Quelle: Technische Universität Darmstadt 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Forschende unter Beteiligung der TU Darmstadt haben nun neue Erkenntnisse über den Radius des Neutronensterns und dessen Auswirkungen auf die Zustandsgleichung dichter Materie gewonnen. Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Artikeln in der renommierten Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

PSR J0437 ist ein Pulsar, also ein rotierender Neutronenstern, der elektromagnetische Strahlung aussendet. Er befindet sich etwa 510 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Pictor. PSR J0437 rotiert 174 Mal pro Sekunde um seine Achse und hat einen Weißen Zwerg, also einen kompakten, alten Stern, als Begleiter. Wie ein Leuchtturm sendet der Pulsar alle 5,75 Millisekunden einen Strahl aus Radiowellen und Röntgenstrahlen in Richtung Erde. Er ist der Millisekunden-Pulsar, der der Erde am nächsten ist. Unter anderem wegen dieser Nähe ist er auch der hellste Millisekundenpulsar.

Wissenschaftler:innen um Devarshi Choudhury und Anna Watts von der Universität Amsterdam (Niederlande) haben nun seinen Radius bestimmt. Für ihre Messungen nutzten sie Daten des Röntgenteleskops NICER an Bord der Internationalen Raumstation. Sie kombinierten die Röntgendaten mit einer Technik namens Pulsprofil-Modellierung. Mit Hilfe von Massenmessungen des Parkes Pulsar Timing Array in Australien konnte so der Radius des Sterns bestimmt werden: 11,4 Kilometer. Die Masse von PSR J0437 ist 1,4-mal größer als die unserer Sonne.

Theoretische Kernphysiker:innen der TU Darmstadt, darunter Melissa Mendes, Isak Svensson und Achim Schwenk, untersuchten gemeinsam mit Astrophysiker:innen um Nathan Rutherford von der University of New Hampshire (USA) die Konsequenzen der neuen Radiusmessung für die Eigenschaften dichter Materie im Inneren des Sterns. Mithilfe eines statistischen Formalismus, der neue Berechnungen der Zustandsgleichung für dichte Materie in den äußeren Kilometern des Neutronensterns sowie den verfügbaren NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternen verbindet, konnten die Forschenden genauere Beschränkungen für die Radien von Neutronensternen und für die Eigenschaften der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen ermitteln.

Die Arbeit an der TU Darmstadt wurde von Melissa Mendes und Isak Svensson geleitet. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die neue NICER-Messung die Zustandsgleichung bei mittleren Dichten, die einige Male so hoch sind wie in Atomkernen, stark einschränkt“, erklärt Mendes. Dies führt zu einem hohen Druck, aber bei dem kleineren Radius von PSR J0437 erweist sich die Zustandsgleichung als relativ softer. Svensson betont: „Es gibt ein besonders interessantes Zusammenspiel zwischen Neutronensternen mit einer Masse von 1,4 Sonnenmassen und schweren Neutronensternen mit einer Masse von zwei Sonnenmassen, das wichtige Anhaltspunkte für die Wechselwirkungen in dichter Materie liefert.“

„Diese Arbeit kombiniert die neuesten Informationen, die wir aus der theoretischen Kernphysik und aus astrophysikalischen Beobachtungen haben, um die Physik stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen einzugrenzen“, sagt Schwenk. „Es wird sehr interessant sein, wie zukünftige NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen die Zustandsgleichung der dichtesten beobachtbaren Materie im Universum weiter einschränken werden.“

Die Arbeit von Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson et al. ist Teil einer Reihe von Veröffentlichungen. Zusätzlich zu dieser Arbeit über die Zustandsgleichung gibt es die Radiusmessung von PSR J0437-4715 unter der Leitung von Devarshi Choudhury (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2407.06789, die Massenbestimmung unter der Leitung von Daniel Reardon (Swinburne University of Technology, Australien) https://arxiv.org/abs/2407.07132 und eine Aktualisierung der Radiusmessung für den schweren Pulsar PSR J0740+6620 unter der Leitung von Tuomo Salmi (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2406.14466.

Originalpublikation:
Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson, Achim Schwenk, Anna L. Watts, Kai Hebeler, Jonas Keller, Chanda Prescod-Weinstein, Devarshi Choudhury, Geert Raaijmakers, Tuomo Salmi, Patrick Timmerman, Serena Vinciguerra, Sebastien Guillot, and James M. Lattimer:
“Constraining the dense matter equation of state with new NICER mass-radius measurements and new chiral effective field theory inputs”
Accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters, https://arxiv.org/abs/2407.06790
pdf: https://arxiv.org/pdf/2407.06790

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 13. Mai 2024.

13. Mai 2024 – Der νr-Prozess funktioniert, wenn neutronenreiches Material intensiver Neutrinobestrahlung ausgesetzt ist. Der theoretische Vorschlag, der kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, könnte die Lösung für ein seit langem bestehendes Problem im Zusammenhang mit der Produktion einer Gruppe seltener Isotope sein: Die sogenannten p-Kerne kommen im Sonnensystem vor, ihr Ursprung ist aber immer noch schlecht verstanden.

Fusionsprozesse in massereichen Sternen erzeugen Kerne bis hin zu Eisen und Nickel. Darüber hinaus werden die meisten stabilen schweren Kerne, wie Blei und Gold, durch langsame oder schnelle Neutroneneinfangprozesse erzeugt. Für die Produktion der übrigen, neutronenarmen Kerne wurde eine Vielzahl von Nukleosyntheseprozessen vorgeschlagen. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, die großen Mengen an ^92,94Mo, ^96,98Ru und ⁹²Nb im (frühen) Sonnensystem zu erklären.

Der νr-Prozess ermöglicht die gleichzeitige Produktion all dieser Kerne, da Neutrinos eine Reihe von Einfangreaktionen katalysieren. So funktioniert der Prozess: Der νr-Prozess findet in neutronenreichen Ausströmungen astrophysikalischer Explosionen statt, die anfangs, wenn die Temperaturen hoch sind, aus Neutronen und Kernen im Bereich von Eisen und Nickel bestehen. Wenn die Temperatur des Materials sinkt, werden schwerere Kerne aus leichteren Kernen durch eine Abfolge von Neutroneneinfang- und schwachen Wechselwirkungsprozessen erzeugt. Anders als beim schnellen Neutroneneinfangprozess, bei dem die schwachen Reaktionen Betazerfälle sind, handelt es sich beim νr-Prozess jedoch um Neutrino-Absorptionsreaktionen. Sobald die freien Neutronen aufgebraucht sind, werden die in den Kernen gebundenen Neutronen durch weitere Neutrinoabsorptionen in Protonen umgewandelt, wodurch Atomkerne nahe der Beta-Stabilitätslinie und sogar darüber hinaus erzeugt werden. Die Energie der Neutrinos ist groß genug, um Kerne in Zustände anzuregen, die durch die Emission von Neutronen, Protonen und Alphateilchen zerfallen. Die emittierten Teilchen werden von den schweren Kernen eingefangen. Dadurch wird eine Reihe von Einfangreaktionen ausgelöst, katalysiert durch Neutrinos, die die endgültigen Häufigkeiten der durch den νr-Prozess erzeugten Elemente bestimmen. Auf diese Weise können Neutrinos neutronenarme Kerne erzeugen, die sonst unerreichbar sind. „Unsere Entdeckung eröffnet eine neue Möglichkeit, die Entstehung von p-Kernen durch Neutrino-Absorptionsreaktionen mit Kernen zu erklären“, sagt Zewei Xiong, Wissenschaftler der GSI/FAIR-Abteilung „Nukleare Astrophysik und Struktur“ und korrespondierender Autor der Publikation.

Offen ist noch die Frage, in welcher Art stellarer Explosion der νr-Prozess auftritt. In ihrer Veröffentlichung schlagen die Autoren vor, dass der νr-Prozess in Material abläuft, das in einer Umgebung mit starken Magnetfeldern ausgestoßen wird, wie z. B. in magneto-rotierenden Supernovae, Kollapsaren oder Magnetaren. Dieser Vorschlag hat Astrophysiker*innen dazu veranlasst, nach den geeigneten Bedingungen zu suchen, und in der Tat wurde in einer ersten Veröffentlichung bereits berichtet, dass magnetisch getriebene Massenauswürfe die notwendigen Bedingungen erreichen.

Der νr-Prozess erfordert die Kenntnis von Neutrinoreaktionen und Neutroneneinfangreaktionen an Kernen, die sich auf beiden Seiten der Beta-Stabilitätslinie befinden. Die Messung der relevanten Reaktionen wird mit den einzigartigen Speicherringkapazitäten der GSI/FAIR-Anlage möglich werden.

Original-Publikation:
Production of p Nuclei from r-Process Seeds: The νr Process
Zewei Xiong, Gabriel Martínez-Pinedo, Oliver Just, and Andre Sieverding
Phys. Rev. Lett. 132, 192701 – Published 9 May 2024 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.192701
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.192701

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 9. April 2024.

9. April 2024 – Unsere Elemente, die Bausteine allen Lebens, existieren bereits seit vielen Milliarden Jahren. Kurz nach dem Urknall gab es nur leichte, gasförmige Elemente. In gigantischen Gaswolken entstanden durch die Schwerkraft die ersten Sterne. Der Anfang für die Entstehung weiterer Elemente war gemacht. Bis zum Ende seines Lebens fusioniert ein Stern Elemente, wie etwa den für uns so unentbehrlichen Sauerstoff. Bei der Produktion von Eisen bricht der Stern jedoch unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen und explodiert in einer Supernova.

Und was ist mit den zahlreichen noch schwereren Elementen? Einerseits werden sie in den extremen Bedingungen, die in einer Supernova herrschen, erzeugt. Andererseits existiert in den Supernova-Überresten oftmals ein Neutronenstern – ein unglaublich kompaktes Objekt, das sich mit rasender Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht. Wenn zwei dieser außergewöhnlichen Sterne miteinander kollidieren und verschmelzen, werden ungeheure Mengen Energie und Materie ins All geschleudert. Erst unter solch Bedingungen können schwere Elemente wie etwa Gold entstehen.

In der Vortragsreihe „Der Ursprung der Materie – Wie entstehen Elemente im Universum?“ gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Clusterprojekt ELEMENTS und eingeladene Experten auf die Frage ein, welche Prozesse in extremen Zuständen von Materie ablaufen und unter welchen Bedingungen schwere Elemente entstehen. Die Federführung liegt bei Prof. Dr. Luciano Rezzolla und Prof. Dr. Dirk Rischke von der Goethe-Universität Frankfurt.

Eröffnet wird die Reihe
„Der Ursprung der Materie“
von Prof. Dr. Harald Lesch
am 21. April, 14:00 Uhr
im Audimax der Goethe-Universität
Theodor-W.-Adorno-Platz 5
60323 Frankfurt am Main

Harald Lesch ist Professor für Theoretische Astrophysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München und Professor für Naturphilosophie an der Hochschule für Philosophie München. Seit 25 Jahren ist er als TV-Moderator tätig, aktuell bei „Leschs Kosmos“ und „Terra X“ im ZDF.

Eine Anmeldung ist aufgrund begrenzter Plätze unbedingt erforderlich unter https://www.terminland.de/KinderUniGoetheUniversitaet2026/online/Deutsche%20Bank%20Stiftungsgastprofessur/?m=37280. Der Vortrag wird in Deutsche Gebärdensprache übersetzt.

Weitere Termine der Reihe sind:

15.5. Prof. Dr. Camilla Juul Hansen (Goethe-Universität Frankfurt)
Das Universum vom Urknall bis heute
SKW Campus Westend – 1 

22.5. Prof. Dr. Laura Sagunski (Goethe-Universität Frankfurt)
Die dunklen Mächte des Universums
Physikalischer Verein – 2 

5.6. Prof. Dr. Hans-Thomas Janka (Max-Planck-Institut für Astrophysik)
Das spektakuläre Ende eines Sternenlebens
Physikalischer Verein – 2 

19.6. Prof. Dr. Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie)
Alles relativ, oder was?
Casino Campus Westend – 3 

3.7. Prof. Dr. Luciano Rezzolla (Goethe-Universität Frankfurt)
Einsteins außerirdisches Laboratorium
Casino Campus Westend – 3 

17.7. Prof. Dr. Almudena Arcones (TU Darmstadt)
Auf der Jagd nach Neutronen
Casino Campus Westend – 3 

24.7. Prof. Dr. Tetyana Galatyuk (TU Darmstadt)
Kosmische Materie im Labor
Physikalischer Verein – 2

Beginn jeweils um 18:30 Uhr
Der Eintritt zu allen Vorträgen ist frei.
Zu diesen Terminen ist keine Anmeldung erforderlich. 

Veranstaltungsorte: 
1 Sprach- und Kulturwissenschaften (SKW), Hörsaal B, Campus Westend, Goethe-Universität Frankfurt, Rostocker Str. 2, 60323 Frankfurt am Main
2 Physikalischer Verein, Hörsaal, Robert-Mayer-Straße 2, 60325 Frankfurt am Main
3 Casino-Gebäude, Raum 1.811, Campus Westend, Goethe-Universität Frankfurt, Theodor-W.-Adorno-Platz 2, 60323 Frankfurt am Main 

Nach den Vorträgen im Physikalischen Verein ist ein Besuch der Sternwarte möglich. 

Weitere Informationen:
https://elements.science/ursprung-der-materie/

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 7. März 2024.

7. März 2024 – Mit Sensoren, die dank der Regeln der Quantenphysik extrem empfindlich sind, wollen Physiker die wohl geheimnisvollste Substanz im Universum aufspüren: die Dunkle Materie. Sie macht etwa 80 Prozent der Materie im All aus. Die sichtbare Materie, aus der die Erde, Planeten, Sonne und Galaxien bestehen, macht also nur einen kleinen Teil des Universums aus. Physiker vermuten, dass Dunkle Materie aus einer unbekannten Art von Teilchen besteht. Die Dunkle-Materie-Teilchen wären zwar überall vorhanden, aber äußerst schwer zu detektieren, da sie nur sehr schwach mit normaler Materie, also Atomen oder Elektronen wechselwirken. In bisherigen Beobachtungen macht sie sich nur indirekt durch ihre Schwerkraft, die weitaus schwächste der vier Grundkräfte der Physik, bemerkbar.

Bisherige Detektoren konnten noch keine Dunkle Materie direkt nachweisen. Physiker der Technischen Universität Darmstadt haben nun maßgebliche Beiträge zum Design von neuen Quantensensoren geleistet, die Dunkle Materie mit Hilfe hochpräziser Messungen detektieren sollen. „Wir stellen uns die Frage, wie man den perfekten Sensor für Dunkle Materie baut“, sagt Daniel Derr. Seine Arbeitsgruppe „Theoretische Quantenoptik“ unter der Leitung von Professor Enno Giese vom Fachbereich Physik hat zusammen mit Kollegen der Universität Ulm dazu drei Arbeiten im angesehen Journal „AVS Quantum Science“ veröffentlicht, von denen der Verlag zwei besonders hervorhob.

Doch was ist eigentlich ein solcher Quantensensor? Eines der erstaunlichsten Phänomene der Quantenphysik ist das wellenartige Verhalten von Materie. Atome oder Elektronen stellen wir uns als winzige Teilchen vor. Aber sie können auch Wellenphänomene zeigen. Elektronen etwa, die man durch einen Spalt sendet, bilden dahinter ähnliche Streifenmuster wie es Lichtwellen tun.

Auch größere Materieobjekte können diese „Interferenzstreifen“ bilden. Dazu gehören etwa Wolken aus Zehntausenden von Atomen, die sich zu einer Art Superatom verbinden. Da das Superatom relativ schwer ist, hat es eine sehr kurze Materiewellenlänge. Das bedeutet, dass die Interferenzstreifen solcher Superatome sehr empfindlich auf Kräfte und Beschleunigungen reagieren. Schon die relativ schwache Gravitation kann das Muster der Streifen verändern. Dieser Effekt ermöglicht hochempfindliche Gravitationssensoren, die zur Navigation oder zum Aufspüren von Bodenschätzen genutzt werden können.

Neben der Schwerkraft könnten solche Interferometer auch eine mögliche Wechselwirkung mit Dunkler Materie nachweisen. Die Physiker diskutieren mehrere Modelle der Dunklen Materie. „Ein vielversprechender Kandidat, die so genannte ultraleichte Dunkle Materie, würde mit den Elektronen und den Quarks in den Atomkernen wechselwirken“, erklärt Derr. Damit würde diese rätselhafte Materieform die Energiestruktur des Superatoms beeinflussen und sich indirekt auf das Interferenzmuster auswirken.

Diese Signatur der Dunklen Materie zu isolieren, ist jedoch eine große Herausforderung. Physiker wollen dazu die Interferenzstreifen zweier Superatome vergleichen. Diese müssen räumlich und zeitlich möglichst weit voneinander entfernt erzeugt und zudem mit demselben Laser manipuliert werden. „So kann man lokale Unterschiede in der Dunklen Materie sehen und das Rauschen unterdrücken“, erklärt Derr. Geplant sind Quantendetektoren mit einer Länge von etwa 100 Metern. „Perspektivisch sollen sie einmal bis zu einem Kilometer groß werden“, sagt Giese.

„Unsere Ergebnisse haben direkten Einfluss auf das Design von Quantendetektoren für ultraleichte Dunkle Materie“, sagt Giese. So gibt es vielversprechende Ansätze, wie man den verfügbaren Platz in den Detektoren am besten ausnutzt oder wie man das Atom am geschicktesten manipuliert. Auch die Standortwahl könnten die Darmstädter Ergebnisse beeinflussen. Das Team will sich nun an internationalen Konsortien beteiligen, die solche Detektoren bauen. „In diesem Gebiet ist gerade viel Schwung“, sagt Derr. Vielleicht wird gerade der Grundstein für eine bahnbrechende Entdeckung gelegt.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.

Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.

Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation:
In der Sonderausgabe „Large Scale Quantum Detectors“ zu Quantensensoren des Magazins „AVS Quantum Science“ erschienen folgende drei Artikel des Darmstädter Teams:
doi.org/10.1116/5.0174258 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/5/4/044402/2921319/Atomic-diffraction-from-single-photon-transitions
doi.org/10.1116/5.0176666 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/5/4/044404/2930367/Clock-transitions-versus-Bragg-diffraction-in-atom
doi.org/10.1116/5.0175683 / https://pubs.aip.org/avs/aqs/article/6/1/014404/2933696/Optimal-baseline-exploitation-in-vertical-dark

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• Dunkle Materie

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Quelle: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) 1. August 2023.

1. August 2023 – Ob bei der präzisen Vermessung des Meeresbodens oder für Planung, Bau und Wartung von Offshore-Anlagen (z. B. Windparks) – heute nutzt man dafür die bekannten Satellitensysteme wie GPS oder Galileo. Dabei wird die dreidimensionale Position in Bezug auf ein globales Koordinatensystem bestimmt. Mit speziellen geodätischen Verfahren ist dies sogar mit Zentimetergenauigkeit möglich.

Der Meeresspiegel wird vor allem durch die ungleichmäßige Schwerkraft der Erde geformt. Damit man mit den rein geometrischen Satellitenmessungen auch genaue Höhen über dem Meeresspiegel bestimmen kann, stellt das BKG gemeinsam mit seinen Partnern ein sogenanntes Quasigeoidmodell als Höhenbezugsfläche bereit. Das Modell beschreibt die Abweichungen des für Deutschland gültigen Höhenniveaus (Amsterdamer Pegel, NAP) von der Referenzfläche (Ellipsoid) der Satellitenmessungen. Diese betragen an den deutschen Küsten zwischen 35 und 41 Meter. Die aktuelle Version GCG2016 ist seit 1. Juni 2023 als Open Data verfügbar: zum Quasigeoidmodell.

Grundlage für die Berechnung des Quasigeoidmodells sind Informationen über die lokale Schwerebeschleunigung, kurz Schwere. Im Bereich der Nordsee stammen die bisher verfügbaren Schweremessungen aus unterschiedlichen Quellen. Sie sind jedoch unregelmäßig verteilt, teils veraltet und weichen mitunter systematisch voneinander ab. Daher genügen sie nicht den Anforderungen, um das Quasigeoid mit der gleichen Genauigkeit wie an Land (ca. 1 cm) zu berechnen.

2014 und 2015 wurden bereits Messungen im norddeutschen Wattenmeer und vor den nordfriesischen Inseln durchgeführt. Seit 2021 laufen die Arbeiten zur großflächigen Neuvermessung der Nordsee. In diesem Jahr liegt der Fokus noch einmal auf dem Gebiet nordwestlich von Helgoland, wo Datenlücken geschlossen und bestehende Daten überprüft und ggf. angepasst werden sollen. Mit 350 bis 400 km Entfernung vom Festland stellt der sogenannte Entenschnabel, der äußerste Winkel der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ), eine besondere logistische Herausforderung dar.

Die Messungen in diesem Jahr dienen daher weiteren Ergänzungen und Kontrollen, um eine hohe Datenqualität sicherzustellen. Laut Plan wird das Vermessungs-, Wracksuch- und Forschungsschiff (VWFS) WEGA des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) am 1. August 2023 in Bremerhaven auslaufen.

Angesichts der Messbedingungen in der Nordsee tragen gleichzeitige Messungen mehrerer Instrumente wesentlich zur Qualitätssicherung bei. In den folgenden 10 Tagen werden daher wieder die Spezialisten vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) sowie dem Fachgebiet Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie (PSGD) der TU Darmstadt mit ihren Instrumenten die Schweremessungen an Bord durchführen. Zusätzlich setzt auch das BKG erstmals ein eigenes auf Inertialsensoren basierendes Strap-Down-Gravimeter ein.

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• Planet Erde

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Quelle: TU Darmstadt 31. Juli 2023.

Darmstadt, 31. Juli 2023. Immer mehr künstliche Objekte umkreisen die Erde. Neben Satelliten, die für Kommunikation, Forschung oder Navigation unerlässlich sind, sind die meisten anderen unerwünscht und stellen ein Betriebsrisiko dar, denn sie erhöhen die Gefahr von Zusammenstößen. Um diese zu verhindern, werden effiziente Algorithmen benötigt, um die Objekte zu identifizieren, die sich einander gefährlich nähern. Forschende der TU Darmstadt und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) haben dafür zwei neue Ansätze entwickelt.

1957 wurde der erste Satellit in eine Erdumlaufbahn geschickt. Seitdem folgten ihm viele weitere – bis heute insgesamt rund 16.000. Was in den Weiten des Weltraums nach wenig klingt, hat erhebliche Auswirkungen. Mit jedem gestarteten Satelliten nimmt die Zahl der Objekte im Umkreis der Erde weiter zu, und zwar nicht nur durch die Satelliten selbst, sondern auch durch vielfältige Trümmerteile, die sogenannten Raumfahrtrückstände: Teile von Trägerraketen und ausgedienten Satelliten oder andere missionsbezogene Gegenstände, wie Klemmen, Hülsen oder Bolzen, die in der Erdumlaufbahn freigesetzt wurden.

All diese Objekte bewegen sich in den Umlaufbahnen mit sehr hoher Geschwindigkeit, was in der Vergangenheit bereits vielfach zu Kollisionen geführt hat. Es droht eine Kettenreaktion: Stoßen Objekte mit Satelliten oder anderen Trümmerteilen zusammen, entstehen viele neue Trümmerteile. Diese erhöhen wiederum die Wahrscheinlichkeit für weitere Kollisionen. Selbst sehr kleine Teile können wegen ihrer hohen Geschwindigkeit an Satelliten und Raumfahrzeugen erheblichen Schaden anrichten, was die Sicherheit der Raumfahrt und generell die Nutzung des Weltraums zunehmend erschwert.

Mit Hilfe von Weltraumüberwachungssensoren werden inzwischen mehr als 30.000 Objekte in der Erdumlaufbahn verfolgt. Etwa 8.000 dieser Objekte sind einsatzfähige Satelliten, von denen etwa 2.400 allein im Jahr 2022 gestartet wurden. Mit neuen Methoden, die in den nächsten Jahren zum Einsatz kommen werden, sollen bald mehr als eine Million Objekte nachverfolgt werden können. Zusätzlich gehen Schätzungen von über 100 Millionen weiteren Objekten auf Umlaufbahnen im erdnahen Weltall aus, die zu klein sind, um sie derzeit orten zu können.

Wie lässt sich nun verhindern, dass Satelliten miteinander oder anderen Objekten kollidieren? An diesem Problem arbeiteten die Forschenden der TU Darmstadt und der ESA – und dafür benötigten sie zunächst einmal (Positions-)Daten. „Satelliten und Weltraumschrott werden vom Boden aus mit leistungsfähigen Radaren und optischen Teleskopen überwacht“, sagt Reinhold Bertrand, verantwortlich für Forschung und Entwicklung im Space Safety Programm der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA und Kooperationsprofessor an der TU Darmstadt. „Funktionsfähige Satelliten verfügen darüber hinaus auch meist über bordgebundene Sensoren zur Positionsbestimmung und können daher noch genauere Positionsdaten zur Erde liefern. Für jedes Objekt lässt sich so aus den Beobachtungsdaten die aktuelle Umlaufbahn bestimmen.“

Daraus wiederum können rechnerisch Prognosen für die Position ein bis zwei Wochen in die Zukunft abgeleitet werden. Dabei wird geprüft, ob sich irgendwann zwei Objekte zu nahekommen und deren Kollisionsrisiko bestimmt. Dieses lässt sich umso genauer bestimmen, je näher der Zusammenstoß bevorsteht. Befindet sich ein Satellit auf Kollisionskurs mit einem anderen Satelliten oder Objekt, erfolgt eine Kollisionswarnung an den Satelliten-Betreiber, der dann ein Ausweichmanöver einleiten kann. Die Vorlaufzeit beträgt circa ein bis zwei Tage, manchmal auch nur einige Stunden. Allerdings: Sind zwei Trümmerteile auf Kollisionskurs, lässt sich ein Zusammentreffen im Moment noch nicht vermeiden.

Aufgrund der steigenden Anzahl von Objekten in der Erdumlaufbahn stoßen die derzeitigen Algorithmen und Verfahren zur Erkennung von Zusammenstößen an ihre Grenzen. Die Zahl der zu überwachenden Objekte ist bereits hoch und steigt rasant, da sowohl die Zahl der Trümmerteile als auch die der Satelliten stetig wächst. Zudem werden durch verbesserte Erkennungsmethoden in Zukunft deutlich mehr Objekte als jetzt sichtbar werden, die dann alle in die Berechnungen mit einfließen müssen.

Hier kommt das Fachgebiet Parallele Programmierung der TU Darmstadt ins Spiel, das Programme für komplexe Rechenaufgaben entwickelt. „Wir standen vor zwei Herausforderungen“, sagt Professor Felix Wolf, Leiter des Fachgebiets. „Zum einen wollten wir die Positionen der Objekte für einen deutlich längeren Zeitraum simulieren, nicht nur ein bis zwei Wochen wie bisher. Zum anderen wollten wir eine größere Anzahl von Objekten berücksichtigen. Dies erforderte einen neuen und effizienten Algorithmus.“

Im Moment werden die Berechnungen zu den Umlaufbahnen aller Objekte im Weltraum paarweise durchgeführt („all-on-all“), was zu einer quadratischen Anzahl von Satellitenpaaren führt, deren Kollisionsrisiko dann nacheinander ausgeschlossen werden muss. Diese Berechnungen dauern umso länger, je mehr Objekte überprüft werden müssen und je schneller sich diese bewegen.

Um die quadratische Anzahl von Vergleichen und damit auch einen quadratischen Arbeits- und Rechenaufwand zu vermeiden, nutzten die Forschenden räumliche Datenstrukturen und Parallelisierungsmethoden, um mögliche Zusammenstöße zu identifizieren („gitterbasierte Variante“), das heißt, das Kollisionsrisiko wird nun nicht mehr nacheinander von jedem Paar von Objekten berechnet, sondern die Objekte werden in „Zellen“, die jeweils einen kleinen Teil des erdnahen Weltraums repräsentieren, eingeordnet. Dies ermöglicht es, nur noch innerhalb der Zellen und deren direkten Nachbarzellen die Objekte miteinander vergleichen zu müssen. In einem zweiten Schritt untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine hybride Methode, bei der die gitterbasierte Variante mit der klassischen kombiniert wurde.

Für die Simulation kamen Daten von echten Satelliten zum Einsatz. Die notwendigen Berechnungen konnten die Forschenden auf dem Lichtenberg-Rechner der TU Darmstadt ausführen, der speziell für komplexe Berechnungen dieser Art vorgesehen ist. Dieser enthält besondere Prozessoren und Grafikkarten (GPUs), die weit leistungsfähiger sind als die handelsüblichen Gegenstücke für Endnutzer. Dies beschleunigt den Algorithmus zwar nicht von der theoretischen Betrachtung her, die tatsächliche Berechnung braucht aber trotzdem nur noch einen Bruchteil der Zeit.

Die Forschenden konnten zeigen, dass sich die Vorhersage von drohenden Kollisionen mit den neuen Ansätzen deutlich beschleunigen lässt. Zudem ist es möglich, damit die Bewegung von mehr als einer Million Objekte in der Erdumlaufbahn zu simulieren und zu überwachen. Begrenzender Faktor für die Anzahl der zu untersuchenden Objekte ist der Speicherverbrauch bei den Berechnungen. Dieser ließe sich jedoch durch den Einsatz von mehreren Grafikprozessoren bis zu einem gewissen Grad kompensieren.

„Unsere Berechnungsmethoden ermöglichen es, alle Objekte im Weltraum, die in naher Zukunft verfolgt werden können, auf mögliche Kollisionen zu untersuchen“, fasst Wolf die Ergebnisse zusammen. „Der neue Algorithmus wird bereits exemplarisch im Rahmen einer ESA-Studie eingesetzt,“ ergänzt Bertrand. Die beiden Professoren sind sich einig: „Die Sicherheit im Weltraum wird damit erhöht.“

Kooperation TU Darmstadt und ESA
Die TU Darmstadt und die European Space Agency arbeiten seit mehreren Jahren eng zusammen, seit 2019 besteht zusätzlich ein Kooperationsvertrag. Gemeinsam wird beispielsweise das Concurrent Engineering Lab@TU Darmstadt betrieben, in dem technischen Systeme für Weltraum-Missionen effizient und agil entwickelt werden können („Concurrent Engineering“ genannt). Zudem gibt es vielfältige Kollaborationen mit verschiedenen Fachgebieten.

Reinhold Bertrand, „Senior Research and Technology Manager“ im Space Safety Programm der ESA, hat seit 2018 eine Kooperationsprofessur für Raumfahrtsysteme an der TU Darmstadt inne. Sein technischer Arbeitsschwerpunkt liegt im Bereich Entwurf, Bau und Simulation komplexer Raumfahrtsysteme mit digitalen Methoden sowie im Bereich Space Traffic Management. Dazu steht er auch im engen Austausch mit dem Fachbereich Informatik.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.

Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.

Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation:
Christian Hellwig, Fabian Czappa, Martin Michel, Reinhold Bertrand, Felix Wolf: “Satellite Collision Detection using Spatial Data Structures.” In Proc. of the 37th IEEE International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS), St. Petersburg, Florida, USA, pages 724–735, May 2023.

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• Weltraummüll

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS 22. Juni 2022.

22. Juni 2022 – Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch den Einsatz einer neuen Methode: Dabei wurden ein radioaktiver neutronenreicher ⁸He-Strahl und eine schnelle hochenergetische Reaktion mit einem Proton eingesetzt.

Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration waren neben der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters ORIGINS auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt, des RIKEN Nishina Centers sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Verwandtschaft im Universum
Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen – den beiden sogenannten Isospin-Zuständen des Nukleons. Gebundene Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind, wurden bisher noch nie eindeutig nachgewiesen. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronensterne. Dabei handelt es sich um Endstadien der Sternentwicklung mit einem typischen Durchmesser von etwa zehn Kilometer. Diese Sterne sind stabil (gebunden) durch die Gravitation, die zu einer sehr hohen Neutronendichte im Inneren der Sternleichen führt. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit Präferenz eine vergleichbare Zahl an Neutronen und Protonen zu binden – das ist bekannt von den stabilen Kernen, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.

Die Erforschung von reinen Neutronen-Systemen ist aber von großer Bedeutung, da sich nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung gewinnen lassen. Die Erforschung der bisher hypothetischen Teilchen könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als Resonanzzustände oder gar gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das internationale Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet.

Referenzwert für die Theorie
„Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von Isospin-reinen Nukleonen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne. Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen“, berichtet Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt.

Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar, da es keine Möglichkeit gibt ein Neutronen-Target herzustellen. Um nun ein Multi-Neutronen-System in einem Volumen zu erzeugen, so dass die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10^-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, müssen Reaktionen eingesetzt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Neutronen mit anderen Teilchen, die an der Reaktion beteiligt sind, im Endzustand wechselwirken, was wiederum das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht. Die Forschenden haben diese Schwierigkeit durch den Einsatz eines hochenergetischen ⁸He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen, das von vier Neutronen umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer schnellen Reaktion mit großem Impulsübertrag durch Stoß mit einem Proton des Flüssigwasserstoff-Targets aus dem ⁸He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und alleine und können untereinander wechselwirken.

Eine geniale Idee
„Nur eine optimale Verbindung unterschiedlicher Faktoren haben die erfolgreiche Entdeckung des Tetra-Neutrons möglich gemacht. Da ist die geniale Idee genau die richtige Reaktion zu wählen, die weltweit leistungsfähigste Anlage für leichte exotische Strahlen, ein Experimentaufbau der genau für diese Reaktion entwickelt und optimiert wurde, und nicht zuletzt ein Team aus begeisterten Wissenschaftlern die sich zu 100 Prozent mit der Aufgabe identifizieren“, führt ORIGINS PI Dr. Roman Gernhäuser des Zentralen Technologielabors am Physik Department der TUM aus.

Die Arbeit zur Entdeckung des Tetra-Neutrons wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 und dem Exzellenzcluster ORIGINS, EXC-2094 – 390783311 gefördert.

Publikation
M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser et al.: „Observation of a four-neutron resonance“, Nature (2022), doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
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Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: TU Darmstadt.

Kommt mit uns auf eine Zeitreise in die Zukunft. Unter diesem Motto könnt ihr im Rahmen unserer Projektwochen unseren Planeten erkunden, den Mars mit Robotern erforschen, wie Astronauten in Schwerelosigkeit forschen und Satelliten auf ihrer Flugbahn um die Erde steuern.

Wir bieten euch ein vielfältiges Programm zum Thema Raumfahrt, in dem ihr im Fokus steht. Werdet an unseren vielen Experimentstationen selbst tätig und erforscht die schwierigen Bedingungen für Mensch und Maschine im Weltall. Löst gemeinsam als Team vielfältige Aufgaben im Bereich Fern- und Naherkundung. Baut Messstationen für Umweltmessungen hier am Boden und vergleicht diese anschließend mit Satellitendaten. Euch werden Probleme im Bereich Klima, Umwelt und Technik begegnen, deren Lösung ihr als Team erarbeitet.

In allen hessischen Schulferien 2022 veranstalten wir jeweils eine einwöchige Projektwoche unter dem Titel „YourSpace – Deine Reise in Weltall“ an. Zusätzlich bieten wir ein wöchentliches Mentoringprogramm für alle Teilnehmer*innen im Anschluss an.

Das Programm ist für Schüler*innen der 6.-11. Klasse und findet täglich von 9:00 Uhr – 15:00 Uhr statt.

Wann?
29. August bis 2. September 2022 (Sommerferien Hessen)
24. bis 28. Oktober 2022 (Herbstferien Hessen)

Wo?
DLR_School_Lab TU Darmstadt
S4|15 Raum 1
Goethestraße 50
64285 Darmstadt

Veranstalter
DLR_School_Lab TU Darmstadt

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Quelle: TU Darmstadt.

Europium ist der Schlüssel zum Verständnis der Entstehung der schweren Elemente durch den schnellen Neutroneneinfangprozess, den sogenannten r-Prozess. Dieser ist entscheidend sowohl für die Bildung der Hälfte der Elemente, die schwerer sind als Eisen, als auch für das gesamte Vorkommen an Thorium und Uran im Universum. Die EUROPIUM-Gruppe hat theoretische astrophysikalische Simulationen mit Beobachtungen der ältesten Sterne in unserer Galaxie und in Zwerggalaxien kombiniert. Letztere sind kleine, von dunkler Materie dominierte Galaxien, die um unsere Galaxie kreisen. Zwerggalaxien sind exzellente Testobjekte für die Untersuchung des r-Prozesses, da einige der ältesten, also seit 10 bis 13 Milliarden Jahren existierenden metallarmen Sterne eine Überhäufigkeit von r-Prozess-Elementen aufgewiesen haben. Studien haben sogar postuliert, dass nur ein einziges neutronenreiches Ereignis für diese Anreicherung in den kleinsten Zwerggalaxien verantwortlich sein könnte.

Mit ihrer neuen Entdeckung ist es den Forschenden in Darmstadt und Heidelberg gelungen, den höchsten jemals beobachteten Europium-Gehalt zu bestimmen – und sie haben einen neuen Namen für diese Sterne geprägt: „Europium-Sterne“. Diese Sterne gehören zur Zwerggalaxie Fornax – einer sphäroidischen Zwerggalaxie mit einem hohen Sterngehalt. In ihrer Publikation berichtet die Gruppe auch über die erste Beobachtung von Lutetium in einer Zwerggalaxie überhaupt und der größten Stichprobe von beobachtetem Zirconium.

Die „Europium-Sterne“ in Fornax wurden kurz nach einer explosiven Produktion schwerer Elemente geboren. Aufgrund der hohen stellaren Metallhäufigkeit muss das extreme r-Prozess-Ereignis erst vor vier bis fünf Milliarden Jahren stattgefunden haben. Dies ist ein sehr seltener Fund, da die meisten Europium-reichen Sterne viel älter sind. Daher geben die Europium-Sterne Einblicke in den Ursprung der Elemente im Universum zu einem sehr spezifischen und späten Zeitpunkt.

Schwere Elemente entstehen durch den r-Prozess bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne oder beim explosiven Ende massereicher Sterne mit starken Magnetfeldern. Die EUROPIUM-Gruppe hat diese beiden hochenergetischen Ereignisse analysiert und detaillierte Studien zur Elementproduktion in diesen Umgebungen durchgeführt. Aufgrund der immer noch großen Unsicherheiten in den kernphysikalischen Angaben ist es jedoch nicht möglich, die schweren Elemente in den „Europium-Sternen“ eindeutig einer dieser astrophysikalischen Umgebungen zuzuordnen. Zukünftige Experimente im neuen Beschleunigerzentrum FAIR am GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt werden diese Unsicherheiten deutlich reduzieren.

Darüber hinaus wird das neue hessische Clusterprojekt ELEMENTS, bei dem Professorin Arcones als leitende Forscherin fungiert, in einzigartiger Weise Simulationen von Neutronensternverschmelzungen, Nukleosynthese-Berechnungen mit den neuesten experimentellen Informationen und Beobachtungen kombinieren, um die seit langem bestehende Frage zu untersuchen: Wo und wie werden schwere Elemente im Universum produziert?

Publikation:
M. Reichert, C. J. Hansen, and A. Arcones: Extreme r-process Enhanced Stars at High Metallicity in Fornax. In: The Astrophysical Journal, Volume 912, Number 2.

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• Sternentwicklung

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Quelle: TU Darmstadt

Ein internationales Forscherteam, darunter Dr. Marius Eichler und Professorin Dr. Almudena Arcones von der TU Darmstadt und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, untersuchte die Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren und gewann dabei neue Erkenntnisse über den kosmischen Ursprung der schwersten Elemente im Periodensystem. Die Ergebnisse sind nun in „Science“ veröffentlicht worden.

Die Frage, bei welchen astronomischen Ereignissen der schnelle Neutroneneinfangsprozess, kurz r-Prozess, stattfinden kann, der die schwersten Elemente im Universum wie Jod, Gold, Platin, Uran, Plutonium und Curium erzeugt, ist seit Jahrzehnten unbeantwortet. Derzeit geht man davon aus, dass der r-Prozess bei Kollisionen zwischen zwei Neutronensternen, einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch oder bei seltenen Supernova-Explosionen nach dem Tod massereicher Sterne ablaufen kann.

Einige der durch den r-Prozess erzeugten Kerne sind radioaktiv und brauchen Millionen von Jahren, um in stabile Kerne zu zerfallen. Jod-129 und Curium-247 sind zwei solche radioaktive Kerne. Sie wurden bei der Entstehung der Sonne in Meteoriten festgehalten und haben eine erstaunliche Besonderheit: Sie zerfallen mit fast genau der gleichen Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren nicht verändert hat. „Da das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 wie ein prähistorisches Fossil in der Zeit eingefroren ist, können wir einen direkten Blick auf die letzte Welle der Produktion schwerer Elemente werfen, die die Zusammensetzung des Sonnensystems aufbaute“, sagt Benoit Côté, der Erstautor der Studie.

Das Team berechnete das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247, das bei Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern entsteht, und verglich ihre Modellvorhersagen mit den in Meteoriten gefundenen Werten. Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass die Anzahl der Neutronen während des letzten r-Prozess-Ereignisses, das der Geburt des Sonnensystems vorausging, nicht zu hoch sein kann, da sonst zu viel Curium im Verhältnis zu Jod erzeugt wird. Dies impliziert, dass sehr neutronenreiche Quellen, wie zum Beispiel das Material, das während einer Kollision von der Oberfläche eines Neutronensterns abgerissen wurde, wahrscheinlich keine wichtige Rolle gespielt haben, während mäßig neutronenreiche Bedingungen, die oft in den Auswürfen der Akkretionsscheibe gefunden werden, die sich um das Verschmelzungsereignis bilden, eher mit dem meteoritischen Wert übereinstimmen.

Da Nukleosynthese-Vorhersagen auf unsicheren nuklearen und stellaren Eigenschaften beruhen, steht die endgültige Antwort darauf, welches astronomische Objekt die genaue Quelle war, noch nicht fest. „Die Möglichkeit, durch das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 einen direkteren Blick auf die fundamentale Natur der Nukleosynthese schwerer Elemente zu werfen, ist jedoch eine spannende Aussicht“, sagt Dr. Marius Eichler, der ebenfalls Teil des untersuchenden Teams und Postdoc in der Gruppe von Professorin Dr. Almudena Arcones war. Auf diese Arbeit aufbauend können zukünftige astrophysikalische Simulationen von Sternverschmelzungen und Sternexplosionen in Kombination mit Kernphysikexperimenten, wie sie bei GSI und dem dort entstehenden internationalen Beschleunigerzentrum FAIR geplant sind, nun auch an meteoritischen Bedingungen getestet werden, um die Quelle der schwersten Elemente des Sonnensystems zu entschlüsseln.

Die Forschungsarbeit von Dr. Marius Eichler und Prof. Almudena Arcones wurde teilweise durch den ERC Starting Grant EUROPIUM und den DFG-Sonderforschungsbereich 1245 unterstützt.

Publikation
Die Studie ist unter dem Titel „129I and 247Cm in meteorites constrain the last astrophysical source of solar r-process elements“ in „Science“ erschienen.
DOI: 10.1126/science.aba1111

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• Die Alchemie von verschmelzenden Neutronensternen (23. Oktober 2019)

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