Nachdem Forschende im Jahr 1939 die Existenz von Schwarzen Löchern vorhergesagt hatten, blieben diese zunächst ein rein theoretisches Gebilde. Wenn überhaupt, beschäftigten sich Mathematiker und theoretische Physiker damit, vor allem waren das die Liebhaber der Allgemeinen Relativitätstheorie. Astronomen und Astrophysikerinnen hingegen kümmerten sich nicht um Schwarze Löcher – denn noch war sich niemand sicher, dass es sie tatsächlich gibt.

Das sollte sich erst in den 1960er-Jahren ändern. Damals wurde klar, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie nicht nur ein theoretisches Konstrukt ist, sondern sich auch an astronomischen Himmelsobjekten beobachten lässt. Da Schwarze Löcher eine Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, stellte sich damit die Fragen, ob es sie tatsächlich gibt und falls ja, wie man sie überhaupt beobachten könnte.

In dieser Folge erzählt Franzi, wie Astronominnen und Astronomen das erste Schwarze Loch entdeckt haben: eine helle Röntgenquelle namens Cygnus X-1 im Sternbild Schwan – und warum sie sich trotzdem lange Zeit nicht sicher sein konnten, dass es wirklich existierte.

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

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

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

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

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

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

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Eigentlich wollten die USA nur überprüfen, ob sich auch alle Beteiligten an den Partiellen Teststopp-Vertrag halten, der bestimmte Atomwaffentests und andere Kernexplosionen verbot: Dafür wurden in den 1960er-Jahren die Vela-Satelliten in hohe Erdumlaufbahnen geschickt. Doch zunächst fanden diese Satelliten keine Anzeichen auf geheime Kernwaffen-Tests, sondern mysteriöse helle Lichter aus dem All: Diese Gammablitze leuchteten im hochenergetischen Gammastrahlenbereich sekundenlang auf, bevor sie wieder verblassten. Sie schienen von überall her aus dem All zu kommen – was steckte dahinter?

Heute wissen wir: Gammablitze kommen von sehr weit weg, zum Glück, möchte man sagen: Denn würde ein Gammablitz von nebenan auf die Erdatmosphäre treffen, hätte das drastische Auswirkungen auf die Erde und auf das Leben auf ihrer Oberfläche. Ein solcher Gammablitz könnte ein Massenaussterben auslösen – und vielleicht ist das in der Vergangenheit schon einmal passiert.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi die Geschichte der Gammablitze und was wir über sie bereits wissen. Und sie erzählt vom 9. Oktober 2022, als der bislang hellste jemals gemessene Gammablitz namens GRB 221009A auf die Erdatmosphäre traf, Spitzname: BOAT – brightest of all time.

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• Gamma Ray Bursts

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Es schützt uns vor gefährlichen Ausbrüchen der Sonne und zaubert Polarlichter an den Himmel: Heute wissen wir, dass wir dem Magnetfeld der Erde eine Menge verdanken. Tatsächlich aber dauerte es 2500 Jahre, um zu verstehen, wie es entsteht.

Karl erzählt in dieser Folge des Podcasts, wie das Erdmagnetfeld über die Jahrhunderte immer genauer untersucht wurde, ohne dass Forscherinnen und Forscher ihm wirklich auf die Schliche kommen konnten. Beginnend vom ersten Kompass im alten China, über erste Versuche mit runden Magneten bis zur Entdeckung des Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert: Der Geodynamo tief im Erdinnern weigerte sich, seine wahre Natur zu zeigen.

Am Ende brauchte es tief gehende Erkenntnisse aus der Geologie und Supercomputer, um dem Erdmagnetfeld mit seinen verwirrenden Schwankungen und Umpolungen auf die Schliche zu kommen.

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• Das Erdmagnetfeld

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Warum scheint unsere Sonne? Antwort: Kernfusion! Tief in ihrem Innern verschmelzen also unter anderem Atomkerne des Wasserstoffs zu Helium. Doch Forschende wollten sich in den 1960er Jahren nicht nur mit schönen Erklärungen begnügen, sondern eine so schlüssige Erklärung auch experimentell überprüfen: zum Beispiel mit einem unterirdischen Tank in der Homestake-Mine in South Dakota, der, gefüllt mit chemischem Reinigungsmittel, darauf wartete, dass ab und an ein Neutrino von der Sonne vorbeikäme.

Denn unsere Sonne erzeugt bei der Kernfusion auch Neutrinos – und diese wollten Forscherinnen und Forscher finden und zählen. Das gelang ihnen auch. Doch leider kamen in den irdischen Neutrinodetektoren nur rund ein Drittel der erwarteten Neutrinos an. War gar die Sonne kaputt? Hatte man doch nicht verstanden, warum die Sonne scheint? Oder war das Problem ganz woanders zu verorten – vielleicht waren die Neutrinos selbst schuld?

Franzi erzählt Karl in dieser Ausgabe des AstroGeo Podcasts vom Rätsel der fehlenden Sonnen-Neutrinos – und zur Beruhigung: Nein, unsere Sonne war wohl doch nicht kaputt.

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• Unsere Sonne

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Sag mir, wie du wackelst – und ich sage dir, wie alt du bist. Astronominnen und Astronomen haben mit der Asteroseismologie ein Werkzeug entwickelt, um Sternen intime Details zu entlocken. Die Sternenbeben verraten dazu, wie groß und schwer ein Stern ist und außerdem, wie viel Wasserstoff er in seinem Zentrum schon zu Helium verbrannt hat.

Mit der Asteroseismologie können Forschende regelrecht in Sterne hineinhören. Ähnlich wie Erdbeben auf der Erde uns verraten, was im Inneren der Erde los ist, verraten die Schwingungen von Sternen, wie ihr Inneres aufgebaut ist.

Franzi erzählt die Geschichte der Asteroseismologie – und wie das überhaupt funktioniert, die Schwingungen und Sternenbeben eines Objekts zu vermessen, auf dem wir garantiert nie einen Seismographen aufstellen werden.

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• Asteroseismologie

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Mit einem Happs ist alles im Schlund: Wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen, ist das ein gewaltiges kosmisches Ereignis, das die ganze Raumzeit erbeben lässt. Physikerinnen und Physiker freuen sich dann über die dabei entstehen Gravitationswellen, jenes Zittern der Raumzeit, das erstmals 2015 mit dem Gravitationswellendetektor LIGO gemessen wurde. Inzwischen ist die Entdeckung von solchen Verschmelzungen fast Routine geworden, über 90 Ereignisse zählt der dritte Gravitationswellenkatalog.

Doch schon das erste entdeckte Gravitationswellensignal namens GW150904 gab Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere Rätsel auf: Die beiden Schwarzen Löcher, die da miteinander verschmolzen, waren eigentlich viel zu massereich, um existieren zu dürfen. Und kaum hatte man sich darüber Gedanken gemacht, gab es schon das nächste Problem: Wie schafft es dieses kompakte Doppelsystem, sich überhaupt nahe genug zu kommen, um miteinander zu verschmelzen, ohne sich vorher schon zu zerstören? Und dazu müsste dieser kosmische Annäherungsversuch eigentlich länger brauchen, als das Universum alt ist.

Franzi erzählt Karl in dieser Podcast-Folge die Geschichte dieser kompakten Binärsysteme: Denn Forschende wissen inzwischen dank der Gravitationswellen, dass es sie gibt. Warum es sie gibt, ist hingegen weniger klar.

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Quelle: Institute of Science and Technology Austria (ISTA) 23. Februar 2023.

23. Februar 2023 – Die Erste auf ihrem Gebiet: Die Astrophysikerin Lisa Bugnet wird Teil des Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Mit ihr erschließt das Institut ein neues Feld und ermöglicht zahlreiche interdisziplinäre Kooperationen. Ähnlich wie wir die Seismologie nutzen, um die Struktur der Erde zu erforschen, untersucht Bugnet mithilfe der Asteroseismologie die Magnetfelder von Sternen. So will die Forscherin mehr über Alter und Entwicklung von Sternen erfahren und schließlich unser Wissen über das ganze Universum erweitern.

Als Lisa Bugnet ein Kind war, ließ ihr Vater, ein Amateur-Astrofotograf, sie durch sein Teleskop schauen. Die schönen Bilder faszinierten sie, aber das war ihr nicht genug. „Ich wollte unbedingt wissen, was alles hinter den Bildern steckt“, erinnert sich Bugnet. Die Faszination aus Kindheitstagen wurde zu ihrem Leitstern. Nach ihrer Doktorarbeit am französischen Kommissariat für Atomenergie und alternative Energien (CEA) in Paris und zwei Postdoc-Jahren am renommierten Flatiron Institute in New York City, USA, hat ihre Neugier sie nun als Assistenzprofessorin an das Institute of Science and Technology Austria (ISTA) geführt – eine einzigartige Chance für junge Forscher*innen: „Meist tritt eine Astrophysiker*in in eine etablierte Physik- oder Astrophysikabteilung ein. Am ISTA habe ich die Ressourcen, um meine eigene Gruppe zu bilden, und die Freiheit, mich auf genau das zu konzentrieren, was mich interessiert“, erklärt Lisa Bugnet. Zudem ermöglicht der interdisziplinäre Charakter des Instituts die Zusammenarbeit mit Bereichen, die für die Astrophysik untypisch sind, wie z. B. den Geowissenschaften und maschinellem Lernen.

Mithilfe von Sternenbeben und Roten Riesen
Das Alter eines Sterns ist nicht nur wichtig, um seine Entwicklung nachvollziehen zu können, es liefert auch wesentliche Informationen über die Entwicklung der mit ihm verbundenen Galaxien sowie kleiner und großer astronomischer Strukturen. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass die Rotation von Sternen langsamer ist als von den derzeitigen Modellen vorhergesagt. Das wirkt sich wiederum auf die Schätzung ihres Alters aus. Stellare Magnetfelder könnten der Schlüssel zur Erklärung dieses Phänomens sein, ist Bugnet überzeugt.

Die Erde hat bekanntlich ihr eigenes Magnetfeld – die atemberaubenden Polarlichter beispielsweise, sind nur eine der sichtbaren Auswirkungen. Auch viele der Sterne, die wir über uns sehen – einschließlich unserer Sonne – haben ebenfalls Magnetfelder. Doch noch verstehen wir sie zu wenig, um sie in Modelle der Sternentwicklung einzubeziehen. Hier kommen Lisa Bugnet und die Asteroseismologie ins Spiel. So wie die Seismologie Wellen nutzt, um die Zusammensetzung und Prozesse der verschiedenen Erdschichten zu verstehen, nutzt die Asteroseismologie die Schwingungen von „Sternenbeben“, um die Eigenschaften von Sternen aufzudecken. So konnten Wissenschafter*innen bereits die Struktur und Temperatur im Innern von Sternen beschreiben. Nun wird Bugnet mithilfe der Asteroseismologie stellare Magnetfelder untersuchen. Zurzeit konzentriert sie sich auf Rote Riesen, massearme Sterne in den späten Stadien ihrer Entwicklung. Aufgrund der zusammengezogenen Kerne dieser Sterne entstehen mehrere Arten von Wellen, die es Bugnet ermöglichen, die Magnetfelder in den inneren und äußeren Schichten des Sterns zu untersuchen.

Daten aus dem All
Die Daten, mit denen Lisa Bugnet von Klosterneuburg aus die Sterne untersucht, stammen von Weltraummissionen zur Entdeckung von Exoplaneten. Die wichtigste dieser Missionen ist die Kepler-Mission der NASA. In Zukunft wird das Projekt PLATO der Europäischen Weltraumorganisation wertvolle Daten sammeln, eine Mission, die in Kürze startet und deren Prozess zur Datenaufbereitung Bugnet mitentwickelt hat. Zusätzlich zu diesen internationalen Datenbanken arbeitet Bugnet mit Modellierungen und maschinellem Lernen, um die Gestirne zu erkunden. „Alles, was ich wirklich brauche, um in die Sterne und die Geschichte des Universums einzutauchen, ist mein Computer“, so die junge Forscherin.

Auf zu neuen Horizonten
ISTA-Präsident Martin Hetzer heißt die neue Assistenzprofessorin herzlich willkommen: „Mit der Ernennung von Lisa Bugnet begrüßen wir nicht nur unsere erste Astrophysikerin, sondern auch eine außergewöhnliche Wissenschafterin, deren Arbeit unser Verständnis der Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, tiefgreifend beeinflussen wird.“ Ein zweiter Astrophysiker, Jorryt Matthee, wird im September 2023 als Assistenzprofessor Teil des ISTA. In seiner Forschung konzentriert er sich auf die Astrophysik von Galaxien, großräumigen Strukturen, die Bugnets sternbasierte Forschung ergänzen werden. Das Institut wirbt aktiv um weitere Astrophysiker*innen. Bereits auf dem Campus und ebenfalls mit einem Auge auf den Himmel ist Assistenzprofessorin Bingqing Cheng, deren Computational Materials Science Gruppe einen datengesteuerten Ansatz für die Chemie außerirdischer – und anderer – Umgebungen verwendet.

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• Institute of Science and Technology Austria (ISTA)

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Sterne gibt es entweder im Miniaturformat: Von Roten Zwergen über die uns vertrauten sonnenähnlichen Sterne bis zu den geradezu überdimensionierten Gesellen: Blaue Riesen. Sie können einige hundert Mal so groß wie die Sonne sein. Zu einem Besuch wird abgeraten: In ihrer Umgebung geht es hoch her. Und doch haben wir den Blauen Riesen eine ganze Menge zu verdanken: den Kohlenstoff, aus dem das Leben besteht oder den Sauerstoff, den wir in jedem Moment atmen. Ohne Blaue Riesen gäbe es uns wahrscheinlich nicht.

Doch Blaue Riesen sind nicht nur recht selten, sondern es gibt sie auch nur für relativ kurze Zeit: Die Kernfusion in ihrem Innern hält nur wenige Millionen Jahre durch, bevor Blaue Riesen als Supernova explodieren. Und dann ist da auch noch die Tatsache, dass gerade diese riesigen Sterne üblicherweise nicht allein vorkommen, sondern fast immer einen Begleitstern haben. Und wenn der auch ein Blauer Riese ist, dann wird es richtig spannend!

In dieser Folge von AstroGeo erzählt Franzi die Geschichte der massereichsten Sterne im Universum: wie sie aussehen, warum ihre Entwicklung so spannend ist und was wir ihnen zu verdanken haben – vor allem, wenn sie im Doppelpack vorkommen. Plus Beobachtungstipps, wo und wie ihr selbst Blaue Riesen sehen könnt.

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• Sternentstehung
• Supernovae
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Blaue Riesensterne – Nimm Zwei! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Wie heiß ist es im Inneren der Sonne? Wie groß ist der Rote Zwerg von Nebenan? Und wie lange hat Beteigeuze ungefähr noch, bevor er als Supernova explodieren wird? Das alles lässt sich einfach ausrechnen – und zwar mit nur vier scheinbar einfachen Gleichungen. Das Innere eines Sterns ist berechenbar, und das weit in die Vergangenheit und genauso in die Zukunft.

Aber natürlich ist im Universum nichts so einfach, wie es auf den ersten Blick scheinen mag, auch Sterne nicht. Denn um die Struktur und die Entwicklung von Sternen zu berechnen, kommt man mit Papier, Bleistift und Gehirnschmalz alleine nicht weiter. Deswegen waren schon die ersten Computer von großer Hilfe, selbst wenn die am Anfang noch einen ganzen Raum ausgefüllt haben und mit Lochkarten gefüttert wurden.

In dieser Folge des AstroGeo-Podcasts erzählt Franzi die Geschichte eines solchen „Rechenmaschinenprogramms“, das seit den 1960er-Jahren bis heute weiterentwickelt wird: einem Code, der Physikerinnen und Physikern verrät, wie es im Inneren eines Sterns aussieht und wie er sich entwickeln wird. Keine Sorge: Für den Genuss dieser Folge sind weder mathematische Fähigkeiten noch Programmierkenntnisse nötig.

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• Sternentstehung
• Sternentwicklung
• AstroGeo Podcast

Der Beitrag AstroGeo Podcast: Sterne verstehen mit Lochkarten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Sie sind heller als jeder Stern und halten länger durch als jede Supernova: Die allerhellsten Lichter am Himmel sind Quasare. Zwar war der Begriff „Quasar“ schnell gefunden, nachdem der allererste Kandidat – namens 3C 273 – in den 1960er-Jahren aufgestöbert worden war: „Quasar“ steht für „quasi-stellar radio source“, also: Sieht aus wie ein Stern, aber eben nur fast, und auch übrigens hauptsächlich im Radiobereich.

Doch was verbirgt sich eigentlich hinter den Quasaren? Die allerhellsten Objekte im Universum werden von den dunkelsten Objekten im Universum angetrieben: von supermassereichen Schwarzen Löchern, die sich in den Zentren von Galaxien verbergen.

Franzi erzählt die Geschichte, wie Quasare entdeckt wurden: Warum diese exotischen Objekte es schaffen, so hell zu leuchten, was die Expansion unseres Universums damit zu tun hat, warum Quasare nur eine Phase für eine Galaxie sind – und warum es für uns ziemlich praktisch ist, dass unsere eigene Galaxie derzeit keinen Quasar in ihrem galaktischem Zentrum beherbergt.

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher
• AstroGeo Podcast

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Das Jahr 1917 war eine Zeit, als man sich noch nicht mal sicher war, dass es andere Galaxien als unsere eigene gibt. Es war eine Zeit, als unsere Vorfahren mitten im Ersten Weltkrieg steckten, und „Exoplanetenjägerin“ noch keine anerkannte Berufsbezeichnung war: Es war eine Zeit, zu der der Astronom Adriaan van Maanen sein Teleskop gen Himmel richtete und etwas entdeckte, was als Van Maanens Stern bekannt werden sollte.

Diesen ganz besonderen Stern hat er zwar definitiv entdeckt. Aber was sich in der Atmosphäre dieses Sterns wirklich versteckte, zeigte sich erst viel später.

Franzi erzählt die Geschichte von Adriaan van Maanen und seinem Stern. Es ist eine Geschichte über einen Pechvogel der Astronomie und über die Zukunft unseres eigenen Sonnensystems.

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• Weiße Zwerge

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• AstroGeo Podcast

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Quelle: Universität zu Köln.

10. Dezember 2021 – Eine vermeintliche Gas- und Staubwolke im Zentrum unserer Galaxie besteht eigentlich aus drei besonders jungen Sternen. Das zeigt eine neue Studie unter Leitung von Wissenschaftler*innen des I. Physikalischen Instituts der Universität zu Köln. Die Daten dazu lieferte das Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte – ein Teleskop mit Spiegel-Durchmessern von 8,20 Metern auf dem Gipfel des Cerro Paranal in Chile. Die Sterne entstanden vor weniger als 1 Millionen Jahren, was astrophysikalisch sehr jung ist. Zum Vergleich: Unsere Sonne ist knapp 5 Milliarden Jahre alt. Die Studie ist in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal erschienen.

Bereits 2011 wurde in den Infrarotdaten des Very Large Telescope ein Objekt gefunden, welches versprach, einen nie dagewesenen Vorgang im Zentrum unserer Galaxie zu beobachten. Basierend auf einer Multi-Wellenlängenanalyse stellten Wissenschaftler*innen fest, dass es sich bei dem Gebilde um eine Gas- und Staubwolke handeln müsse. Die Staubwolke bekam den Namen G2. Durch die Interaktion mit dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie, SgrA*, hätte G2 zerrissen werden und ein sprichwörtliches Feuerwerk verursachen müssen. Die Forscher*innen nahmen an, dass beim Aufeinandertreffen von G2 mit SgrA verschiedene Prozesse dazu führen würden, dass das Gas und der Staub das schwarze Loch zum Aufflammen bringen. Allein, das Feuerwerk blieb aus.

Zudem gab es weitere Faktoren, die Astronom*innen weltweit Kopfzerbrechen bereiteten und kontroverse Diskussionen befeuerten. So haben Studien ergeben, dass die Temperatur von G2 fast doppelt so hoch ist wie die von umliegenden Staubquellen. Eine mögliche Erklärung der Temperatur von G2 wäre die extreme Anzahl von Sternen im Zentrum unserer Galaxie. So könnten diese Sterne G2 aufgeheizt haben. Nur stellt sich die Frage, warum alle anderen bekannten Staubquellen im Galaktischen Zentrum eine viel geringere Temperatur zeigen. Auch schied das Schwarze Loch, SgrA*, als Hitzequelle aus. Denn wie bei einer Heizung, der man sich nähert, hätte die Temperatur von G2 steigen müssen, je näher die vermeintliche Staubwolke dem schwarzen Loch kommt. Die Temperatur blieb allerdings über einen langen Zeitraum konstant, obwohl die Distanz zum Schwarzen Loch variierte. Je intensiver G2 weltweit beobachtet wurde, desto mehr stellte sich heraus, dass das kosmische Objekt mehr sein musste als nur eine Gas- und Staubwolke.

Die neuen Ergebnisse zeigten, dass es sich bei G2 um drei einzelne Sterne handelt. „Wir hatten die Möglichkeit, selbst mehrere Male das Zentrum unserer Galaxie mit dem Very Large Telescope zu observieren. Zusammen mit den Daten aus dem Südsternwarten-Archiv konnten wir einen Zeitraum von 2005 bis 2019 abdecken“, erklärt Dr. Florian Peißker vom I. Physikalischen Institut und Erstautor der neuen Studie. Auch war die außergewöhnliche Struktur der Daten hilfreich um G2 zu finden. So hat jeder Pixel des aufgenommenen Bildes ein dazugehöriges Spektrum, welches einen ganz bestimmten und sehr detaillierten Wellenbereich abdeckt. Für die Wissenschaftler*innen bietet dies eine enorme Detailgenauigkeit. „Die reine Tatsache, dass es sich bei G2 um drei entwickelnde junge Sterne handelt, ist sensationell. Noch nie wurden Sterne um SgrA* observiert, die jünger waren als die gefundenen“, so Peißker.

Die Ergebnisse öffnen die Tür für viele weitere spannende Fragen. Zum Beispiel, woher diese jungen Sterne kommen. So ist die strahlungsintensive Umgebung eines supermassiven schwarzen Lochs nicht unbedingt der beste Ort, um junge Sterne zu produzieren. Peißker schlussfolgert: „Die neuen Ergebnisse liefern einzigartige Einblicke in die Wirkungsweise von Schwarzen Löchern. Wir können daher die Umgebung von SgrA* als Blaupause benutzen, um mehr über die Entwicklung und Abläufe von anderen Galaxien in ganz anderen Ecken unseres Universums zu lernen.“

Publikation:
https://arxiv.org/pdf/2112.04543
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac23df

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• Sternentwicklung

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Quelle: Universität Bern.

14. Oktober 2021 – Sterne und Planeten entstehen aus demselben kosmischen Gas und Staub. Im Verlauf des Entstehungsprozesses kondensiert ein Teil des Materials und bildet Gesteinsplaneten, der Rest wird entweder vom Stern angehäuft oder wird Teil von Gasplaneten. Die Annahme eines Zusammenhangs zwischen der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten ist daher naheliegend und wird etwa im Sonnensystem durch die meisten Gesteinsplaneten bestätigt (Merkur bildet hier die Ausnahme). Dennoch erweisen sich Annahmen, insbesondere in der Astrophysik, nicht immer als wahr. Eine Studie unter der Leitung des Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) in Portugal, an der auch Forschende des NFS PlanetS der Universität Bern und der Universität Zürich beteiligt sind, die heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, liefert den ersten empirischen Beweis für diese Annahme – und widerspricht ihr teilweise zugleich.

Kondensierte Sterne gegen felsige Planeten
Um herauszufinden, ob die Zusammensetzung von Sternen und ihren Planeten zusammenhängt, verglich das Team sehr präzise Messungen von beiden. Bei den Sternen wurde ihr ausgestrahltes Licht gemessen, das den charakteristischen spektroskopischen Fingerabdruck ihrer Zusammensetzung trägt. Die Zusammensetzung der Gesteinsplaneten wurde indirekt bestimmt: Aus ihrer gemessenen Masse und Radius wurden ihre Dichte und Zusammensetzung abgeleitet. Erst in jüngster Zeit sind genügend Planeten so genau vermessen worden, dass aussagekräftige Untersuchungen dieser Art möglich sind.

«Doch da Sterne und Gesteinsplaneten sehr unterschiedlicher Natur sind, konnten wir ihre Zusammensetzung nicht direkt vergleichen», erklärt Christoph Mordasini, Mitautor der Studie, Dozent für Astrophysik an der Universität Bern und Mitglied des NFS PlanetS. «Stattdessen haben wir die Zusammensetzung der Planeten mit einer theoretischen, heruntergekühlten Version ihres Sterns verglichen. Während der größte Teil des Sternmaterials – vor allem Wasserstoff und Helium – bei der Abkühlung als Gas verbleibt, kondensiert ein kleiner Teil, der aus gesteinsbildendem Material wie Eisen und Silikat besteht», erklärt Mordasini.

An der Universität Bern wird seit 2003 das «Berner Modell der Entstehung und Entwicklung von Planeten» laufend weiterentwickelt. Christoph Mordasini sagt: «Wir kombinieren in unserem Modell Erkenntnisse zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen.» Mithilfe dieses Berner Modells konnten die Forschenden die Zusammensetzung die Gesteinsmaterials des heruntergekühlten Sterns berechnen. «Das haben wir dann mit den Gesteinsplaneten verglichen», so Mordasini.

Hinweise auf Bewohnbarkeit von Planeten
«Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Annahmen bezüglich der Zusammensetzung von Sternen und ihrer Planeten nicht grundlegend falsch waren: Die Zusammensetzung von Gesteinsplaneten ist tatsächlich eng mit jener ihres Wirtssterns verbunden. Allerdings ist die Beziehung nicht so simpel, wie angenommen», sagt der Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am IA, Vardan Adibekyan.

Erwartet hatten die Forschenden, dass die Häufigkeit dieser Elemente im Stern die Obergrenze darstellt. «Doch bei einigen der Planeten ist etwa die Eisenhäufigkeit im Planeten sogar höher als im Stern», erklärt Caroline Dorn, Ambizione-Fellow an der Universität Zürich und Mitautorin der Studie. «Dies könnte auf gigantische Einschläge auf diesen Planeten zurückzuführen sein, bei denen ein Teil des äußeren, leichteren Materials abbricht, während der dichte Eisenkern zurückbleibt», so die Forscherin. Die Ergebnisse könnten den Forschenden daher Aufschluss über die Geschichte der Planeten geben.

«Die Ergebnisse dieser Studie sind auch sehr nützlich, um die Zusammensetzung von Planeten einzugrenzen, die auf der Grundlage der aus Masse- und Radiusmessungen berechneten Dichte angenommen wird», erklärt Christoph Mordasini. «Da mehr als eine Zusammensetzung zu einer bestimmten Dichte passen kann, sagen uns die Ergebnisse unserer Studie, dass wir die möglichen Zusammensetzungen mithilfe jener des Wirtssterns eingrenzen können», sagt Mordasini. Und da die genaue Zusammensetzung eines Planeten etwa darauf Einfluss hat, wie viel radioaktives Material er enthält oder wie stark sein Magnetfeld ist, kann sie darüber entscheiden ob der Planet lebensfreundlich ist oder nicht.

«Bern Model of Planet Formation and Evolution»
Mit dem «Bern Model of Planet Formation and Evolution» können Aussagen gemacht werden, wie ein Planet entstanden ist und wie er sich entwickelt hat. Seit 2003 wird das Berner Modell an der Universität Bern laufend weiterentwickelt. Ins Modell fließen Erkenntnisse ein zu den vielfältigen Prozessen, die bei der Entstehung und der Entwicklung von Planeten ablaufen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Submodelle zur Akkretion (Wachstum des Kerns eines Planeten) oder dazu, wie Planeten gravitationsbedingt miteinander interagieren und sich gegenseitig beeinflussen sowie zu Prozessen in den protoplanetaren Scheiben, in denen Planeten entstehen. Mit dem Modell werden auch sogenannte Populationssynthesen erstellt, die aufzeigen, welche Planeten sich wie häufig unter bestimmten Rahmenbedingungen in einer protoplanetaren Scheibe entwickeln.

Angaben zur Publikation:
Vardan Adibekyan et al., A compositional link between rocky exoplanets and their host stars, 14.10.2021, Science
DOI: 10.1126/science.abg8794

Berner Weltraumforschung: Seit der ersten Mondlandung an der Weltspitze
Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es noch vor der amerikanischen Flagge in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant und ausgewertet wurde, war ein erster großer Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.
Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei: Die Universität Bern nimmt regelmäßig an Weltraummissionen der großen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA, ROSCOSMOS oder JAXA teil. Mit CHEOPS teilt sich die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission. Zudem sind die Berner Forschenden an der Weltspitze mit dabei, wenn es etwa um Modelle und Simulationen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.
Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalsfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

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Planetenentstehung

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Quelle: Universität Stuttgart.

8. Oktober 2021 – Wenn Sterne entstehen, stoßen sie einen Teil des involvierten Gases auch wieder ab. In den Gashüllen einiger Sterne entstehen Mikrowellen- oder THz-Bereich-Laser – sogenannte Maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), bei denen eine gebündelte Strahlung einer scharf definierten Wellenlänge produziert wird.

Jüngste SOFIA-Beobachtungen mit dem GREAT-Instrument haben zwei bislang unbekannte Wasserdampf-Maser bei einer Frequenz von 1,296-THz in den Ausströmungen um zwei veränderliche Sterne enthüllt: Mira, ein extrem variabler roter Riese, und R Crateris, ein halbregulärer veränderlicher Stern. Das Forschungsteam um David Neufeld von der Johns Hopkins University kombinierte die SOFIA-Messungen mit bodengestützten Radiobeobachtungen von dem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg, Deutschland, und dem APEX-Teleskop in Chile. Der Vergleich all dieser Daten mit einem Anregungsmodell für die entsprechenden Maser-Übergänge erlaubt eine Abschätzung der Gastemperaturen und –dichten innerhalb der jeweiligen Ausflussregion sowie des Wasserdampfanteils.

Die gemessenen Werte bestätigen die Annahme, dass Wasserdampf und Kohlenmonoxid die Hauptquelle von Sauerstoff in solchen Ausströmungen sind.

Die ersten Wasser-Maser in Gashüllen um Sterne sind erst 2017 mit Hilfe von SOFIA-Beobachtungen entdeckt worden. Detaillierte Informationen zu diesem Thema gibt es unter:
New Observations of Terahertz Water Masers with SOFIA, Homepage des SOFIA Science Center.

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

GREAT: Der “German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies” ist ein hochauflösendes Spektrometer für astronomische Beobachtungen bei fern-infraroten Wellenlängen zwischen 0,06 und 0,6 mm. Damit operiert GREAT in einem Spektralbereich, der wegen der Absorption der Erdatmosphäre von bodengebundenen Observatorien aus nicht zugänglich ist. Der modulare Aufbau des Instruments ermöglicht den kurzfristigen Einbau neuartiger Technologie. GREAT ist eine gemeinsame Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und KOSMA/Universität zu Köln, in Kooperation mit dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme in Berlin. Die Entwicklung von GREAT wurde von den beteiligten Instituten finanziert, unter Beteiligung des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) und dem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich 956.

Originalveröffentlichung:
Terahertz Water Masers. II. Further SOFIA/GREAT Detections Toward Circumstellar Outflows, and a Multitransition Analysis, David A. Neufeld et al 2021 ApJ 907 42

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