Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 23. November 2023.

Bochum, 23. November 2023 – Der größte Teil der Materie im Universum ist Dunkle Materie. Darauf richtet Dr. Elisa Pueschel vom Astronomischen Institut der Ruhr-Universität Bochum ihr Augenmerk in ihrem Projekt „Dark100″: Im Mittelpunkt steht ein noch unerforschter Massebereich Dunkler Materieteilchen. „Durch den Einsatz neuartiger, kosteneffizienter Teleskoptechnologie wird Dark100 eine Reihe von Teleskopen einsetzen, die in der Lage sind, die Auslöschung Dunkler Materie zu untersuchen und die Empfindlichkeit der derzeit betriebenen und geplanten Gammastrahlen-Instrumente um eine Größenordnung zu verbessern, und zwar mit einer noch nie dagewesenen Energie- und Winkelauflösung“, so Elisa Pueschel. Sie erhält für diese Arbeit einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC) und damit eine Förderung von 2,3 Millionen Euro für fünf Jahre.

Angetrieben von den jüngsten theoretischen Entwicklungen wird Elisa Pueschel nach Teilchen der Dunklen Materie zwischen 100 Teraelektronenvolt und einigen zehn Petaelektronenvolt suchen. Im Projekt Dark100 wird sie so einen einzigartigen Datensatz von tiefgehenden Gammastrahlenbeobachtungen von astrophysikalischen Systemen mit Dunkler Materie aufbauen. „Entweder werden wir Dunkle Materie nachweisen – oder falls nicht werden wir Grenzwerte für ihren geschwindigkeitsgewichteten Annihilationsquerschnitt festlegen“, plant die Wissenschaftlerin. Sollte sie nicht nachgewiesen werden, wird die Dunkle Materie für einen Teil des untersuchten Massenbereichs ausgeschlossen, und die theoretischen Modelle werden für den gesamten untersuchten Massenbereich eingegrenzt.

„Die Ergebnisse des Projekts Dark100 werden über die wissenschaftliche Gemeinschaft mit speziellem Interesse an Dunkler Materie hinaus spürbar sein“, ist Elisa Pueschel überzeugt. „Durch die Demonstration eines neuen Gammastrahlenteleskop-Paradigmas wird Dark100 eine Reihe möglicher astrophysikalischer Studien mit Gammastrahlen über 100 Teraelektronenvolt ermöglichen.“ Eingeschlossen sei ein sogenanntes galaktisches Pevatron, eine Teilchenschleuder im Zentrum der Milchstraße, und verschiedene vorübergehende Ereignisse.“ Das entstehende Datenarchiv wird Synergien mit anderen Gammastrahleninstrumenten fördern.

Zur Person
Elisa Pueschel schloss ihre Dissertation mit dem PhD im Jahr 2010 an der Carnegie Mellon University, USA, ab. Als Postdoktorandin arbeitete sie im Anschluss bis 2013 an der University of Massachusetts, Amherst, USA, und wechselte dann mit einem Stipendium des Irischen Forschungsrats und einem Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Union an das University College Dublin, Irland. Von 2017 bis 2022 leitete sie eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen, wo sie bis zu ihrem Wechsel an die Ruhr-Universität Bochum im August 2023 fest angestellte Wissenschaftlerin blieb.

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• Dunkle Materie
• Ehrungen

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum 31. August 2023.

Bochum, 31. August 2023. Der Frage gehen Forschende der Ruhr-Universität Bochum im September und Oktober 2023 nach und bitten die Öffentlichkeit um Mithilfe: Mit der App „Nachtlichter“ erheben Bürgerwissenschaftler*innen die Daten. Ziel ist es, zu messen, wie viel Prozent der verschiedenen Lichtarten zu welcher Zeit in der Nacht ausgeschaltet werden. „Das ist für die Wissenschaft nützlich, denn die einzigen weltweiten Satellitenbilder der Erde werden erst sehr spät in der Nacht aufgenommen und geben kein genaues Bild des frühen Abends wieder“, sagt Dr. Christopher Kyba, Projektleiter aus der Arbeitsgruppe Interdisziplinäre Geoinformationswissenschaften an der Ruhr-Universität Bochum. Interessierte finden alle Infos zum Mitmachen auf der Projektwebseite.

Daten sollen die Beleuchtung effektiver machen
„Dank einer Nachtlichter-Kampagne im Jahr 2021 haben wir den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Lichter am Boden und der von Satelliten gemessenen Helligkeit besser verstanden“, sagt Christopher Kyba. „Was wir noch nicht wissen, ist, welche Lichter sich wann ausschalten.“

Das Organisationsteam bittet Teilnehmende daher diesmal darum, die Lichter in den Straßen zu zählen, in denen sie wohnen, aber auch in Straßen mit Gewerbebetrieben. Die Citizen Scientists gehen dazu langsam von einer Straßenecke zur nächsten und zählen mit der Nachtlichter-App die Anzahl und Art der Lichter, die sie sehen. Das Projektteam interessiert sich nicht nur für Straßenlaternen, sondern für jede Art von Außenbeleuchtung, einschließlich Schildern, Fenstern, beleuchteten Fassaden und anderen Arten von Lichtern. Vor der Teilnahme absolvieren die Citizen Scientists ein Online-Tutorial, damit gewährleistet ist, dass sie die Lichter einheitlich zählen und kategorisieren. Im Rahmen der diesjährigen Kampagne „Zeit für die Nacht“ steht die Veränderung der Beleuchtung im Mittelpunkt. Um sie zu untersuchen, zählen die Teilnehmenden die Lichter zu zwei oder mehr Zeitpunkten, zwischen denen mindestens eine Stunde liegen sollte.

Ein neuer Aspekt der Datenerhebung ist in diesem Jahr die Messung, wie viele Menschen sich zum Zeitpunkt der Erhebung auf der Straße aufhalten. Das Projektteam hofft, dass diese Daten den Städten und Unternehmen helfen können, die Beleuchtung effizienter zu nutzen, indem sie die Zeiten, in denen die Beleuchtung eingeschaltet ist, besser auf die Spitzenzeiten der Aktivität abstimmen.

Bürgerforschung als mächtiges Instrument
Die Nachtlichter-App kam schon einmal zu Einsatz: Im Jahr 2021 zählten und klassifizierten mehr als 200 Citizen Scientists in rund 4.500 Erhebungen weltweit fast eine Viertelmillion künstlicher Lichtquellen. Die gleiche Anzahl an Erhebungen will das Projektteam auch 2023 wieder durchführen, diesmal aber an einer kleineren Anzahl einzelner Straßen. Bürgerwissenschaftler Sicco Bauer ist seit Beginn des Projekts dabei. Ihn motivierten seine Erfahrungen als Amateurastronom zur Teilnahme. „Als ich mich mit dem Thema beschäftigt habe, habe ich gelernt, dass Lichtverschmutzung nicht nur Auswirkungen auf die Astronomie hat. Sie wirkt sich zum Beispiel stark auf die Umwelt aus.“ Bauer hat 2021 eine große Nachtlichter-Aktion in Dresden mitorganisiert und wird dies auch in diesem Jahr tun. „Bürgerwissenschaft ist ein mächtiges Instrument, denn als Forschende können wir nicht überall sein“, sagt Kyba. Er lädt alle Interessierten ein, auf die Straße zu gehen und Lichter zu zählen, und betont, dass jede zusätzliche Erhebung nützliche Daten zum Verständnis der Lichtnutzung liefert.

Förderung
Das Nachtlichter-Projekt ist Teil eines größeren Projekts namens Nachtlicht-BüHNE, das im Rahmen des Wissenschaftsjahres 2023 – Unser Universum vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und Wissenschaft im Dialog gefördert wird.

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• Lichtverschmutzung

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Quelle: Ruhr-Universität Bochum (RUB) 11. Juli 2023.

11. Juli 2023 – Mittlerweile befinden sich im Orbit um die Erde Tausende von Satelliten, und es werden noch viel mehr werden. Wie es aus IT-Perspektive um die Sicherheit dieser Systeme bestellt ist, haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum und vom CISPA Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit in Saarbrücken untersucht. Sie analysierten drei aktuelle Low-Earth-Orbit-Satelliten und stellten fest, dass aus technischer Sicht kaum moderne Sicherheitskonzepte eingesetzt wurden. Diverse Sicherheitsmechanismen, die heute in Handys und Laptops gängig sind, waren nicht zu finden: Beispielsweise gab es keine Trennung von Code und Daten. Interviews mit Entwicklerinnen und Entwicklern von Satelliten ergaben zudem, dass man sich in der Branche vorrangig auf Sicherheit durch Geheimhaltung verlässt.

Die Ergebnisse präsentierte ein Team um den Bochumer Doktoranden Johannes Willbold, den Saarbrücker Forscher Dr. Ali Abbasi und Prof. Dr. Thorsten Holz, früher in Bochum, heute in Saarbrücken, auf dem IEEE Symposium on Security and Privacy, das vom 22. bis 25. Mai 2023 in San Francisco stattfand. Die Arbeit wurde auf der Konferenz mit einem Distinguished Paper Award ausgezeichnet.

Forschungssatelliten und kommerzieller Satellit im Test
Bei den untersuchten Satelliten handelte es sich um zwei kleine Modelle und ein mittelgroßes Modell – sowohl ein Forschungssatellit als auch ein Satellit eines kommerziellen Unternehmens –, die in geringer Entfernung die Erde umkreisen und für die Erdbeobachtung eingesetzt werden. Zugriff auf Satelliten und deren Software zu erhalten, war für das Team eine Herausforderung, da gerade kommerzielle Anbieter sich selten in die Karten schauen lassen wollen. Kooperationen mit der European Space Agency (ESA), verschiedenen Universitäten, die am Bau von Satelliten mitwirken, sowie mit einem Unternehmen ermöglichten schließlich den Zugriff.

Das Bochumer-Saarbrücker Team unterzog die drei Modelle einer aufwendigen Analyse. Sie schauten im Detail, was die Software, die auf den Geräten läuft, macht und welche Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Sie emulierten die Systeme, bauten sie also virtuell nach, sodass sie die Software so testen konnten, als ob sie sich in einem echten Satelliten befinden würde. „Das war eine ganz andere Welt als die Systeme, die wir sonst untersuchen. Es kamen beispielsweise ganz andere Kommunikationsprotokolle zum Einsatz“, resümiert Thorsten Holz.

Systeme mit speziellen Anforderungen
Satelliten, die die Erde umkreisen, sind immer nur in einem Zeitfenster von wenigen Minuten für ihre Bodenstation auf der Erde erreichbar. Die Systeme müssen robust gegen die Strahlung im Weltall sein, dürfen nur wenig Energie verbrauchen und haben eine entsprechend geringe Leistung. „Die Datenraten sind wie bei Modems der 1990er-Jahre“, erklärt Holz die Herausforderungen, denen sich Satelliten-Entwickler gegenübersehen.

Basierend auf den Erkenntnissen der Software-Analyse erarbeiteten die Forschenden verschiedene Angriffsszenarien. Sie zeigten, dass sie die Satelliten von der Kontrolle durch die Bodenstation abschneiden und selbst die Steuerung der Systeme übernehmen konnten, um beispielsweise Bilder mit der Satellitenkamera zu machen. „Wir waren überrascht, dass das technische Sicherheitsniveau so gering ist“, sagt Thorsten Holz, schränkt aber gleichzeitig die möglichen Konsequenzen ein: „Es wäre nicht so leicht, den Satelliten an einen anderen Ort zu steuern, beispielsweise zum Absturz zu bringen oder mit anderen Objekten kollidieren zu lassen.“

Umfrage unter Entwicklerinnen und Entwicklern
Um herauszufinden, welches Sicherheitsverständnis bei den Personen herrscht, die Satelliten entwickeln und bauen, konzipierte das Forschungsteam einen Fragebogen und schickte ihn an Forschungseinrichtungen, die ESA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie verschiedene Firmen. 19 Personen beteiligten sich anonym an der Befragung. „Die Ergebnisse zeigen uns, dass das Sicherheitsverständnis in der Branche ein anderes ist als in vielen anderen Bereichen, nämlich Security by Obscurity“, fasst Johannes Willbold zusammen. Viele der Befragten gingen also davon aus, dass Satelliten nicht angegriffen werden könnten, weil es keine Dokumentation der Systeme gibt, also nichts über sie bekannt ist. Nur wenige gaben an, Daten bei der Kommunikation mit den Satelliten zu verschlüsseln oder eine Authentifizierung zu nutzen, sodass sichergestellt wäre, dass nur die Bodenstation mit dem Satelliten kommunizieren darf.

„Eine fehlende Dokumentation schützt aber nicht vor Angriffen“, sagt Moritz Schloegel, ein weiterer Autor der Arbeit. „Mittlerweile kann man Systeme über Reverse Engineering verstehen und ihre Schwachstellen finden. Ein Ziel unserer Arbeit war daher auch, die Satelliten- und Security-Communitys zusammenzubringen, um ein gegenseitiges Verständnis von den Herausforderungen bei der Anwendung im Weltall und von den heute üblichen Sicherheitsstandards zu fördern.“

Förderung
Die Arbeiten wurden gefördert vom Europäischen Forschungsrat (Grant 101045669), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Projekt CPSec – 16KIS1564K) sowie dem NRW-Ministerium für Kultur und Wissenschaft im Rahmen des Graduiertenkollegs SecHuman.

Originalveröffentlichung
Johannes Willbold, Moritz Schloegel, Manuel Vögele, Maximilian Gerhardt, Thorsten Holz, Ali Abbasi: Space odyssey: An experimental software security analysis of satellites, In IEEE Symposium on Security and Privacy Proceedings, 2023, DOI: 10.1109/SP46215.2023.00131, Preprint: https://jwillbold.com/paper/willbold2023spaceodyssey.pdf;

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• Computertechnik in der Raumfahrt

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Quelle: RUB.

Die renommierte Astrophysikerin Prof. Dr. Catherine Heymans ist als erste Frau zur „Astronomer Royal for Scotland“ ernannt worden. Sie ist eine weltweit führende Expertin für die Physik des sogenannten dunklen Universums. Nun hat sie den prestigeträchtigen Titel erhalten, den es seit fast 200 Jahren gibt. Heymans ist Professorin für Astrophysik an der University of Edinburgh und Direktorin des German Centre for Cosmological Lensing an der Ruhr-Universität Bochum (RUB).

Heymans wurde der britischen Königin von einem internationalen Gremium empfohlen, das von der Royal Society of Edinburgh einberufen wird. Mit ihrer Forschung versucht sie, Licht in die Geheimnisse der dunklen Energie und der dunklen Materie zu bringen – schwer fassbare Größen, die zusammen mehr als 95 Prozent des Universums ausmachen. Damit forscht sie an einem der großen ungelösten Rätsel der Wissenschaft.

Das Amt des Astronomer Royal for Scotland wurde 1834 geschaffen und ursprünglich vom Direktor des Royal Observatory in Edinburgh ausgeübt. Seit 1995 wird dies jedoch als Ehrentitel verliehen. Der bisherige Inhaber, Prof. Dr. John C. Brown, ist 2019 verstorben.

Catherine Heymans Hauptanliegen als elfte Astronomer Royal for Scotland wird sein, ihre Leidenschaft für die Astronomie mit Schotten aus allen Gesellschaftsschichten zu teilen. Eines ihrer ersten Ziele ist es, Teleskope in allen abgelegenen Outdoor-Lernzentren Schottlands zu installieren, die von den meisten Schülern des Landes besucht werden.

„Ich glaube nicht, dass irgendjemand das erste Mal vergisst, als er die Ringe des Saturns durch ein Teleskop gesehen hat. Aber zu viele Menschen haben nie die Gelegenheit dazu. Als Astronomer Royal for Scotland möchte ich das ändern. Meine Hoffnung ist, dass, sobald der Funke einmal übergesprungen ist, Kinder eine Begeisterung für das Universum mit nach Hause nehmen und eine lebenslange Leidenschaft für die Astronomie oder, noch besser, für die Wissenschaft als solche entwickeln“, so Heymans, die mit einem hochdotierten Forschungspreis an der Fakultät für Physik und Astronomie der RUB forscht.

„Ich bin absolut begeistert, zur Astronomer Royal for Scotland ernannt zu werden. Für mich als Verfechterin von Gleichberechtigung und Vielfalt ist es auch eine große Ehre, die erste Frau in diesem Amt zu sein. Ich werde diese hochkarätige Plattform mit Begeisterung nutzen, um die Amateur- und Berufsastronomie in Schottland voranzubringen und Schottland international als ein weltweit führendes Zentrum der Wissenschaft zu forcieren.“

Eine großartige Nachricht
Prof. Dr. Martin Rees, der derzeitige UK Astronomer Royal, sagt: „Es ist eine großartige Nachricht, dass Catherine Heymans zur Astronomer Royal for Scotland ernannt wurde. Sie ist eine würdige Nachfolgerin ihrer Vorgänger in dieser Funktion, und ich wünsche ihr eine lange und erfolgreiche Amtszeit.“

Prof. Dr. Jocelyn Bell Burnell, (Interims-)Präsidentin der Royal Society of Edinburgh, sagt: „Der Astronomer Royal for Scotland war schon immer ein angesehener und respektierter Astronom, und Catherine Heymans ist genau das. Sie wird auch immer hervorstechen als die erste Frau, die diese Position innehatte.“

Zur Person
Catherine Heymans forscht seit über 20 Jahren auf dem Gebiet der Astrophysik. Nach ihrem Studium der Physik und Astrophysik promovierte sie an der University of Oxford. Zu Beginn ihrer wissenschaftlichen Karriere forschte sie unter anderem am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg und ist daher mit dem deutschen Wissenschaftssystem gut vertraut. Seit 2016 ist sie Professorin für Observational Cosmology am Royal Obversatory der University of Edinburgh. Im November 2018 war sie die erste Trägerin des Max-Planck-Humboldt-Forschungspreises. Den mit 1,5 Millionen Euro dotierten Preis nutzt die Astrophysikerin, um bis 2024 an der RUB das German Centre for Cosmological Lensing aufzubauen.

Englische Presseinformation der University of Edinburgh
https://www.ed.ac.uk/news/2021/expert-first-female-astronomer-royal-for-scotland

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• Geschichte der Astronomie/ Historisches

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Quelle: RUB.

31. Juli 2020 – Aktuelle Ergebnisse des Kilo-Degree Survey haben ergeben, dass die Materie im Universum um etwa zehn Prozent gleichmäßiger verteilt ist als vom Standardmodell der Kosmologie vorhergesagt. Ein internationales Team, geleitet von Astronominnen und Astronomen aus den Niederlanden, Schottland, England und Deutschland – unter Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum – beschreibt die Ergebnisse in fünf Artikeln, von denen drei am 31. Juli 2020 auf einem Preprint-Server veröffentlicht wurden. Sie sind zudem in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics zur Veröffentlichung eingereicht.

Die Daten wurden mit dem Very Large Telescope Survey Telescope (VST) des European Southern Observatory auf dem Cerro Paranal in Nordchile aufgezeichnet. Die so entstandene Himmelskarte deckt fünf Prozent des extragalaktischen Himmels ab und umfasst 31 Millionen Galaxien, die alle in die Analyse eingingen. Sie sind bis zu zehn Milliarden Lichtjahre entfernt, ihr Licht wurde ausgesendet, als das Universum nur rund ein Viertel so alt war wie heute.

Klumpungstendenz der Materie bestimmt
Anhand der Galaxien erstellte das Forschungskonsortium eine Karte mit der Materieverteilung im Universum. Dazu nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den sogenannten schwachen Gravitationslinseneffekt: Das Licht von fernen Galaxien wird auf dem Weg zur Erde durch die Gravitationswirkung großer Materieansammlungen wie Galaxienhaufen abgelenkt und verzerrt. Basierend auf diesem Effekt kann die Klumpungstendenz der Materie bestimmt werden – und zwar der sichtbaren Materie, der Gase und der nicht sichtbaren Dunklen Materie, welche etwa 85 Prozent der Gesamtmaterie im Universum ausmacht.

Im Lauf der Zeit sorgt die Gravitation der Materie dafür, dass das Universum immer weniger homogen wird. Gebiete, die etwas mehr Masse als der Durchschnitt besitzen, ziehen Materie aus ihrer Umgebung an. So werden die Unterschiede in der Verteilung immer größer. Gleichzeitig wirkt die Expansion des Universums diesem Effekt entgegen. Beide Prozesse werden von der Schwerkraft angetrieben und eignen sich somit dafür, um das Standardmodell der Kosmologie auf den Prüfstand zu stellen. Die Gleichungen sagen präzise voraus, wie sehr die Materiedichte sich im Lauf der Zeit ändern wird.

Experimentelle Daten passen nicht zum Standardmodell
Allerdings offenbaren die Daten des Kilo-Degree Survey eine Diskrepanz: Das Universum ist um zehn Prozent homogener als es nach dem Standardmodell sein dürfte. „Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt seit 20 Jahren alle kosmologischen Beobachtungen, die wir machen. Dabei ist es aber etwas unbefriedigend, dass man mysteriöse Substanzen wie Dunkle Materie und Dunkle Energie annehmen muss. Darum versuchen wir, dieses Modell, so gut es geht, zu testen“, sagt Prof. Dr. Hendrik Hildebrandt, Leiter der Gruppe Beobachtende Kosmologie an der Ruhr-Universität Bochum.

Die aktuelle Analyse könnte darauf hinweisen, dass das Standardmodell Risse bekommt. Es ist nicht die erste Unstimmigkeit, auch die sogenannte Hubble-Konstante, die die Expansionsrate des Universums repräsentiert, passt nicht zu den Vorhersagen des Modells. „Diese Diskrepanzen könnten natürlich von systematischen Messfehlern hervorgerufen werden“, räumt Prof. Dr. Catherine Heymans (University of Edinburgh) ein, die zusammen mit Hendrik Hildebrandt das German Centre for Cosmological Lensing an der RUB leitet, wo sie auch eine Gastprofessur innehat. „Aber die Messungen werden immer genauer, sodass das immer unwahrscheinlicher wird“, so Heymans weiter.

Ob das Standardmodell letztendlich durch eine komplett neue Theorie abgelöst werden muss, zum Beispiel indem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ersetzt wird, können die Forscher noch nicht abschätzen. „Es gibt viele Theorien, die versuchen, die Messungen mit neuer Physik zu erklären“, so Hendrik Hildebrandt. „Als beobachtender Kosmologe versucht man, dabei unparteiisch zu bleiben und die Messungen ohne theoretische Vorurteile so genau wie möglich zu machen. Eins ist klar, wir leben in spannenden Zeiten!“

Noch größere Datenanalyse geplant
In ein bis zwei Jahren wird die finale Karte des Kilo-Degree Survey vorliegen, mit allen Beobachtungen, die in dem Projekt gemacht wurden. Sie wird noch einmal 30 Prozent größer sein als die aktuelle Karte.

Zwei weitere Projekte, ein US-amerikanisches und ein japanisches, arbeiten derweil an ähnlichen Analysen basierend auf Beobachtungsdaten. Ab 2022 wird noch bessere Messtechnik zur Verfügung stehen: das Rubin-Teleskop, das 60-mal leistungsfähiger ist als das VST, und der Euclid-Satellit, der außerhalb der Atmosphäre wesentlich schärfere Bilder wird aufnehmen können als die erdgebundenen Teleskope. Viele Mitglieder des Kilo-Degree-Survey-Konsortiums werden auch an diesen Projekten beteiligt sein.

Kilo-Degree Survery
Der Kilo-Degree Survey ist ein internationales Projekt, das von Astronominnen und Astronomen in den Niederlanden, Schottland, England und Deutschland geleitet wird. Der Projektkoordinator ist Prof. Dr. Koen Kuijken vom niederländischen Leiden Observatory. Weitere Partner kommen aus Italien, Australien, Polen, den USA und China.

Originalveröffentlichung
Alle Paper wurden online vorab veröffentlicht unter https://kids.strw.leidenuniv.nl/KiDS-1000.php.

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• Dunkle Materie

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