontakt/Info/Anmeldung unter info at deutsches-museum-bonn.de.

DMB Vortragsreihe Neues aus dem All:
https://www.deutsches-museum.de/bonn/programm#c20746

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Quelle: HSD.

25. März 2022 – Dass Staub aus der Wüste auch hin und wieder nach Deutschland transportiert wird, ist nichts Ungewöhnliches. Wie der Forschungsflug zeigen konnte, hatte diese Saharastaubwolke jedoch eine außerordentlich starke Ausprägung. Dabei kann der Saharastaub in hoher Konzentration die Leistung von Solarzellen am Boden reduzieren und auch den Flugverkehr beeinträchtigen.

Der Messflug startete vom Flughafen Essen/Mülheim und erfolgte hauptsächlich im Süden Deutschlands, da dort laut Ausbreitungssimulationen des DWD die höchsten Konzentrationen zu erwarten waren. Dabei wurde neben der räumlichen Ausdehnung an mehreren Standorten die vertikale Schichtung der Wolke untersucht. Hierzu wurden unter anderem am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg sowie nahe der Umweltforschungsstation am Zugspitzbergmassiv Vertikalprofilflüge durchgeführt. Die Messungen konnten sehr hohe Konzentrationen an Saharastaub in mehreren Schichten in der unteren Atmosphäre nachweisen. Die so gewonnenen Daten dienen unter anderen dazu, Ausbreitungsmodelle zu validieren sowie optische Fernmessverfahren, mit welchen sich die Aerosolverteilung in der Atmosphäre ermitteln lässt, zu überprüfen.

Bei dem Flug kamen hochmoderne lasergestützte Mess-Systeme zum Einsatz. Eine Besonderheit war dabei, dass die Messdaten vom Flugzeug aus online über Iridium-Satelliten zum Boden gesandt wurden, so dass diese während des Fluges durch den DWD und die Einsatzverantwortlichen kontinuierlich überwacht werden konnten. Dadurch war, basierend auf aktuellen Messergebnissen, eine einsatzgerechte Flugsteuerung möglich. Das UMT-Team um Prof. Dr. Konradin Weber hat schon seit mehreren Jahren eine kontinuierliche Flug-Rufbereitschaft für den DWD und führte in den vergangenen Jahren zahlreiche Flüge in Saharastaubwolken, bei Vulkanausbrüchen, bei den Moorbränden in Niedersachsen und zur Untersuchung von grenzüberschreitendem Luftschadstofftransport von der Tschechischen Republik nach Deutschland durch.

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• Planet Erde

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

10. Februar 2022 – Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Max-Planck-Instituts für Astronomie haben auf der Suche nach dem Ursprung des Lebens eine neue Spur entdeckt: Sie konnten zeigen, dass unter Bedingungen, wie sie im Weltall herrschen, Peptide auf Staub entstehen können. Diese Moleküle, die einer der Grundbausteine allen Lebens sind, sind also vielleicht gar nicht auf unserem Planeten entstanden, sondern womöglich in kosmischen molekularen Wolken.

Ketten aus Aminosäuren
Alles Leben, wie wir es kennen, besteht aus den gleichen chemischen Bausteinen. Dazu gehören Peptide, die im Körper völlig unterschiedliche Funktionen übernehmen: Sei es, um Stoffe zu transportieren, Reaktionen zu beschleunigen oder um in Zellen stabilisierende Gerüste zu bilden. Peptide bestehen aus einzelnen Aminosäuren, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind. Die genaue Reihenfolge entscheidet darüber, welche Eigenschaften das Peptid am Ende besitzt.

Wie diese vielseitigen Biomoleküle entstanden sind, ist eine der Fragen nach dem Ursprung des Lebens. Dass dieser Ursprung außerirdischer Natur sein kann, zeigen Aminosäuren, Nukleobasen und verschiedene Zucker, die etwa in Meteoriden gefunden wurden. Damit aber aus einzelnen Aminosäure-Molekülen ein Peptid entsteht, braucht es ganz spezielle Bedingungen, die bislang eher auf der Erde vermutet wurden.

Für den ersten Schritt muss Wasser da sein, für den zweiten Schritt darf kein Wasser da sein.
„Bei dem herkömmlichen Weg, auf dem Peptide entstehen, spielt Wasser eine wichtige Rolle“, erklärt Dr. Serge Krasnokutski vom Astrophysikalischen Labor des Max-Planck-Instituts für Astronomie an der Universität Jena. Hierbei verbinden sich einzelne Aminosäuren zu einer Kette. Damit das geschieht, muss jeweils ein Wassermolekül entfernt werden. „Unsere quantenchemischen Berechnungen zeigten nun, dass die Aminosäure Glycin entstehen kann, indem sich eine chemische Vorstufe – ein sogenanntes Aminoketen – mit einem Wassermolekül verbindet. Vereinfacht zusammengefasst: In diesem Fall muss für den ersten Reaktionsschritt Wasser dazugegeben werden, für den zweiten muss Wasser entfernt werden.“

Mit dieser Erkenntnis konnte das Team um den Jenaer Wissenschaftler nun einen Reaktionsweg nachweisen, der unter kosmischen Bedingungen ablaufen kann und dabei ohne Wasser auskommt. „Anstatt den chemischen Umweg zu gehen, in dem die Aminosäuren gebildet werden, wollten wir herausfinden, ob nicht stattdessen die Aminoketen-Moleküle entstehen und diese sich direkt zu Peptiden verbinden können“, beschreibt der Physiker die Grundidee der Arbeit, die nun im Fachjournal Nature Astronomy veröffentlicht wurde. Er ergänzt: „Und zwar unter den Bedingungen, wie sie in kosmischen molekularen Wolken herrschen: Also auf Staubpartikeln im Vakuum, bei denen die entsprechenden Chemikalien anwesend sind und dort reichlich vorkommen: Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenstoffmonoxid.“

In einer Ultrahochvakuum-Kammer wurden Substrate, die als Modell für die Oberfläche von Staubpartikeln dienen zusammen mit Kohlenstoff, Ammoniak und Kohlenmonoxid bei etwa einem Billiardstel des normalen Luftdrucks und Minus 263 Grad Celsius zusammengebracht. „Untersuchungen zeigten, dass unter diesen Bedingungen aus den einfachen Chemikalien das Peptid Polyglycin entstanden ist,“ fasst Krasnokutski das Ergebnis zusammen. „Hierbei handelt es sich also um Ketten aus der sehr einfachen Aminosäure Glycin, wobei wir verschiedene Längen beobachtet haben. Die längsten Exemplare bestanden aus elf Einheiten der Aminosäure.“

Auch das vermutete Aminoketen konnte das Team in diesem Experiment nachweisen. „Dass die Reaktion bei derart niedrigen Temperaturen überhaupt ablaufen kann, liegt daran, dass die Aminoketen-Moleküle extrem reaktiv sind. Sie verbinden sich miteinander in einer effektiven Polymerisation. Das Produkt ist dann Polyglycin.“

Quantenmechanischer Tunneleffekt könnte eine Rolle spielen
„Dass die Polymerisation von Aminoketen unter solchen Bedingungen so einfach passieren kann, war dennoch überraschend für uns,“ sagt Krasnokutski. „Denn dazu muss eigentlich eine Energiebarriere überwunden werden. Allerdings kann es sein, dass uns ein besonderer Effekt der Quantenmechanik dabei zugutekommt. Denn in diesem speziellen Reaktionsschritt wechselt ein Wasserstoffatom seinen Platz. Dieses ist jedoch so klein, dass es als Quantenteilchen die Barriere nicht überwinden, sondern durch den Tunneleffekt gewissermaßen einfach durchqueren könnte.“

Jetzt wo klar ist, dass nicht nur Aminosäuren, sondern auch Peptidketten unter kosmischen Bedingungen entstehen können, müssen wir also bei der Erforschung des Ursprungs des Lebens möglicherweise nicht nur auf die Erde, sondern auch mehr ins Weltall blicken.

Original-Publikation:
S. A. Krasnokutski, K.-J. Chuang, C. Jäger, N. Ueberschaar, Th. Henning, „A pathway to peptides in space through the condensation of atomic carbon“, Nature Astronomy (2022), DOI: https://www.nature.com/articles/s41550-021-01577-9

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• Leben im Universum

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Autor: Star-Light, Quelle: NASA .

Seit dem 4. Januar 2004 ist Opportunity auf dem Mars und hat schon so einiges überstanden. Gerade gilt es für den Rover, dessen ursprüngliche Einsatzdauer auf nur 90 Mars-Tage angesetzt war, im 15. Jahr seiner Mission auf dem roten Planeten eine neue Herausforderung zu meistern.

Ein planetarischer Staubsturm zwingt den Rover zu einer längeren Pause. Für die Wissenschaftler der NASA ist das nicht neu, schon 2007 gab es eine Unterbrechung durch einen Staubsturm. Allerdings veröffentlichte die NASA bereits Ende Juli 2018 ein Statement, dass der Staubsturm langsam nachlässt, aber noch ist der Rover stumm.

Durch Daten aus dem Orbit und vom Rover Curiosity, der für seine Stromversorgung nicht auf Sonnenenergie angewiesen ist, haben die Forscher der NASA eine Vorstellung vom Ausmaß der Verschleierung der Atmosphäre durch den Staubsturm. Sie können daher abschätzen wann der Rover wieder genügend Sonnenlicht bekommt, um über die Solarzellen die Akkumulatoren des Rovers laden zu können.

Das Ausmaß der Verschleierung wird in „Tau“ gemessen. Je kleiner der Tau-Wert ist, desto klarer ist die Atmosphäre. Ein durchschnittlicher Tau-Wert für den Standort von Opportunity auf dem Mars ist normalerweise 0,5. Die Forscher gehen davon aus, dass ein Wert von unter 2,0 notwendig ist, damit der Rover die Akkumulatoren wieder laden kann. Der letzte von Opportunity gemessene Wert war am 10. Juni 2018 10,8.
Man weiß, dass die Akkumulatoren des Rovers vor dem Sturm in recht gutem Zustand waren, so dass man zuversichtlich ist, dass sich der Rover wieder meldet.

Was kann man von der Erde aus tun?
Mehrmals pro Woche nutzen die Ingenieure das Deep Space Network (DSN) der NASA, um zu versuchen den Rover auf dem Mars zu „wecken“. Daneben durchsuchen Forscher des JPL (Jet Propulsion Laboratory) Radiosignale vom Mars nach Funksignalen des Rovers.

Wie reagiert der Rover auf dem Mars?
Der Rover kann auf Situationen wie sie der Staubsturm verursacht verschieden reagieren. Die Forscher der NASA sind auf folgende Szenarien vorbereitet:

• Der Rover versetzt sich in den Winterschlaf, da nicht mehr genug Sonnenlicht zum Laden der Akkumulatoren zur Verfügung steht. Dies ist der wahrscheinlichste Grund für den Kommunikationsausfall seit dem 10. Juli. Der Rover sollte selbständig erwachen, sobald wieder ausreichend Licht zur Verfügung steht.
• Seine Borduhr kann gestört sein, so dass der Rover nicht weiß wann es Zeit ist mit der Erde zu kommunizieren.
• Wenn der Rover lange Zeit nichts von der Erde gehört hat, kann es zu einem „Verbindungs-Fehler“ kommen. Eine Warnung, dass seine Kommunikationsausrüstung möglicherweise nicht funktioniert. Bei dieser Fehlermeldung beginnt Opportunity eine Diagnose seiner Systeme und versucht auf verschiedenen Wegen, mit der Erde zu kommunizieren.

Wenn sich der Rover wieder meldet, wird das Team der NASA erst einmal so viele Daten wie möglich über seinen Zustand sammeln, in der Hoffnung, daß er den Sturm gut überstanden hat. Dazu können mehrere Übertragungen vom Mars notwendig sein, bis ein vollständiges Bild vorliegt und man weiß, ob die Kapazität der Akkumulatoren z.B. durch eine möglicherweise zu tiefe Entladung abgenommen hat.

Bis sich der Rover meldet bleibt aber alles eine Spekulation. „Er hat sich als bemerkenswert widerstandsfähiger Rover erwiesen“, sagte NASA-Manager Jim Watzin. Raumfahrer Net drückt die Daumen.

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• Opportunity & Spirit

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: almaobservatory.org, sciencedaily.com.

Bei dem Stern HD107146 handelt es sich um einen jungen, sonnenähnlichen Stern vom G2-Typ in einer Entfernung von etwa 90 Lichtjahren und mit einer Masse von 109% der Sonnenmasse. Von der Erde aus betrachtet steht er im Sternbild Coma Berenices. Er kann nicht mit bloßem Auge gesehen werden. Weiterhin repräsentiert er mit einem Alter von etwa 100 Millionen Jahren eine Entwicklungsphase, in der das System von seiner Frühphase in ein stabiles Stadium übergeht, in der sich bereits Planeten geformt haben und nun ihre Umlaufbahnen einnehmen, in denen sie später ihren Stern umkreisen. Die Planeten haben sich aus den Resten der Materie gebildet, die bei der Sternentstehung übrig geblieben sind und die nun in einer so genannten Akkretionsscheibe den jungen Stern umkreisen. Ist die Planetenbildung abgeschlossen, ist der Staub in den inneren Bereichen des Systems verschwunden. Frühere Computersimulationen legen aber nahe, dass er in den äußeren Bereichen eines Sonnensystems zunimmt. Grund dafür ist die Entstehung von Körpern in der Größe des Pluto, die kleinere Körper durch ihre gravitative Beeinflussung dazu bringen, zusammenzustoßen und so zur Bildung dieses Staubs beitragen. Genau dieser Umstand ist nun durch die Untersuchungen bestätigt worden. Die Forscher stießen bei ihren Beobachtungen auf einen Anstieg der Konzentration millimetergroßen Staubs in den äußeren Bereichen des Systems. Die Region verstärkten Staubvorkommens beginnt demnach in einer Entfernung von etwa 13 Milliarden Kilometern vom Stern. Das ALMA-Teleskop in der Atacama-Wüste in Chile besteht aus 66 Präzisionsantennen, die in einem Areal in einer Höhe von über 5000 Metern. Sie dienen Beobachtungen in einem Wellenlängenbereich von 0,32 bis 3,6 Millimetern, einem Grenzbereich zwischen Infrarot- und Radiostrahlung. Damit können Objekte untersucht werden, die zu den kältesten im Universum gehören, so z.B. alte und weit entfernte Galaxien im Universum oder eben Gas- und Staubregionen, aus denen neue Sterne entstehen.

Der Artikel von Ricci et al.
ALMA observations of the debris disk around the young Solar Analog HD 107146

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• Exoplaneten

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, ESA.

Am 12. November 2014 erreichte der von der Raumsonde Rosetta mitgeführte Kometenlander Philae die Oberfläche des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko (der Einfachheit halber ab hier als „67P“ abgekürzt). Dort kam Philae schließlich nach einer dreifachen Landung an einem ungeplanten Standort zum Stehen, welcher aufgrund der dort gegebenen Beleuchtungsverhältnisse keine Möglichkeit bot, die begrenzten Energiereserven zu erneuern. Trotzdem konnte der Lander – mit der Energie aus seiner auf eine Einsatzdauer von etwa 60 Stunden ausgelegten Primärbatterie versorgt – in den folgenden Stunden eine Vielzahl an Messungen durchführen. Die dabei gesammelten Daten der zehn Instrumente des Landers wurden regelmäßig bei jedem sich öffnenden Kommunikationsfenster an die Erde übertragen, bevor die Energiereserven am 15. November so weit erschöpft waren, dass sich Philae in einen „Schlafmodus“ versetzte.

CASSE zeichnete die Geräusche der ersten Landung auf
Bei einem der Instrumente von Philae handelt es sich um das akustische Seismometer CASSE (kurz für „Cometary Acoustic Surface Sounding Experiment“), welches zusammen mit zwei weiteren Einzelinstrumenten den SESAME-Instrumentenkomplex bildet. CASSE besteht aus drei in den Landerbeinen untergebrachten piezoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von akustischen Signalen und einem Empfänger, welcher ebenfalls auf der Basis piezoelektrischer Elemente arbeitet. Dies entspricht dem Prinzip eines Lautsprechers und eines Mikrofons.

CASSE wurde bereits während des Landeanfluges an 67P aktiviert und hat dabei die Vibrationen eines Schwungrades wahrgenommen, welches den ‚Flug‘ von Philae während der Abstiegsphase zu der Kometenoberfläche stabilisierte. Bei der ersten von insgesamt drei Landungen auf dem Kometen registrierte das Instrument zudem deutlich den ersten Kontakt der Landerbeine mit der Kometenoberfläche. Diese lediglich etwa zwei Sekunden lange, aber wissenschaftlich und zudem auch historisch bedeutsame Audiosequenz dokumentiert den allerersten Bodenkontakt eines Raumfahrzeuges mit einem Kometen und kann auf dieser Internetseite des DLR abgerufen werden (MP3-Datei, 88 kB). Diese Sequenz ist für die Wissenschaftler deutlich aufschlussreicher, als es sich für den Laien anhört.

„Es war ein komplizierter Bodenkontakt, aber wir können die Daten wissenschaftlich auswerten“, so Dr. Martin Knapmeyer, Geophysiker am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und einer der Mitarbeiter des CASSE-Teams. „Erst setzt der Lander Philae auf einer mehreren Zentimeter dicken, weichen Schicht auf, dann treffen die Füße einige Millisekunden später auf eine harte, vielleicht eisige Schicht auf Tschurjumow-Gerasimenko“, erläutert Dr. Klaus Seidensticker vom DLR, der für das komplette SESAME-Instrument zuständige leitende Wissenschaftler, den hier hörbaren kurzen und scharfen Ton.

Nach dem ersten Bodenkontakt prallte Philae zunächst wieder von der Kometenoberfläche ab, da die beiden zur Verankerung des Landers auf der Oberfläche gedachten Harpunen nicht ausgelöst wurden. Aus den Daten des CASSE geht hervor, dass nach dieser ersten Landung innerhalb der folgenden 30 Minuten kein weiterer Bodenkontakt erfolgte. Dies deckt sich mit den Telemetriewerten des Landers und den Daten von anderen Instrumenten, welche belegen, dass Philae seinen endgültigen Standort vielmehr erst zwei Stunden nach dieser ersten Landung erreichte.

Nach dem Erreichen dieses finalen Landeortes wurde auch CASSE erneut aktiviert und registrierte dabei unter anderem das Hämmern der Thermalsonde MUPUS. Vermutlich führten die dabei aufgetretenen Vibrationen dazu, dass die Landefüße von Philae während dieses Vorgangs zeitweise den Kontakt mit dem Untergrund verloren, denn das MUPUS-Signal wurde von CASSE nicht in allen Füßen gleichzeitig registriert.

Kein Staub, dafür aber Wassereis
Auch die beiden anderen Instrumente des SESAME-Experiments konnten während der Betriebsphase von Philae aktiviert werden und Daten zur Erde übermitteln. Die Daten des DIM-Instruments (kurz für „Dust Impact Monitor“) lassen nach ersten Auswertungen darauf schließen, dass der Komet 67P am finalen Standort des Landers derzeit nicht aktiv ist, denn die Wissenschaftler konnten mit dem DIM kein einziges Staubteilchen registrieren. Das PP-Instrument (kurz für „Permittivity Probe“) schickte von einer der Fußsohlen der Landerbeine Wechselströme unterschiedlicher Frequenz durch den Kometenboden und konnte dabei feststellen, dass sich unterhalb von Philae offenbar eine größere Menge Wassereis befindet.

Als am 12. November 2014 bereits kurz nach dem ersten Aufsetzen klar war, dass die Harpunen den Lander nicht verankert hatten und Philae sehr wahrscheinlich von der Oberfläche abgeprallt war, befürchtete Dr. Seidensticker zunächst einen ungünstigen Ausgang der Mission. „Aber jetzt haben wir viel mehr Messdaten, als ich mir zu diesem Zeitpunkt auch nur erhofft hatte.“ Deren Auswertung wir die beteiligten Wissenschaftler noch lange Zeit beschäftigen.

Eis unter einer lockeren Staubschicht
Weitere Messdaten stammen von dem Instrument MUPUS. Diese Thermalsonde hat mit mehreren Sensoren die Oberflächentemperatur und oberflächennahen Temperaturprofile, die thermische Leitfähigkeit des Oberflächenmaterials sowie die Festigkeit und die Dichte der kometaren Materie ermittelt. In der Nacht vom 13. auf den 14. November 2014 wurde MUPUS dazu aus seiner Instrumentenbucht an der hinteren Seitenwand des Landers ausgefahren und sollte sich rund 40 Zentimetern tief in den Kometenboden ‚hämmern‘. Dies misslang jedoch, obwohl die Hammerleistung der Sonde schrittweise auf die höchstmögliche Stufe erhöht wurde.

„Aus Vergleichsmessungen im Labor haben wir abgeschätzt, dass die Thermalsonde wahrscheinlich unter einer zehn bis 20 Zentimeter dicken Staubschicht auf eine Schicht gestoßen sein muss, die eine Festigkeit wie die von Eis haben sollte“, so Prof. Tilman Spohn vom DLR, der das MUPUS-Team leitet. Der Infrarotsensor von MUPUS hat dabei eine geringe thermische Trägheit der aufliegenden Staubschicht festgestellt. Die Kometenforscher gehen davon aus, dass sich unter einer die Oberfläche bedeckenden sehr porösen Staubschicht Eis befindet. Dieses Eis enthält wahrscheinlich ebenfalls Staub und könnte ursprünglich ebenfalls porös gewesen sein. Über Zeiträume von Jahrhunderten bis Jahrmillionen wurde dieses Eis jedoch durch auftretende Temperaturschwankungen immer mehr gesintert und dabei zunehmend verfestigt und ‚zusammengebacken‘.

Temperaturmessungen
Des weiteren konnte MUPUS eine Temperaturmessung durchführen. Im Bereich der Landestelle des Landers herrscht demzufolge eine Oberflächentemperatur von circa minus 170 Grad Celsius, was die ‚Härte‘ des im Untergrund befindlichen Eises erklären könnte.

„Das ist eine Überraschung! Mit solch hartem Eis im Boden haben wir nicht gerechnet“, so Prof. Tilman Spohn. „Wir sind sehr glücklich darüber, dass viele Messungen möglich waren und werten die Daten derzeit aus. MUPUS könnte wieder zum Einsatz kommen, wenn wir ausreichend Energie aufladen können. Dann können wir die Schicht untersuchen, auf der die Sonde steht, und beobachten, wie sich der Komet auf dem Weg näher zur Sonne entwickelt.“

Es besteht durchaus die eventuelle Möglichkeit, dass der Lander seinen derzeitigen Schlafmodus beendet, sobald sich die an seinem derzeitigen und im Detail immer noch unbekannten Aufenthaltsort gegebenen schlechten Lichtverhältnisse verbessern. Im Frühjahr oder spätestens im Sommer 2015 könnten sich dabei eine Beleuchtungs- und Temperatursituation ergeben, welche ein Aufladen der Batterien und damit eine Weiterführung der Philae-Mission ermöglicht.
Neuer Missionsschwerpunkt: Die Arbeiten des Orbiters
Bis auf weiteres werden sich die an der Mission beteiligten Wissenschaftler jedoch mit den Daten zufrieden geben müssen, welche die elf wissenschaftlichen Instrumente der Raumsonde Rosetta liefern. Dank voll funktionsfähiger Systeme und Instrumente befindet sich der Kometenorbiter auch weiterhin in einem hervorragenden Zustand. Rosetta soll den Kometen 67P auch weiterhin umkreisen und dieses Relikt aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems dabei bis mindestens zum Ende des Jahres 2015 auf seinem Weg in das innere Sonnensystem begleiten und auch weiterhin intensiv untersuchen.

„Nun, da Rosetta ihren Lander abgesetzt hat, wird sie ihre wissenschaftliche Beobachtungsroutine wieder aufnehmen und zur Kometen-Begleitphase übergehen. Diese wissenschaftliche Datenerfassungsphase wird bis ins nächste Jahr andauern, wobei sich Sonde und Komet immer weiter an die Sonne annähern und am 13. August 2015 ihren Periheldurchgang, das heißt ihre engste Sonnenannäherung mit 186 Millionen Kilometern, bestreiten werden“, so der für die Rosetta-Mission verantwortliche Flugdirektor Andrea Accomazzo von der ESA.

Nachdem die Flugbahn von Rosetta seit deren Ankunft bei 67P am 6. August 2014 zunächst ganz auf die Anforderungen des Landers ausgerichtet war, wird diese ab der kommenden Woche ganz darauf ausgelegt sein, die wissenschaftlichen Untersuchungen der elf Instrumente des Orbiters zu unterstützen. In den letzten Tagen wurden bereits mehrere kleinere Kurskorrekturmanövern durchgeführt, mit denen die Flugbahn der Kometensonde für den zukünftigen Einsatz der dort befindlichen Instrument optimiert wurde. Durch zwei weitere Zündungen der Triebwerke, welche am 22. und am 26. November erfolgen werden, soll Rosetta auf eine Flugbahn befördert werden, welche in einer Höhe von etwa 30 Kilometern über 67P verläuft.

20 Kilometer über der Oberfläche
Am 3. Dezember 2014 wird Rosetta dann für einen Zeitraum von etwa zehn Tage auf eine Höhe von 20 Kilometern ‚absinken‘ bevor erneut ein in etwa 30 Kilometern Höhe verlaufender Orbit eingenommen werden soll.

„Das Ziel ist es, die Sonde so nah wie möglich an den Kometen heranzubringen, bevor die Aktivität so hoch wird, dass kleine [enge] Orbits nicht mehr aufrechtzuerhalten sind“, so Laurence O’Rourke von der ESA. „Die wissenschaftlichen Teams werden die Flugbahnsenkung auf 20 Kilometer dazu nutzen, große Teile des Kometenkerns in hoher Auflösung zu kartieren und bei ansteigender Aktivität Gas, Staub und Plasma zu untersuchen.“

Zunehmende Aktivität des Kometen
Kometen sind Überreste aus der Entstehungsphase unseres Sonnensystems, welche sich auf elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen. Den Großteil ihrer Existenz fristen diese auch als ’schmutzige Schneebälle‘ bezeichneten Objekte fernab der Sonne als kalte, nahezu unveränderliche Brocken aus Eis, Staub und gefrorenen Gasen. Erst wenn sich ein Komet auf seiner langgezogenen Umlaufbahn der Sonne bis auf eine Entfernung von etwa fünf Astronomischen Einheiten – dies entspricht in etwa 750 Millionen Kilometern – nähert, setzt eine zunächst allerdings noch sehr langsam ablaufende Verwandlung ein.

Aufgrund der steigenden Temperaturen sublimieren die leichtflüchtigen Bestandteile des Kometenkerns – in erster Linie handelt es sich dabei um gefrorenes Wasser, Kohlenstoffdioxid, Methan und Ammoniak – und entweichen mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen hundert Metern in der Sekunde in das umgebende Weltall. Dabei reißen diese freigesetzten Gase regelrechte Fontänen aus Staub mit sich. Diese Teilchen formen zunächst eine Koma welche den Kometenkern vollständig einhüllt. Aus dieser Kometenkoma entwickelt sich aufgrund des von der Sonne ausgehenden Strahlungsdrucks anschließend auch ein ‚Schweif‘, welcher den Kometen ihr charakteristisches Aussehen verleiht.

Rosetta wird die erste Sonde in der Weltraumgeschichte der Menschheit sein, welche die Entwicklung einer Koma und des daraus resultierenden Kometenschweifs, der sich gegebenenfalls Millionen von Kilometer durch das Weltall ziehen kann, ‚direkt‘ mitverfolgen wird. Im weiteren Missionsverlauf wird Rosetta während des Jahres 2015 deshalb wohl auch einen größeren Abstand zu dem Kometen einnehmen müssen, um zu verhindern, dass ihre Flugbahn durch die Koma beeinträchtigt wird oder dass mit der Raumsonde kollidierende Staubpartikel deren Instrumente beschädigen.

Die gegenwärtigen Planungen der zukünftigen Umkreisungen des Kometen beinhalten deshalb zwei verschiedene Flugbahnen – „Bevorzugt“ und „Hoch aktiv“. Zwar wird von den Beteiligten angestrebt, in Zukunft so lange wie möglich die ‚bevorzugte‘ Flugbahn einzuhalten, doch für den Fall, dass die Kometenaktivität zu sehr ansteigt und es damit für Rosetta zu ‚riskant‘ wird, kann die Raumsonde gegebenenfalls in die für das Szenario „Hoch aktiv“ vorgesehene, in größerer Entfernung zum Kometen verlaufende Umlaufbahn ausweichen.

Hoffnung für Philae
Ein ‚Nebeneffekt‘ der zunehmenden Aktivität des Kometen besteht darin, dass sich mit einer zunehmenden Annäherung an die Sonne auf dessen Oberfläche in Zukunft auch die derzeit gegebenen Beleuchtungs- und Temperaturbedingungen verbessern werden. Hierdurch bedingt könnte in Zukunft wieder ausreichend Sonnenlicht zur Verfügung stehen, damit der Lander Philae aus seinem Winterschlaf erwacht und sich reaktiviert. Dieses Szenario könnte allerdings frühestens ab dem Frühjahr 2015 eintreten. Unabhängig von den ungewissen Erfolgsaussichten wird Rosetta bereits Anfang des nächsten Jahres in einen Modus versetzt, in dem die Raumsonde automatisch in regelmäßigen Abständen nach Funksignalen von Philae lauschen wird.

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