Quelle: Universität Bonn 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Heute veröffentlicht das Euclid-Projektkonsortium die ersten wissenschaftlichen Publikationen zu Beobachtungen mit dem Euclid-Weltraumteleskop. In einer ersten frühen Beobachtungsphase konnten bereits einige wissenschaftlich spektakuläre Ergebnisse erzielt werden. Diese geben einen Vorgeschmack auf die beispiellosen Fähigkeiten des Teleskops, welches im Verlauf der nächsten Jahre eine der genauesten Karten der zeitlichen Entwicklung unseres Universums erstellen soll. Alle fünfzehn Publikationen werden ab morgen auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht. Nach Abschluss der fachlichen Begutachtung erscheinen sie dann auch in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics”.

Die Entdeckung freifliegender, frisch geborener Planeten, die Untersuchung der Kugelsternhaufen-Population nahegelegener Galaxien, die Entdeckung neuer leuchtschwacher Galaxien und Zwerggalaxien in nahen Galaxienhaufen, die Verteilung der Dunklen Materie und der leuchtenden Materie zwischen den Galaxien von Galaxienhaufen und die Untersuchung weit entfernter, mittels Gravitationslinsen vergrößerter Galaxien werden in einer Serie von zehn Veröffentlichungen beschrieben. Zeitgleich mit diesen ersten wissenschaftlichen Ergebnissen veröffentlicht das Euclid-Konsortium heute in fünf weiteren umfangreichen Artikeln die technischen Grundlagen der Mission. Diese zeigen die herausragenden Qualitäten von Euclid und werden auf Jahre hinaus als Referenz für die Analyse der Euclid-Daten dienen.

Alle Veröffentlichungen wurden im Vorfeld bereits im Konsortium gesichtet und diskutiert, um schon vor dem Einreichen zur Begutachtung durch eine Fachzeitschrift ein homogenes Bild und ein einheitlich hohes Qualitätsniveau jeder Publikation sicherzustellen. Das Euclid-Konsortium betreibt zu diesem Zweck ein eigenes Editorial Office, welches unter dem Vorsitz von Prof. Peter Schneider am Argelander-Institut für Astronomie (AIfA) der Universität Bonn angesiedelt ist. Die koordinierte zeitgleiche Einreichung von fünfzehn Artikeln mit zum Teil mehr als eintausend Autoren stellte eine besondere Herausforderung dar. Patrick Simon, der das Editorial Office operativ betreut, freut sich: “Mit diesem Satz von Publikationen präsentiert sich Euclid endgültig der breiten wissenschaftlichen Öffentlichkeit. Die Referenzpublikationen geben eine umfassende Beschreibung aller Aspekte der Mission, und die erste Analyse der Daten zeichnet ein beeindruckendes Bild vom wissenschaftlichen Potenzial Euclids.”

Referenzpublikationen
Ein Überblick-Artikel beschreibt die wissenschaftlichen Ziele der Euclid-Mission, die technischen Einzelheiten des Satelliten, den Beobachtungsplan, die Datenprodukte, die Pläne zur Datenanalyse und die erwarteten Resultate. Dieser Artikel stellt die Referenz für alle dar, die an den Euclid-Daten und den wissenschaftlichen Ergebnissen interessiert sind. Yannick Mellier, Leiter des Euclid-Konsortiums, unterstreicht: “Diese Arbeit fasst all die herausragenden Ergebnisse der mehr als zehnjährigen Entwicklungszeit zusammen. Euclid übertrifft bereits jetzt unsere Erwartungen und wird die Erforschung nicht nur des dunklen Universums, sondern beinahe aller Bereiche der Astronomie an vorderster Front vorantreiben.”

Drei Veröffentlichungen beschreiben detailliert die Spezifikationen, das Design, die Entwicklung und die Aufgaben der wissenschaftlichen Instrumente von Euclid. Die VIS-Kamera (für “visual” = ”sichtbar”) ist eine 609-Megapixel-Kamera, die im sichtbaren Licht arbeitet; das NISP-Instrument (für “nah-infrarot Spektrometer und Photometer”) bildet infrarotes Licht in mehreren Wellenlängenbereichen ab und kann zudem spektroskopisch beobachten. Die Kombination dieser beiden Kameras stellt die Kernkompetenz von Euclid dar. Erste Tests haben gezeigt, dass beide Instrumente die Erwartungen voll erfüllen. Sie werden über die kommenden Jahre exzellente Daten liefern, um die großskaligen Strukturen im Universum und ihre Entwicklung abzubilden. Dies soll beispielsweise helfen, die Natur der Dunklen Energie weiter zu erforschen oder die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie bei großen Entfernungen zu testen.

Die fünfte Publikation beschreibt den “Flagship”-Galaxienkatalog, einen simulierten Katalog von Milliarden von Galaxien. Dieser basiert auf der Flagship-Simulation des Euclid-Konsortiums, der größten jemals ausgeführten kosmologischen Simulation. Ursprünglich entwickelt, um im Vorfeld des Missionsstarts die wissenschaftliche Analyse der Euclid-Daten vorzubereiten und zu testen, werden diese Simulationen nun verwendet, um mögliche systematische Messfehler in den Daten zu identifizieren und zu korrigieren.

Erste wissenschaftliche Bilder, Analysen und Publikationen
In den ersten Monaten der Euclid-Mission, noch während der Test- und Einrichtungsphase, wurden einige ausgesuchte Ziele beobachtet, welche die Brillanz der Aufnahmen und das vielfältige wissenschaftliche Potenzial der Euclid-Daten demonstrieren sollten. Insgesamt wurden vierundzwanzig Stunden auf diese frühen Beobachtungen verwendet. Fünf Aufnahmen wurden bereits im November 2023 veröffentlicht, einen weiteren Satz veröffentlicht die ESA heute, am 23. Mai 2024.

Das Euclid-Konsortium konnte bereits eine erste wissenschaftliche Analyse einiger dieser frühen Aufnahmen (“Early Release Observations”, ERO) durchführen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden heute der Öffentlichkeit zugänglich gemacht und demonstrieren die breite Vielfalt an astronomischen Untersuchungen, die durch Euclid möglich werden.

Bei den Untersuchungen wurden frei fliegende, gerade erst entstandene Planeten in Sternentstehungsregionen entdeckt; die Struktur ausgewählter Kugelsternhaufen der Milchstraße konnte bis in die äußeren Randbereiche vermessen werden; die detaillierte Morphologie und Zusammensetzung einiger naher Galaxien wurde untersucht; die Verteilung von Kugelsternhaufen im Fornax-Galaxienhaufen konnte mit bislang unerreichter Genauigkeit vermessen werden. Die Untersuchung des nahen Perseus-Galaxienhaufens führte zu einer Verdoppelung der bekannten Zwerggalaxien und zur Entdeckung, dass Sterne und Kugelsternhaufen im freien Raum zwischen den Galaxien mit einem Drittel zur Leuchtkraft des Haufens beitragen. Die Beobachtung zweier Gravitationslinsenhaufen führte nicht nur zur Entdeckung stark verzerrter Hintergrundobjekte, sondern auch zur Identifikation von neunundzwanzig Kandidaten für Galaxien aus der frühesten Epoche unserers Universums.

“Die Leistungsfähigkeit von Euclid zeigt sich in der Kombination aus dem außerordentlich großen Bildfeld, der sehr stabilen Optik und der breiten spektralen Abdeckung vom Optischen bis ins Nah-Infrarote. Das erlaubt es uns, die unterschiedlichsten Objekte und Skalen in einer einzigen Aufnahme einzufangen. Die ERO geben nur einen kleinen Vorgeschmack auf die zu erwartenden Ergebnisse der Euclid-Mission”, betont Reiko Nakajima vom AIfA der Universität Bonn, die als Instrument-Wissenschaftlerin verantwortlich für die Bildqualität des optischen VIS-Instruments ist. Tatsächlich konnten all diese spektakulären Beobachtungen bereits innerhalb eines kurzen Zeitraumes gemacht werden, der weniger als 0,1% der gesamten geplanten Beobachtungszeit von Euclid ausmacht.

Alle fünfzehn Publikationen werden ab morgen auf dem Preprint-Server arXiv veröffentlicht. Nach Abschluss der fachlichen Begutachtung erscheinen sie dann auch in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift “Astronomy & Astrophysics”. Die ERO-Aufnahmen werden zusammen mit den Originaldaten von der ESA zum Download bereitgestellt.

Zukünftige geplante Meilensteine der Euclid-Mission
Die nächsten geplanten Datenveröffentlichungen des Euclid-Konsortiums werden die Kernziele des Projekts zum Inhalt haben: Ein erster öffentlicher Zugang zu den regulären wissenschaftlichen Daten wird mit einem “Quick Release” im Frühjahr 2025 möglich; die Daten des ersten Jahres des regulären Beobachtungsprogramms, der am Ende ein Drittel des gesamten Himmels abdecken wird, sollen im Somer 2026 öffentlich werden. In weiteren Datenreleases in den Folgejahren werden dann sukzessive die jeweiligen Projektfortschritte öffentlich zugänglich gemacht, bis zur Vollendung des nominellen Beobachtungsprogramms im Jahr 2031.

Das Euclid-Konsortium
Das Euclid-Konsortium verantwortet zusammen mit der Europäischen Weltraumagentur (ESA) die Planung, den Bau und den Betrieb des Weltraumteleskops Euclid. Ziel des Projekts ist die Kartierung der dunkelsten Regionen des Himmels über einen Zeitraum von sechs Jahren hinweg. Die umfassenden Daten sollen insbesondere neue Einblicke in die Natur der Dunklen Energie und der Dunklen Materie geben. Das Teleskop wurde am 1. Juli 2023 erfolgreich in den Weltraum gestartet und hat nach einer gut halbjährigen Einrichtungsphase am 14. Februar 2024 mit seinem regulären Beobachtungsprogramm begonnen.

Das Euclid-Konsortium setzt sich aus mehr als 2600 Mitgliedern zusammen, darunter mehr als 1000 aktive Wissenschaftler aus über 300 Forschungsinstituten in 15 europäischen Ländern sowie in Japan, Kanada und den USA.

Übersicht der Referenz- und ERO-Publikationen:
https://www.euclid-ec.org/science/publications/

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: MPE 23. Mai 2024.

23. Mai 2024 – Heute veröffentlicht die ESA-Weltraummission Euclid fünf neue, spektaktuläre Ansichten des Universums. Die noch nie zuvor gezeigten Bilder zeigen, dass Euclid in der Lage ist, die Geheimnisse des Kosmos zu entschlüsseln, und ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach fremden Planeten zu suchen, Galaxien mit dem Gravitationslinseneffekt zur Untersuchung geheimnisvoller Materie zu nutzen und die Entwicklung des Universums zu erforschen. Die neuen Bilder begleiten die ersten wissenschaftlichen Daten der Mission, die ebenfalls heute veröffentlicht wurden, sowie mehrere wissenschaftliche Arbeiten. Im Fokus der ersten Datenanalyse stand unter anderem der Perseus-Galaxienhaufen, bei dem Wissenschaftler unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching das schwache Licht innerhalb des Galaxienhaufens untersuchten.

Im Vorfeld der anstehenden Euclid-Hauptdurchmusterung beobachtete das Weltraumteleskop 17 astronomische Objekte, von nahen Gas- und Staubwolken bis hin zu weit entfernten Galaxienhaufen. Euclid wird die verborgenen, netzartigen Stukturen des Kosmos aufzeichnen, Milliarden von Galaxien in mehr als einem Drittel des Himmels kartieren, erforschen, wie sich unser Universum im Laufe der kosmischen Geschichte entwickelt hat, und die geheimnisvollsten seiner grundlegenden Bestandteile untersuchen: dunkle Energie und dunkle Materie.

Die Bilder sind weit mehr als nur schöne Schnappschüsse. Dank der neuartigen Beobachtungsmöglichkeiten von Euclid enthüllen sie neue physikalische Eigenschaften des Universums, die in einer Reihe von Veröffentlichungen der Euclid-Kollaboration näher erläutert werden (siehe ESA-Pressemitteilung). Euclid erstellte den neuen Katalog an nur einem einzigen Tag und entdeckte dabei mehr als elf Millionen Objekte im sichtbaren Licht und weitere fünf Millionen im Infrarotlicht. Daneben werden in fünf weiteren Arbeiten wichtige Aspekte der Euclid-Mission näher beschrieben.

Euclids Bild des Perseus-Galaxienhaufens wurde vor nur sechs Monaten als eines der ersten Bilder des Weltraumteleskops veröffentlicht. Perseus ist eines der spektakulärsten Objekte in unserer kosmischen Nachbarschaft: Er befindet sich in einer Entfernung von „nur“ 240 Millionen Lichtjahren (bei einer Rotverschiebung von z = 0,018) und ist der hellste Röntgenhaufen. Mit seiner hohen Gesamtmasse von 650 Billionen Sonnenmassen bindet seine Schwerkraft Tausende von Galaxien aneinander.

Zum ersten Mal konnte ein Team angeführt vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik nun auch das diffuse Licht aus dem Perseus-Galaxienhaufen bis in die Randbereiche des Haufens analysieren. „Euclid bietet sowohl die nötige Empfindlichkeit als auch ein großes Gesichtsfeld, um das schwache Licht im Perseus-Haufen aufzufangen,“ sagt Matthias Kluge, Hauptautor der Studie, die nun zusammen mit 14 anderen Arbeiten veröffentlicht wurde. „Dieses Licht ist etwa 100.000-mal schwächer im Infraroten als der dunkelste Nachthimmel auf der Erde. Trotzdem macht es aufgrund seiner großen Ausdehnung rund 20% der Gesamt-Leuchtkraft des Haufens aus.“

Darüber hinaus nutzte das Team die hervorragenden Abbildungseigenschaften von Euclid im sichtbaren Licht – vergleichbar mit denen des Hubble-Weltraumteleskops – um 50.000 frei fliegende Kugelsternhaufen zu entdecken. Die Eigenschaften der Kugelsternhaufen und die bläuliche Farbe des diffusen Lichts deuten auf einen gemeinsamen Ursprung hin: Zum einen stammen sie aus den metallarmen Außenbereichen massereicher Haufengalaxien, die durch die Gezeitenkräfte des Haufens abgestreift wurden. Zum anderen steigt mit zunehmender Entfernung vom Haufenzentrum der Anteil der Zwerggalaxien, die ebenfalls durch die starken Gezeitenkräfte vollständig zerrissen wurden.

In einer weiteren Studie wurden zahlreiche noch existierende Zwerggalaxien im Perseus-Haufen nachgewiesen. Raphael Zöller vom MPE und der LMU war maßgeblich an den Messungen beteiligt: „Euclid befindet sich am zweiten Lagrange-Punkt weit außerhalb der Erdatmosphäre. Dank des dunklen Bildhintergrundes, der exzellenten Bildauflösung und des großen Gesichtsfeldes konnten wir 1100 Zwerggalaxien nachweisen, darunter Hunderte mit viel schwächerer Leuchtkraft als jemals zuvor im Perseus-Galaxienhaufen.“

Hintergrundinformationen
Euclid ist eine Weltraummission der Europäischen Weltraumagentur (ESA) mit Beiträgen der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Im „Cosmic Vision“-Programm der ESA ist es die zweite M-Klasse-Mission.

VIS und NISP wurden von einem Konsortium aus Wissenschaftlern und Ingenieurinnen aus 17 Ländern entwickelt und gebaut, viele aus Europa, aber auch aus den USA, Kanada und Japan. Aus Deutschland beteiligen sich das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, das Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching, die Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München, die Universität Bonn (UB), die Ruhr-Universität Bochum (RUB) sowie die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die deutschen ESA-Beiträge und stellt darüber hinaus aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm Fördermittel in Höhe von 60 Millionen Euro für die beteiligten deutschen Forschungsinstitute zur Verfügung.

Deutschland ist mit rund 21 Prozent der größte Beitragszahler im ESA-Wissenschaftsprogramm.

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• Weltraumteleskop EUCLID

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Quelle: Universität zu Köln 7. Februar 2024.

7. Februar 2024 – Deutschland und Italien haben ein Abkommen zur vertieften Zusammenarbeit im Bereich Meteorologie und Klimatologie geschlossen. Ziel des Abkommens ist die systematische Stärkung der Forschung und der bilateralen Zusammenarbeit in der Wetter- und Erdbeobachtung. Eine entsprechende Regierungsübereinkunft unterzeichneten in Berlin Stefan Schnorr, Staatssekretär im Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV), seine Amtskollegin im Auswärtigen Amt, Jennifer Morgan, und der italienische Botschafter Armando Varricchio.

Das Abkommen schafft einen rechtsverbindlichen Rahmen für verschiedene Vorhaben, die damit langfristig geplant und umgesetzt werden können. Für die Erdbeobachtung in Europa setzen Deutschland und Italien – nicht zuletzt in ihren Rollen als Gaststaaten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) – damit ein starkes Zeichen. Es geht darum, die Forschung im Bereich Erdbeobachtung zu stärken. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen auch in den operativen Betrieb der Wetterdienste einfließen. So kann etwa die Qualität der Wettervorhersagen in den Schwerpunktbereichen Dürre und Überflutung verbessert werden. Deutschland wie Italien waren von diesen Extremwetterereignissen in den vergangenen Jahren verstärkt betroffen.
Das Abkommen umfasst im Wesentlichen folgende Vorhaben:

1. Einrichtung eines gemeinsamen Masterstudiengangs zwischen der Universität Bologna und dem Forschungsverbund Center for Earth System Observation and Computational Analysis (CESOC), einer Kooperation der Universität Köln, Universität Bonn und Forschungszentrum Jülich.
2. Aufbau eines deutsch-italienischen Fortbildungsnetzwerks zwischen den deutschen und italienischen Hochschulen, Forschungseinrichtungen sowie Wetter- und Klimadiensten „Italia – Deutschland science-4-services network in weather and climate“ (IDEA-S4S). Finanziert werden Doktorandenstellen, wissenschaftliche Nachwuchsgruppen und Forschungsaufenthalte. Der Schwerpunkt liegt auf den Themen Dürre und Überflutung.
   Prof. Dr. Susanne Crewell, Gründungsdirektorin von CESOC: „Wir freuen uns, dass nach dem langen Weg der Vorbereitung das Abkommen zwischen Deutschland und Italien unterschrieben worden ist. CESOC und die Universität Bologna können schon erste Zusammenarbeiten vorweisen und jetzt auch mit offizieller Unterstützung den nächsten Schritt der Masterstudiengangseinrichtung einschlagen.“

Weitere Informationen:
https://cesoc.net/

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Bonn 1. Dezember 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Expansion des Universums

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Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 3. August 2023.

3. August 2023 – Forschende aus der ganzen Welt suchen mit dem Kooperationsprojekt Belle II am japanischen Forschungszentrum KEK nach neuen Phänomenen in der Teilchenphysik. Nun wurde ein bedeutender Meilenstein für das internationale Belle II-Experiment erreicht: Ein Team installierte den neuen Pixel-Detektor erfolgreich an seinem endgültigen Standort in Japan. Der Detektor von der Größe einer Getränkedose wurde entwickelt, um die Signale bestimmter Teilchenzerfälle zu erkennen. Sie sollen Aufschluss über die Herkunft des beobachteten Ungleichgewichts von Materie und Antimaterie im Universum geben. Die reibungslose Installation markiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung des Experiments und der Forschungszusammenarbeit zwischen Deutschland und Japan.

Belle II ist ein internationales Kollaborationsprojekt von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, das am SuperKEKB-Beschleuniger des KEK-Forschungszentrums in Japan durchgeführt wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, Antworten auf die vielen offenen Fragen hinsichtlich des Universums zu finden. Hierfür suchen die rund 1200 Mitglieder der internationalen Belle II-Kollaboration nach Hinweisen für neue Physikphänomene und unbekannte Teilchen jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik.

Mit der Installation endete für den Detektor auch eine lange Reise: quer durch Deutschland von München, via mehrere deutsche Institute, darunter die Universität Bonn, nach Hamburg ans Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) und von dort aus schließlich tausende Kilometer ostwärts nach Japan zum Standort von Belle II, dem SuperKEKB-Elektron-Positron-Kollider. Die Luftreise brachte neue Herausforderungen mit sich: unerwartete Turbulenzen und unsachgemäße Handhabung während des Transports hätten leicht einen der empfindlichen Sensoren zerbrechen können. Ein eigens dafür angefertigter Koffer schützte deshalb den Detektor, um Vibrationen zu minimieren.

Beitrag der Universität Bonn
Mitglieder der Universität Bonn waren am Einbau des Detektors in Japan maßgeblich beteiligt. “Die Installation des Pixel-Detektors verlief äußerst zufriedenstellend und ohne größere Schwierigkeiten”, sagt Botho Paschen, technischer Koordinator des Pixel-Detektor-Projekts und Wissenschaftler der Universität Bonn. Der Erfolg sei das Ergebnis der harten Arbeit und des Engagements eines hervorragenden Teams, das über Jahre hinweg daran gearbeitet hat, den Detektor zu entwickeln und für die Installation vorzubereiten. Insbesondere der sehr begrenzte Platz machte den Einbau zu einer äußerst herausfordernden Aufgabe. Paschen: “Der nächste wichtige Schritt ist nun die Inbetriebnahme des Detektors, damit wir Anfang 2024 neue Kollisionsdaten aufzeichnen können.”

Prof. Dr. Florian Bernlochner, Belle II-Gruppenleiter an der Universität Bonn, betonte die Bedeutung des neuen Detektors für die physikalischen Ziele des Experiments: “Der Pixel-Detektor ist das entscheidende Instrument, um präzise Messungen von Lebensdauern von schweren Quarks zu ermöglichen. Mit diesen Messungen können wir die Verletzung einer der grundlegendsten Symmetrien der Natur, die Ladung-Parität-Symmetrie, genauer untersuchen.” Die Verletzung dieser Symmetrie ist eine von drei Bedingungen, die erfüllt sein müssen, um zu erklären, warum das heutige Universum fast ausschließlich aus Materie besteht. “Durch Belle II werden wir ein noch präziseres Verständnis entwickeln, warum sich Materie und Antimaterie unterschiedlich verhalten und ob es in den Zerfällen von schweren Quarks Beiträge von bisher noch nicht entdeckten Teilchen oder Kräften gibt”, ergänzt Bernlochner.

Die Zerfallsprodukte der schweren Quarks weisen eine relativ geringe Energie auf und werden leicht gestört, wenn sie das Detektormaterial durchqueren. Deshalb war es für Belle II notwendig, dass die dem Kollisionspunkt der Teilchenstrahlen am nächsten gelegenen Detektorelemente so leicht wie möglich sein müssen, was den Pixel-Detektor sehr fragil und seine Installation sehr anspruchsvoll machte. Der Detektor besteht aus 20 Silizium-Streifen, die 75 Mikrometer dick sind – das entspricht der Breite eines menschlichen Haares.

Die extrem dünnen DEPFET (DEPleted Field Effect Transistor)-Sensoren wurden am Halbleiter-Labor der Max-Planck-Gesellschaft entwickelt. Die Streifen sind in zwei konzentrischen zylindrischen Schichten angeordnet, wobei die innere Schicht nur 1,4 cm von der Strahllinie entfernt ist. Nach dem erfolgreichen Einbau ist Belle II nun mit dem weltweit dünnsten Pixel-Detektor instrumentiert, so das Team.

Der neuartige Detektor ist darauf ausgelegt, bis zu 50.000 hochauflösende Bilder pro Sekunde von den Zerfällen der reichlich produzierten schweren Quarks am SuperKEKB zu liefern. Die DEPFET Sensortechnologie des Pixel-Detektors lässt sich auch für weitere Zwecke vielfältig einsetzen: zum Beispiel für Röntgen-Satelliten-Missionen, für die Suche nach sterilen Neutrinos oder Dunkler Materie oder in der medizinischen Bildgebung.

Forschung, die die Struktur der Materie auf kleinsten Längenskalen vermisst, erfordert die Entwicklung immer leistungsfähigerer Detektoren. Das Forschungs- und Technologiezentrum für Detektorphysik (FTD) der Universität Bonn bietet den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hierfür ein ideales Umfeld mit moderner Infrastruktur. Im FTD befindet sich auch das Siliziumlabor (SILAB) der Universität Bonn, wo die Module für den Pixel-Detektor über mehrere Jahre hinweg charakterisiert und untersucht wurden. “Die erfolgreiche Installation des Detektors ist das Ergebnis einer langjährigen, fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Institutionen und Forschungszentren”, sagt FTD-Co-Sprecher und Leiter des SILAB Prof. Dr. Jochen Dingfelder, der gemeinsam mit Prof. Dr. Norbert Wermes an der Entwicklung des Pixel-Detektors über viele Jahre hinweg maßgeblich beteiligt war. “Es freut mich zu sehen, wie unsere gemeinsamen Anstrengungen zu einem solchen bahnbrechenden Erfolg geführt haben.” Die Bonner Gruppe dankt allen Beteiligten in Japan, Europa und Deutschland herzlich für ihre harte Arbeit und ihr Engagement.

Förderung
Der Pixel-Detektor wurde in enger Zusammenarbeit von führenden deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen im Rahmen der internationalen PXD-Kollaboration entwickelt. Die Universitäten Bonn, Mainz, Gießen, Göttingen, KIT, LMU und TUM sowie das Max-Planck-Institut für Physik (MPP), das Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG-HLL) und das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) haben gemeinsam an der Entwicklung des Detektors gearbeitet. Die Entwicklungen wurden maßgeblich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn 20. März 2023.

20. März 2023 – Die Physikerinnen und Physiker erhoffen sich, durch ihre neue Entdeckung die Natur dieser fast masselose Elementarteilchen besser verstehen zu können. Die Ergebnisse wurden am vergangenen Wochenende bei der 57. Moriond-Konferenz in Italien vorgestellt und werden demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur wissenschaftlichen Begutachtung eingereicht.

Neutrinos wurden 1956 erstmalig entdeckt und spielen unter anderem eine Schlüsselrolle bei dem Prozess, der Sterne brennen lässt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich durch die Erforschung der Neutrinos neue Erkenntnisse über energiereiche Objekte im Universum.

„Neutrinos sind Teilchen, von denen wir wissen, dass sie existieren“, sagt Prof. Dr. Florian Bernlochner vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Sie waren sehr wichtig für die Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Aber bisher wurde kein Neutrino, das an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, jemals durch ein Experiment direkt nachgewiesen.“

In der aktuellen Studie entdeckten Bernlochner und seine Kollegen jetzt die Neutrinos aus einer ganz neuen Quelle – aus Teilchenbeschleunigern, in denen zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenstoßen, um die Neutrinos zu erzeugen. Es ist das jüngste Ergebnis des Forward Search Experiments, kurz FASER genannt. Dabei handelt es sich um einen Teilchendetektor, der am Kernforschungszentrum CERN in Genf (Schweiz) installiert ist. FASER spürt dort Teilchen auf, die vom Large Hadron Collider (LHC) des CERN erzeugt werden. Im Vergleich zu typischen Teilchendetektoren zeichnet sich FASER dadurch aus, dass der Aufbau relativ klein ist – er passt in einen kleinen Seitentunnel am CERN.

Beschleuniger wie der LHC produzieren reichlich Neutrinos und Antineutrinos aller Arten – auch bei sehr hohen Energien, wo Neutrino-Wechselwirkungen noch nicht beobachtet werden konnten. Ein Grund, warum Beschleuniger-Neutrinos bisher unentdeckt blieben, ist ihre extrem schwache Wechselwirkung. Außerdem werden die Neutrinos mit der höchsten Energie, bei denen die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit am größten ist, vorwiegend parallel zur Strahlachse produziert. Dort haben die Beschleuniger-Detektoren typischerweise Löcher, um die kollidierenden Teilchenstrahlen passieren zu lassen.

Mehr als 150 beobachtete Neutrino-Ereignisse
Für die aktuelle Studie wurden 153 Neutrino-Ereignisse in LHC-Kollisionsdaten nachgewiesen, die zwischen Juli und November 2022 aufgezeichnet wurden. Die nachgewiesenen Neutrinos wechselwirken mit einem sogenannten Emulsionsdetektor mit Wolframplatten und verwandeln sich dabei in Myonen, also andere Elementarteilchen. Diese können wiederum mit dem FASER-Detektor und dessen Spektrometer nachgewiesen werden.

Die meisten bisher von Physikerinnen und Physikern untersuchten Neutrinos sind niederenergetisch. „Die von FASER entdeckten Neutrinos sind jedoch die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, und ähneln den Neutrinos, die man findet, wenn Teilchen aus dem Weltraum in unserer Atmosphäre sogenannte Teilchenschauer auslösen“, sagt FASER-Gruppenleiter Florian Bernlochner. Diese sehr hochenergetischen Neutrinos im LHC seien wichtig, um rätselhafte Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen. „Sie können uns etwas über den Weltraum verraten, was wir auf andere Weise nicht erfahren können“, sagt Tobias Böckh vom Physikalischen Institut der Universität Bonn, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Studie beteiligt war. Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Entfernungen zurücklegen und mit der Erde kollidieren.

In Folgestudien wollen die Forschenden nun weitere Eigenschaften der Neutrinos untersuchen. Sie sollen neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der geisterhaften Teilchen bei hohen Energien liefern.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren weltweit 21 Universitäten und das CERN in Genf beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Heising-Simons-Foundation, die National Science Foundation, den Europäischen Forschungsrat und die Schweizerische Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung.

Originalpublikation:
H. Abreu et al.: First Observation of Collider Neutrino Events with the FASER Detector at the LHC FASER Collaboration. Preprint in Kürze verfügbar.

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• Neutrinos

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Quelle: Universität Bonn 23. November 2022.

23. November 2022 – Forschende der Universität Bonn haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich der Wasserstand von Flüssen rund um die Uhr überwachen lässt. Der kostengünstige Sensor eignet sich etwa für flächendeckende Hochwasser-Warnsysteme. Die Studie ist in der Zeitschrift Water Resources Research erschienen.

Es gibt eine ganze Reihe von Methoden, den Pegel eines Wasserlaufs zu bestimmen – von sehr einfachen (per Messlatte) bis hin zu High-Tech-Lösungen per Radar. Doch alle haben einen Haken: Die meisten Messgeräte können durch Hochwasser beschädigt werden, viele erlauben keine kontinuierliche Überwachung, ihre Fernablesung gestaltet sich schwierig oder sie sind einfach zu teuer.

In Wesel am Niederrhein verrichtet dagegen bereits seit zwei Jahren ein Messgerät seinen Dienst, das diese Nachteile nicht hat: Es ist kostengünstig, zuverlässig und dazu in der Lage, den Pegelstand per Mobilfunk kontinuierlich an ein Auswertungs-Zentrum zu übermitteln. Damit eignet es sich im Prinzip zur engmaschigen Warnung vor Hochwasser- und Dürre-Ereignissen.

„Kern unseres Geräts ist ein kostengünstiger GNSS-Empfänger“, erklärt Dr. Makan Karegar vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. Das sind Sensoren, die die Position ihres Standorts auf wenige Meter genau bestimmen können. Dazu nutzen sie unter anderem die GPS-Satelliten der USA sowie ihre russischen Pendants, GLONASS. „Mit Hilfe der Satellitensignale lässt sich aber auch der Abstand der GNSS-Antenne zur Oberfläche eines Flusses messen“, sagt Karegar.

Reflektierte Signale erlauben Rückschlüsse auf den Wasserstand
Denn die von den Satelliten ausgesandten Wellen werden nur zum Teil direkt von der Antenne aufgefangen. Der Rest wird von der Umgebung (in diesem Fall der Wasseroberfläche) reflektiert und gelangt über diesen Umweg zum Empfänger. Dieser reflektierte Anteil ist daher länger unterwegs. Er bildet bei der Überlagerung mit dem direkt empfangenen Signal bestimmte Muster, Interferenzen genannt. Aus ihnen lässt sich der Abstand der Antenne zum Wasserspiegel errechnen.

„Wir können das GNSS-Gerät an jeder Struktur anbringen, sei es einer Brücke, einem Gebäude oder einem Baum oder Zaun neben dem Fluss“, erläutert Karegar. „Von dort kann es berührungslos rund um die Uhr den Flusspegel messen – im Schnitt auf 1,5 Zentimeter exakt. Dabei ist es selbst im Falle eines Hochwassers nicht gefährdet.“ Die Genauigkeit des Verfahrens kommt zwar nicht an die eines radargestützten Pegelmessers heran. Für die angedachten Einsatzzwecke reicht sie aber voll und ganz aus. Zudem ist das Gerät mit knapp 150 Euro auch erheblich günstiger als sein High-Tech-Pendant.

Die GNSS-Antenne ist mit einem Minicomputer verbunden, einem sogenannten Raspberry Pi. „Das Gerät ist etwa so groß wie ein kleines Smartphone; dennoch hat es genug Leistung, um aus den Rohdaten den Wasserstand berechnen zu können“, betont Prof. Dr. Kristine Larson vom Institut für Geodäsie und Geoinformation. Der Minicomputer ist aufgrund seiner Flexibilität und seines geringen Stromverbrauchs unter Bastlern sehr beliebt, die damit verschiedenste Projekte realisieren. Er lässt sich problemlos über Solarzellen mit Strom versorgen und arbeitet dann völlig autark. Seine Messdaten übermittelt er per Mobilfunk.

Informationen zum Nachbau im Internet
„Die von uns geschriebene Software ist Open Source“, erläutert Larson. „Sie kann also von jedem ohne Gebühren genutzt werden.“ Im Internet stellen die Forschenden zudem sämtliche Informationen zu ihrem Projekt bereit. Interessentinnen und Interessenten können das Messgerät also problemlos nachbauen.

Einen Nachteil hat das Verfahren allerdings: Es ist nur für Flussläufe mit einer Breite von mindestens 40 Metern geeignet. „Das ist der kleinste Radius, aus dem die Antenne das reflektierte Satellitensignal empfängt“, sagt Karegar. „Wenn der Wasserlauf zu schmal ist, stammt ein zu großer Anteil der Reflektionen von Uferbereichen.“ Die Beteiligten planen aber, ihren Auswertungscode weiter zu optimieren. Sie hoffen so, auch bei kleineren Flüssen wie der Ahr noch zu sicheren Messergebnissen kommen zu können.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie war neben der Universität Bonn die Federal University of Rio Grande do Sul in Brasilien beteiligt. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das National Council for Scientific and Technological Development Brasilien (CNPq) sowie die Rio Grande do Sul State Research Funding Agency (Fapergs) gefördert.

Weitere Informationen:
https://github.com/MakanAKaregar/RPR

Originalpublikation:
Makan A. Karegar et al.: Raspberry Pi Reflector (RPR): A Low-cost Water-level Monitoring System based on GNSS Interferometric Reflectometry; Water Resources Research; DOI: 10.1029/2021WR031713; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2021WR031713;

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• GPS

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Quelle: Universität Bonn 14. Oktober 2022.

14. Oktober 2022 – In Zeiten globaler Umweltveränderungen gilt es, das Wissen über die vielfältigen Prozesse des irdischen Klimasystems zu vertiefen. Eine präzise Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean, Eis, Boden, Vegetation und letztlich dem Menschen ist die Voraussetzung für bessere Wetter- und Klimamodelle. Hierbei spielt die Beobachtung der Erde eine zentrale Rolle, denn wer nicht umfassend beobachtet, kann auch keine präzisen Vorhersagen erstellen.

Das CESOC führt bedeutende Kernkompetenzen an den drei Standorten Bonn, Köln und Jülich enger zusammen. Vertreten sind die Meteorologie, Atmosphärenchemie, Hydrologie, Klimatologie und Paläoklimatologie, Bodenwissenschaften und oberflächennahe Geophysik, Pflanzen- und Agrarwissenschaften, Geodäsie, Fernerkundung, Geoinformatik sowie Mathematik, wissenschaftliches Rechnen und Informatik. Beteiligt sind die beiden Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultäten in Köln und Bonn sowie die Landwirtschaftliche Fakultät und die beiden Transdisziplinären Forschungsbereiche TRA1 „Modelling“ und TRA6 „Sustainable Futures“ der Universität Bonn. Im Forschungszentrum Jülich sind Institute für Energie- und Klimaforschung, für Bio- und Geowissenschaften sowie das Jülich Supercomputing Center Teil des neuen Zentrums. Die CESOC-Geschäftsstelle wurde an der Universität Bonn eingerichtet.

Die Rektoren der beiden Universitäten, die Dekane der beteiligten Fakultäten und der Vorstandsvorsitzende des Forschungszentrums Jülich haben in Bonn einen neuen Kooperationsvertrag unterzeichnet. Als Gründungsdirektoren zeichneten Prof. Dr. Jürgen Kusche von der Universität Bonn, Prof. Dr. Susanne Crewell von der Universität zu Köln und Prof. Dr. Astrid Kiendler-Scharr vom Forschungszentrum Jülich die Vereinbarung mit.

Das CESOC kooperiert eng mit dem Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) über seinen Standort in Bonn. Hierfür wurde nun auch eine förmliche Vereinbarung („Memorandum of Understanding“, MoU) geschlossen, die die Rektoren, Dekane und Direktoren der drei CESOC-Einrichtungen mit dem ECMWF, vertreten durch den Direktor der Copernicus Dienste, Dr. Jean-Noël Thépaut, nun unterzeichneten.

Das ECMWF ist eine zwischenstaatliche Organisation, dessen Kernaufgabe darin besteht, neue Möglichkeiten der mittelfristigen Wettervorhersage zu entwickeln und diese seinen Mitgliedstaaten und Nutzern auf der ganzen Welt zur Verfügung zu stellen. Es entwickelt und betreibt globale Modelle und Datensysteme für die Dynamik, Thermodynamik und Zusammensetzung der fluiden Hülle der Erde und der zusammenwirkenden Teile des Erdsystems.

Das CESOC und das ECMWF wollen künftig sehr eng zusammenarbeiten. Dazu wurde vereinbart, gemeinsame Projekte der Spitzenforschung in Zukunft aufrechtzuerhalten und weiter auszubauen und in der Aus- und Weiterbildung gemeinsame Wege zu gehen. Durch einen regen Austausch von Personal auf allen Qualifikationsebenen soll ein kontinuierlicher Wissenstransfer sichergestellt werden. Die Kooperationspartner wollen außerdem ihre Forschungsinfrastrukturen miteinander teilen und Forschungsergebnisse gemeinsam publizieren.

In einer gemeinsamen Erklärung betonten die drei Gründungsdirektor*innen Astrid Kiendler-Scharr, Susanne Crewell und Jürgen Kusche die Bedeutung des Zusammenschlusses: „Wir sind überzeugt, dass die heute vereinbarte Zusammenarbeit einen Meilenstein in der Erforschung des Erdsystems und der ihm zugrunde liegenden Zusammenhänge darstellt. Solche hochkomplexen Forschungsaufgaben können nur in der gemeinsamen Anstrengung exzellenter Partner bewältigt werden. Mit dem ECMWF entsteht im Rheinland ein einzigartiges Kompetenzzentrum für dieses Forschungsfeld.“

Die Generaldirektorin des ECMWF, Dr. Florence Rabier, sagte: „In unseren neuen Büros in Bonn sahen wir schon immer eine Gelegenheit, unsere Zusammenarbeit mit den nationalen meteorologischen Diensten unserer Mitgliedstaaten und auch mit deren akademischen Einrichtungen zu vertiefen. Dieses MoU mit dem CESOC ist das bestmögliche Beispiel für eine solche Zusammenarbeit, die wir mit diesen angesehenen Institutionen und ihren talentierten Wissenschaftler*innen weiter ausbauen wollen. Wir haben sehr hohe Erwartungen an das, was wir gemeinsam schaffen können, und in einer Zeit, in der Wetter und Klima die Welt auf kritische und oft tragische Weise beeinflussen, freuen wir uns darauf, unsere Kräfte mit den im CESOC versammelten Talenten zu bündeln.“

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• Planet Erde

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Quelle: Universität Bonn 5. August 2022.

5. August 2022 – Die Ergebnisse der Studie sprechen dafür, dass die Zwerggalaxien des zweitnächsten Galaxienhaufens der Erde – des sogenannten Fornax-Haufens – frei von solchen Halos aus Dunkler Materie sind. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen.

Zwerggalaxien sind kleine, schwache Galaxien, die normalerweise in Galaxienhaufen oder in der Nähe größerer Galaxien zu finden sind. Aus diesem Grund können sie von den Gravitationswirkungen ihrer größeren Begleiter beeinflusst werden. „Wir stellen eine innovative Methode zur Überprüfung des Standardmodells vor, die darauf beruht zu untersuchen, wie stark Zwerggalaxien durch die Schwerkraft von nahegelegenen größeren Galaxien gestört werden“, sagt Elena Asencio, Doktorandin an der Universität Bonn und Erstautorin der Studie. Solche Gezeiten entstehen, wenn die Schwerkraft eines Körpers auf verschiedene Teile eines anderen Körpers wirkt. Sie sind vergleichbar mit den Gezeiten auf der Erde – bestimmt durch den Mond, der wie ein Magnet an der ihm zugewandten Seite der Erde zieht.

Der Fornax-Haufen hat viele Zwerggalaxien. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass einige dieser Zwerggalaxien verzerrt erscheinen, als wären sie durch die Umgebung des Haufens gestört worden. „Solche Störungen in den Fornax-Zwergen erwartet man nach dem Standardmodell nicht“, sagt Prof. Dr. Pavel Kroupa von der Universität Bonn und der Karls-Universität in Prag. „Das liegt daran, dass nach diesem Modell die Halos aus Dunkler Materie die Zwerge größtenteils vor den Gezeiten des Haufens schützen.“

Das Team analysierte das erwartete Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge, das von ihren inneren Eigenschaften und ihrer Entfernung zum gravitativen Zentrum des Haufens abhängt: Galaxien mit großer Größe, aber geringer stellarer Masse und Galaxien in der Nähe des Haufenzentrums werden leichter gestört oder zerstört. Die Ergebnisse verglichen sie mit dem Störungsgrad, beobachtet aus Bildern des VLT Survey Teleskops der Europäischen Südsternwarte.

Das Ergebnis des Vergleichs: „Um die Beobachtungen mit dem Standardmodell zu erklären, müssten die Fornax-Zwerge bereits durch die Gravitation des Haufenzentrums zerstört werden, selbst wenn die Gezeiten, die auf einen Zwerg wirken, vierundsechzigmal schwächer sind als die Eigengravitation des Zwergs“, sagt Elena Asencio. Das sei nicht nur der Intuition widersprechend, sondern widerspreche auch früheren Studien, die zeigten, dass die externe Kraft, die nötig ist, um eine Zwerggalaxie zu stören, ungefähr so groß ist wie die Eigengravitation des Zwergs.

Widerspruch zum Standardmodell
Daraus schlossen die Autorinnen und Autoren, dass es im Standardmodell nicht möglich ist, die beobachteten Erscheinungsformen der Fornax-Zwerge auf eine in sich widerspruchsfreie Weise zu erklären. Das Team wiederholte die Analyse mithilfe der Milgromschen Dynamik (MOND). Nach dieser Theorie gehorcht die Anziehung zwischen zwei Massen nur bis zu einem bestimmten Punkt den Newton’schen Gesetzen. Bei sehr kleinen Beschleunigungen, wie sie in Galaxien vorherrschen, wird sie dagegen erheblich stärker. Daher reißen Galaxien durch ihre Drehgeschwindigkeit auch nicht auseinander.

„Wir waren uns nicht sicher, ob die Zwerggalaxien in der Lage sein würden, die extreme Umgebung eines Galaxienhaufens in MOND zu überleben, da es in diesem Modell keine schützenden Halos aus Dunkler Materie gibt“, sagt Dr. Indranil Banik von der University of St. Andrews. „Aber unsere Ergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Übereinstimmung zwischen den Beobachtungen und den MOND-Erwartungen für das Ausmaß der Störung der Fornax-Zwerge.“

„Es ist aufregend zu sehen, dass die Daten, die wir mit dem Survey Teleskop erhalten haben, einen so gründlichen Test kosmologischer Modelle ermöglichen“, betonen die Koautoren Aku Venhola von der Universität Oulu (Finnland) und Steffen Mieske von der Europäischen Südsternwarte.

Es sei nicht das erste Mal, dass eine Studie, die die Auswirkungen der Dunklen Materie auf die Dynamik und Entwicklung von Galaxien untersucht, zu dem Schluss komme, dass die Beobachtungen besser dadurch erklärt werden können, dass die Galaxien nicht von Dunkler Materie umgeben sind. „Die Anzahl der Veröffentlichungen, die Unvereinbarkeiten zwischen Beobachtungen und dem Paradigma der Dunklen Materie aufzeigen, nimmt jedes Jahr zu“, sagt Pavel Kroupa, Mitglied der Transdisziplinären Forschungsbereiche „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn. „Es ist an der Zeit, deutlich mehr Ressourcen in andere Theorien zu investieren.“

Dr. Hongsheng Zhao von der University of St. Andrews fügt hinzu: „Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Wir erwarten, dass wir mehr gestörte Zwerggalaxien in anderen Haufen finden, eine Vorhersage, die von anderen Teams überprüft werden sollte“.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren neben der Universität Bonn die University of Saint Andrews (Schottland), die Europäische Südsternwarte (ESO), die Universität Oulu (Finnland) und die Karls-Universität in Prag (Tschechien) beteiligt. Die Studie wurde gefördert durch die Universität Bonn, den britischen Science and Technology Facilities Council und den Deutschen Akademischen Austauschdienst.

Originalpublikation
Elena Asencio, Indranil Banik, Steffen Mieske, Aku Venhola, Pavel Kroupa & Hongsheng Zhao: The distribution and morphologies of Fornax Cluster dwarf galaxies suggest they lack dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; doi.org/10.1093/mnras/stac1765

https://arxiv.org/abs/2208.02265

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• Dunkle Materie

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Quelle: Universität Bonn.

4. Februar 2022 – Das Standardmodell der Kosmologie beschreibt, wie das Weltall nach Ansicht der meisten Physikerinnen und Physiker entstanden ist. Forschende der Universität Bonn haben nun auf seiner Basis die Entwicklung der Galaxien untersucht. Dabei sind sie auf erhebliche Abweichungen zu tatsächlichen Beobachtungen gestoßen. An der Studie waren auch die Universität von St. Andrews in Schottland sowie die Karls-Universität in Tschechien beteiligt. Die Ergebnisse sind jetzt im Astrophysical Journal erschienen.

Die meisten Galaxien, die von der Erde aus sichtbar sind, ähneln einer flachen Scheibe mit verdicktem Zentrum. Sie gleichen also in etwa dem Sportgerät eines Diskuswerfers. Laut Standardmodell der Kosmologie sollten solche Scheiben aber eher selten entstehen. Denn ihm zufolge ist jede Galaxie von einer Art Heiligenschein aus dunkler Materie umgeben. Dieser Halo ist unsichtbar, übt jedoch aufgrund seiner Masse eine starke Anziehungskraft auf Galaxien in der Umgebung aus. „Daher kommt es immer wieder dazu, dass Galaxien miteinander verschmelzen“, erklärt Prof. Dr. Pavel Kroupa vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Dieser Crash bewirke zweierlei, erläutert der Physiker: „Zum Einen durchdringen sich die Galaxien dabei, wodurch die Scheiben-Form zerstört wird. Zum Zweiten verringert sich durch ihn der Drehimpuls der durch die Fusion entstandenen neuen Galaxie.“ Vereinfacht gesagt, nimmt dadurch ihre Rotationsgeschwindigkeit stark ab. Die Drehbewegung sorgt normalerweise dafür, dass sich durch die dabei wirkenden Fliehkräfte eine neue Scheibe formiert. Ist der Drehimpuls dazu zu schwach, passiert das jedoch nur sehr langsam oder unterbleibt ganz.

Große Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität
In der aktuellen Studie hat Kroupas Doktorand Moritz Haslbauer eine internationale Forschungsgruppe geleitet, um den Werdegang des Universums anhand der aktuellsten Superrechner-Simulationen zu untersuchen. Die Berechnungen basieren auf dem Standardmodell; sie zeigen, welche Galaxien sich bis heute hätten bilden müssen, sollte diese Theorie korrekt sein. Ihre Ergebnisse verglichen die Forscher dann mit den momentan wohl genauesten Beobachtungsdaten des von der Erde sichtbaren Universums.

„Dabei sind wir auf eine erhebliche Diskrepanz zwischen Vorhersage und Realität gestoßen“, sagt Haslbauer: „Es gibt augenscheinlich deutlich mehr flache Scheibengalaxien, als sich durch die Theorie erklären lässt.“ Allerdings ist die Auflösung von Simulationen auch auf heutigen Supercomputern begrenzt. Es kann daher sein, dass die Zahl der Scheibengalaxien, die im kosmologischen Standardmodell entstehen würden, unterschätzt wurde. „Selbst wenn wir diesen Effekt berücksichtigen, bleibt aber ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Beobachtung“, betont Haslbauer.

Anders sieht es bei einer Alternative zum Standardmodell aus, die ohne Dunkle Materie auskommt. Nach der sogenannten MOND-Theorie (das Kürzel steht für „Theorie der MilgrOmscheN Dynamik) wachsen Galaxien nicht, indem sie miteinander verschmelzen. Stattdessen entstehen sie aus rotierenden Gaswolken, die sich mehr und mehr verdichten. Auch in einem MOND-Universum werden Galaxien immer größer, indem sie Gas aus der Umgebung aufnehmen. Fusionen ausgewachsener Galaxien wie im Standardmodell sind aber selten. „Unsere Bonn-Prag-Forschungsgruppe hat die weltweit einzigartige Fähigkeit aufgebaut, diese Alternative ebenfalls durchzurechnen“, sagt Kroupa, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn ist. „Die Vorhersagen von MOND entsprechen dem, was wir tatsächlich sehen.“

Herausforderung für das Standardmodell
Allerdings sind die genauen Mechanismen des Galaxien-Wachstums auch bei MOND noch nicht vollständig verstanden. Zudem haben in MOND die Newton’schen Gravitationsgesetze unter bestimmten Umständen keine Gültigkeit, sondern müssen abgeändert werden. Das hätte weitreichende Konsequenzen auch für andere Bereiche der Physik. „Dennoch löst die MOND-Theorie alle bekannten extragalaktisch-kosmologischen Probleme“, sagt Dr. Indranil Banik, der maßgeblich an diesen Untersuchungen beteiligt war. „Unsere Studie belegt, dass junge Physikerinnen und Physiker auch heute noch die Chance haben, bedeutende Beiträge zur fundamentalen Physik zu leisten“, ergänzt Kroupa.

Publikation:
Moritz Haslbauer, Indranil Banik, Pavel Kroupa, Nils Wittenburg und Behnam Javanmardi: The high fraction of thin disk galaxies continues to challenge ΛCDM cosmology; Astrophysical Journal; DOI: 10.3847/1538-4357/ac46ac;
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac46ac
https://arxiv.org/abs/2202.01221

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• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: Universität Bonn.

13. September 2021 – Ist das Standardmodell der Teilchenphysik an zentralen Punkten nicht korrekt? In jüngster Zeit mehren sich experimentelle Beobachtungen, die von den Vorhersagen dieser weithin akzeptierten physikalischen Theorie abweichen. Eine aktuelle Studie der Universität Bonn liefert nun noch stärkere Hinweise auf die Existenz einer „neuen Physik“. Die finale Version der Arbeit ist nun in der Fachzeitschrift Physics Letters B erschienen. Erstautor Chien-Yeah Seng wird die Ergebnisse Mitte Oktober auf der Herbsttagung der US-amerikanischen Physikalischen Gesellschaft präsentieren.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Bausteine, aus denen die Welt zusammengesetzt ist – wir Menschen, die Sandkörner am Strand, das Meereswasser, in dem wir uns abkühlen, aber auch die Sonne, die auf uns niederbrennt. Außerdem erklärt das Modell, welche Kräfte zwischen diesen Elementarteilchen wirken, und erlaubt es, viele physikalische Phänomene zu verstehen.

„Es gibt allerdings auch Fragen, die diese Theorie nicht beantworten kann“, erklärt Dr. Chien-Yeah Seng, Postdoktorand am Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „So gehen die meisten Forscherinnen und Forscher davon aus, dass 95 Prozent unseres Universums aus dunkler Materie und dunkler Energie bestehen, die wir mit unseren Messinstrumenten nicht direkt nachweisen können. Aus dem Standardmodell lässt sich die Existenz dieser mysteriösen Komponenten aber nicht herleiten.“

Viele Forschende gehen daher davon aus, dass das Standardmodell noch nicht der Weisheit letzter Schluss ist, sondern ergänzt oder sogar grundlegend verändert werden muss. In diese Richtung deuten auch immer mehr experimentelle Befunde, etwa die zum Zerfall der sogenannten Kaonen. Diese Teilchen sind ein Bestandteil der kosmischen Strahlung, die von Sternen und Galaxien ausgeht. Sie sind nicht stabil, sondern zerfallen im Schnitt nach wenigen Milliardstel Sekunden.

Kleine Diskrepanz zwischen Messung und Theorie

Ein Parameter des Standardmodells namens Vus beschreibt diesen Zerfall. Sein Wert lässt sich aus den Messdaten von Experimenten rechnerisch extrahieren. Wenn man das jedoch für verschiedene Zerfallswege von Kaonen macht, so erhält man unterschiedliche Ergebnisse für Vus. „Das könnte ein Hinweis von Physik jenseits des Standardmodells sein“, führt Seng aus.

Ganz sicher ist es aber nicht. Denn grundsätzlich gibt es drei mögliche Gründe für diese Diskrepanz: Erstens können die Messungen in den Experimenten falsch oder zu ungenau sein. Zweitens ist vielleicht die Berechnung der relevanten Zerfälle im Rahmen des Standardmodells nicht präzise genug. Oder, drittens, das Standardmodell ist an diesem Punkt tatsächlich unzutreffend. „Die erste Erklärung gilt inzwischen als unwahrscheinlich“, betont Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut. „Zum einen ist es heute immer exakter möglich, Vus experimentell zu bestimmen. Zum anderen wurden diese Messungen inzwischen schon viele Male wiederholt.“

Ist die Theorie falsch? Oder ist die Berechnung zu ungenau?

Unklar ist bislang aber noch, ob die Berechnungen der Zerfälle im Rahmen des Standardmodelles zur Extraktion von Vus präzise genug sind. Denn diese zu kalkulieren, ist nur näherungsweise möglich, und das auch nur unter Einsatz extrem leistungsfähiger Supercomputer. Selbst die schnellsten Rechner wären momentan zudem Jahrzehnte beschäftigt, um eine genügend hohe Rechengenauigkeit zu erzielen. „Wir benötigen aber eine hohe Genauigkeit, um ausreichend sicher sein zu können, dass die Diskrepanz zwischen den Vus-Werten tatsächlich auf einen Fehler im Standardmodell hindeutet“, betont Seng.

Der Nachwuchswissenschaftler aus Malaysia hat nun zusammen mit Kollegen eine Methode entwickelt, durch die sich die Rechenzeit entscheidend verkürzen lässt. „Dazu haben wir das Problem – die genaue Extraktion von Vus – in viele einfacherer Teilprobleme zerlegt“, sagt er. „Dadurch war es möglich, den Wert von Vus erheblich schneller und exakter als bislang aus Kaon-Zerfällen zu bestimmen.“

Hinweise auf eine „neue Physik“ verdichten sich

Die Ergebnisse bestätigen die Diskrepanz zwischen den Vus-Werten. Die Hinweise auf eine „neue Physik“ jenseits des Standardmodells haben sich daher verdichtet. „Ganz sicher können wir allerdings noch nicht sein“, sagt Seng, der seine Ergebnisse Mitte Oktober auf der Herbsttagung der US-amerikanischen Physikalischen Gesellschaft präsentieren wird. „Dazu müssen unsere Berechnungen noch etwas genauer werden. Wenn sich unsere Ergebnisse aber bestätigen, wäre das sicher einer der wichtigsten Befunde der letzten Jahre in der Teilchenphysik.“

Beteiligte Institutionen und Förderung:

An der Studie waren auch Forschende des Helmholtz-Instituts in Mainz beteiligt. Sie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die National Natural Science Foundation in China, die chinesische Academy of Sciences, die Humboldt-Stiftung und die Volkswagen-Stiftung gefördert.

Publikation: Chien-Yeah Seng, Daniel Galviz, Mikhail Gorchtein und Ulf-G. Meißner: High-precision determination of the Ke3 radiative corrections. Physics Letters B, https://doi.org/10.1016/j.physletb.2021.136522

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• Teilchenumwandlung

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Quelle: Universität Bonn.

18. August 2021 – Eine internationale Studie unter Federführung der Universität Bonn hat in Beschleuniger-Daten Hinweise auf einen lang gesuchten Effekt gefunden. Die sogenannte „Dreiecks-Singularität“ beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können. Der Mechanismus gibt auch neue Einblicke in ein Rätsel, das Teilchenphysiker schon lange umtreibt: Protonen, Neutronen und viele andere Teilchen sind viel schwerer, als man erwarten würde. Ursache sind Eigenheiten der starken Wechselwirkung, die die Quarks zusammenhält. Die Dreiecks-Singularität könnte dabei helfen, diese Eigenschaften besser zu verstehen. Die Publikation ist nun in den Physical Review Letters erschienen.

Die Forschenden analysierten in ihrer Studie Daten aus dem COMPASS-Experiment am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf. Darin werden bestimmte Teilchen, Pionen genannt, auf extrem hohe Geschwindigkeiten gebracht und auf Wasserstoff-Atome geschossen.

Pionen bestehen aus zwei Bausteinen, einem Quark und einem Anti-Quark. Diese werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten, ähnlich wie zwei Magnete, deren Pole sich anziehen. Wenn man Magnete voneinander entfernt, nimmt die Anziehung zwischen ihnen sukzessive ab. Bei der starken Wechselwirkung ist das anders: Sie steigt mit zunehmendem Abstand an, ähnlich wie die Zugkraft eines sich dehnenden Gummibands.

Der Aufprall des Pions auf den Wasserstoff-Kern ist jedoch so stark, dass dieses Gummiband reißt. Die in ihm gespeicherte „Dehnungs-Energie“ wird dabei auf einen Schlag frei. „Diese wird in Materie umgewandelt, wodurch neue Teilchen entstehen“, erklärt Prof. Dr. Bernhard Ketzer vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „Mit derartigen Experimenten können wir also wichtige Informationen über die starke Wechselwirkung gewinnen.“

Ungewöhnliches Signal

Im Jahr 2015 registrierten die COMPASS-Detektoren nach einem solchen Crashtest ein ungewöhnliches Signal. Es schien darauf hinzudeuten, dass bei dem Zusammenprall für wenige Sekundenbruchteile ein exotisches neues Teilchen entstanden war. „Normalerweise bestehen Teilchen entweder aus drei Quarks — dazu zählen etwa die Protonen und Neutronen — oder aber wie die Pionen aus einem Quark und einem Antiquark“, sagt Ketzer. „Dieser neue kurzlebige Zwischenzustand schien dagegen aus vier Quarks zu bestehen.“

Zusammen mit seiner Arbeitsgruppe und Kollegen der TU München hat der Physiker die Daten nun einer neuen Analyse unterzogen. „Dabei konnten wir zeigen, dass sich das Signal auch anders erklären lässt — nämlich durch die besagte Dreiecks-Singularität“, betont er. Dieser Mechanismus wurde bereits in den 1950er Jahren vom russischen Physiker Lew Dawidowitsch Landau postuliert, bislang aber noch nicht direkt nachgewiesen.

Demnach entstand bei der Teilchenkollision keineswegs ein Vierer-Quark, sondern ein ganz normales Quark-Antiquark-Zwischenprodukt. Dieses zerfiel aber direkt wieder, allerdings auf ungewöhnliche Weise: „Dabei tauschten die beteiligten Partikel Quarks aus und änderten ihre Identität“, sagt Ketzer, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen“ (TRA Matter) ist. „Das resultierende Signal sieht dann exakt so aus wie das von einem Vierer-Quark mit einer anderen Masse.“ Es ist das erste Mal, dass eine solche Dreiecks-Singularität direkt als vermeintliches neues Teilchen in diesem Massenbereich nachgewiesen wurde. Interessant ist das Ergebnis auch deshalb, weil es neue Einblicke in die Natur der starken Wechselwirkung erlaubt.

Nur ein kleiner Teil der Proton-Masse ist durch Higgs-Mechanismus erklärbar

Protonen, Neutronen, Pionen und andere Teilchen (die sogenannten Hadronen) haben eine Masse. Sie wird ihnen durch den sogenannten Higgs-Mechanismus verliehen, aber offensichtlich nicht ausschließlich: Ein Proton ist rund 20 Mal massereicher, als man es allein mit dem Higgs-Mechanismus erklären kann. „Der Großteil der Masse der Hadronen kommt durch die starke Wechselwirkung zustande“, erklärt Ketzer. „Wie genau die Massen der Hadronen zustandekommen, ist allerdings noch nicht geklärt. Unsere Daten helfen uns, die Eigenschaften der starken Wechselwirkung besser zu verstehen – und vielleicht auch, auf welche Weise sie zur Masse von Teilchen beiträgt.“

Förderung:

Die Studie wurde unter anderem aus Mitteln des BMBF, des DFG-Exzellenzclusters „Ursprung und Struktur des Universums“, der EU (im Rahmen ihres 7. Forschungsrahmenprogramms) sowie von Fördereinrichtungen in Tschechien, Frankreich, Indien, Israel, Italien, Japan, Polen, Portugal, Russland, Taiwan und den USA finanziert.

Publikation:

G. D. Alexeev u.a.: Triangle singularity as the origin of the a1(1420); Physical Review Letters 127, 082501 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.082501

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• Teilchenumwandlung

Der Beitrag Verwandlung im Teilchenzoo erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Bonn.

Vor einem halben Jahr meldeten Astronomen der Universität Bonn die Entdeckung eines extrem langen intergalaktischen Gasfadens mit dem Röntgenteleskop eROSITA. In einer neuen Studie haben sie sich nun auf eine interessante Struktur in dem Faden konzentriert, den nördlichen Klumpen. Ihre neuen Beobachtungsdaten belegen, dass es sich dabei um einen Galaxienhaufen mit einem schwarzen Loch im Zentrum handelt. Der Gasfaden ist demnach eine galaktische Materiestraße: Der nördliche Klumpen bewegt sich auf ihr auf zwei weitere riesige Galaxienhaufen zu und wird irgendwann mit ihnen verschmelzen. Die Veröffentlichung erfolgt in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics, zusammen mit weiteren Arbeiten, die aus Anlass der ersten eROSITA-Daten erscheinen.

Das Universum ähnelt einem Schweizer Käse – allerdings einem mit riesigen Löchern: Große Bereiche im All sind absolut leer. Dazwischen tummeln sich auf vergleichsweise engem Raum Tausende von Galaxien. Diese Cluster sind durch Straßen aus dünnem Materiegas miteinander verbunden, wie durch die hauchdünnen Fäden eines Spinnennetzes.

So sagt es zumindest das Standardmodell der Kosmologie voraus. Ob es sich tatsächlich so verhält, war bis vor kurzem kaum zu belegen. Denn die Materie in den Gasfäden ist so stark verdünnt, dass sie sich dem Blick selbst der empfindlichsten Messinstrumente entzog: Die Fäden enthalten pro Kubikmeter gerade einmal zehn Teilchen – das ist sehr viel weniger, als in dem besten Vakuum vorhanden sind, das Menschen herstellen können.

Entsprechend viel Aufsehen erregte im letzten Winter eine Studie unter Federführung der Universität Bonn. Die Forschenden hatten einen intergalaktischen Gasfaden von mindestens 50 Millionen Lichtjahren Länge entdeckt, der von zwei riesigen Galaxienhaufen ausgeht. „In diesem Faden gibt es einen weiteren Galaxienhaufen, den nördlichen Klumpen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Reiprich vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. „In der jetzt erschienenen Arbeit haben wir ihn genauer unter die Lupe genommen.“

Bugwelle und Materieschweif
Die Wissenschaftler kombinierten dazu Aufnahmen verschiedener Quellen miteinander: der Satelliten SRG/eROSITA, XMM-Newton und Chandra sowie der EMU-Durchmusterung mit dem ASKAP-Radioteleskop und optische DECam Daten. Auf diese Weise entstanden Bilder mit nie gesehenem Detailreichtum. „So können wir im Mittelpunkt des nördlichen Klumpen eine große Galaxie ausmachen“, sagt Reiprichs Mitarbeiterin und Erstautorin der Studie Angie Veronica. „In ihrem Zentrum wiederum befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch.“ Von ihm gehen zwei so genannte Materiejets aus, in denen sich die Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit vom schwarzen Loch entfernen. Dabei entsteht Synchroton-Strahlung, die sich in den Radioteleskop-Aufnahmen sichtbar machen lässt.

Darüber hinaus enthält der nördliche Klumpen sehr heißes Materiegas. „Aufgrund seiner hohen Temperatur von 20 Millionen Grad emittiert es Röntgenstrahlung, die wir in den eROSITA-Bildern sehen und mit dem XMM-Newton Satelliten nun sehr genau vermessen konnten“, sagt Veronica. Insgesamt zeigt die Kombination der Datenquellen, dass der nördliche Klumpen sich wahrscheinlich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die Materiejets, die vom schwarzen Loch ausgehen, weisen wie die Zöpfe eines rennenden Mädchens nach hinten; vor dem Klumpen scheint das Gas zudem eine Art Bugwelle zu bilden. „Zudem sehen wir hinter ihm einen Materieschweif“, erklärt Reiprich. „Wir interpretieren diese Beobachtung momentan so, dass der nördliche Klumpen bei seiner Reise Materie verliert. Allerdings könnte es auch so sein, dass noch kleinere Materieklumpen in der Straße auf den nördlichen Klumpen zufallen.“

Insgesamt bestätigen die Beobachtungen die aus Theorien abgeleitete These, dass es sich bei dem Gasfaden um eine intergalaktische Materiestraße handelt. Der nördliche Klumpen bewegt sich auf dieser Straße mit hoher Geschwindigkeit auf zwei weitere, sehr viel größere Galaxienhaufen namens Abell 3391 und Abell 3395 zu. „Er fällt sozusagen auf diese Haufen und wird sie weiter vergrößern – ganz nach dem Prinzip: Wer hat, dem wird gegeben“, erklärt Reiprich, der auch Mitglied im transdisziplinären Forschungsbereich „Bausteine der Materie“ an der Universität Bonn ist. „Was wir sehen, ist eine Momentaufnahme dieses Falls.“

Beobachtungen in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen
Die Beobachtungen stimmen erstaunlich gut mit dem Ergebnis der Magneticum-Computersimulationen überein, die von Forschern des eROSITA-Konsortiums entwickelt wurden. Sie lassen sich daher auch als Argument dafür werten, dass die heute gültigen Annahmen über die Entstehung und Entwicklung des Universums korrekt sind. Dazu zählt auch die These, dass ein großer Teil der Materie für unsere Messinstrumente unsichtbar ist. 85 Prozent unseres Universums sollen aus dieser „dunklen Materie“ bestehen. Im Standardmodell der Kosmologie spielt sie unter anderem eine wichtige Rolle als Kondensationskeim, der nach dem Urknall die Verdichtung der gasförmigen Materie zu Galaxien bewirkte.

Beteiligte Institutionen und Förderung:
An der Studie waren über 20 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland, Italien, den USA und Australien beteiligt. eROSITA wurde mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Die aktuelle Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Publikation:
Angie Veronica u.a.: The eROSITA view of the Abell 3391/95 field: The Northern Clump. The largest infalling structure in the longest known gas filament observed with eROSITA, XMM-Newton, and Chandra.
Astronomy & Astrophysics, der Artikel wird in der Astronomy & Astrophysics-Spezialausgabe erscheinen: The Early Data Release of eROSITA and Mikhail Pavlinsky ART-XC on the SRG Mission, vorab auf

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Längster intergalaktischer Gasfaden entdeckt (17. Dezember 2020)

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)
• Galaxien – Entstehung und Entwicklung

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Quelle: DLR.

Das „Living-Planet“-Symposium der ESA findet alle drei Jahre mit etwa 4000 – 5000 Teilnehmenden statt, zuletzt im Mai 2019 in Mailand – mit umfassender Unterstützung durch Stadt und Universität. Vom 23.-27. Mai 2022 soll die weltweit größte Fachkonferenz im Bereich der Erdbeobachtung erstmals nach Deutschland kommen – genauer gesagt ins WCCB in Bonn. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR, die im Auftrag der Bundesregierung das deutsche Engagement in der ESA koordiniert, hat hier ihren Sitz, ebenso verschiedene UN-Sekretariate mit Fokus auf Umwelt- und Klimafragen. Die Bundesstadt am Rhein ist seit neustem auch Heimat der Europäischen Wetterbehörde EZMW, die Universitäten in Bonn und Köln haben zudem gemeinsam mit dem Forschungszentrum Jülich im Jahr 2020 das CESOC (Center for Earth System Observations and Computational Analysis) gegründet.

Die Beobachtung der Erde aus dem All mithilfe von Satelliten ist ein wesentlicher Baustein für dauerhaftes, aktives Umwelt- und Klima-Monitoring und daraus abzuleitende Maßnahmen für den globalen und regionalen Umwelt- und Klimaschutz.

„Deutschland gehört zur Weltspitze bei der Entwicklung und Anwendung von Erdbeobachtungstechnologien. Als starker Partner der ESA freuen wir uns sehr, Co-Gastgeber des `Living Planet Symposiums‘ zu sein. Das Symposium ist eine hervorragende Gelegenheit für den internationalen Expertenaustausch zu aktuellen, uns alle betreffenden globalen Herausforderungen wie Klimaschutz, Ernährungssicherheit oder auch die Umsetzung nachhaltiger Technologien, die wir mithilfe von Erdbeobachtung fokussierter angehen können“, sagt Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Wir möchten die Chance nutzen, die Themen der Veranstaltung mitzugestalten und wichtige umwelt- und klimapolitische Ziele im nationalen und internationalen Umfeld zu platzieren. Zugleich freue ich mich, dass rund um das Symposium viele Aktionen geplant sind, um den Nutzen und den Wert der Erdbeobachtung mithilfe von Satelliten und Satellitendaten verständlich zu machen.“

Toni Tolker-Nielsen, der kommissarische Direktor für die ESA-Erdbeobachtungsprogramme, betont: „Das anstehende Symposium wird die bisher umfassendste Veranstaltung sein. Wir werden alle möglichen Vorteile und Zukunftspotenziale der Erdbeobachtung erkunden und demonstrieren, vom Verständnis der Erdsysteme über das Aufbauen neuer Partnerschaften, um die Nutzerbasis zu erweitern und den Zugang zu Kapital zu verbessern, bis hin zur Förderung der grünen Wende, bei dem auf Erdbeobachtung basierende Dienste in die Politik integriert werden können.“

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR unterstützt die ESA im Vorbereitungsteam, das DLR ist Co-Gastgeber der Konferenz. Weitere Informationen finden Sie auf der „Living Planet Symposium 2022 Webseite“: www.lps22.esa.int.

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• ESA-Living-Planet-Symposium 2022 in Bonn

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Quelle: AIfA Universität Bonn.

Mehr als die Hälfte der Materie in unserem Universum entzog sich bislang unserem Blick. Astrophysiker hatten allerdings eine Vermutung, wo sie sich aufhalten könnte: In sogenannten Filamenten, unvorstellbar großen fädigen Strukturen aus heißem Gas, die Galaxien und Galaxienhaufen umgeben und miteinander verbinden. Ein Team unter Federführung der Universität Bonn hat nun erstmals einen Gasfaden von 50 Millionen Lichtjahren Länge beobachtet. Sein Aufbau ähnelt frappierend den Vorhersagen von Computersimulationen. Die Beobachtung bestätigt daher auch unsere Vorstellungen von der Entstehung und Entwicklung unseres Universums. Die Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Wir verdanken unsere Existenz einer winzigen Unregelmäßigkeit. Vor ziemlich genau 13,8 Milliarden Jahren kam es zu einem gewaltigen Rums, dem Urknall. Er bildet den Anfang von Raum und Zeit, aber auch von sämtlicher Materie, aus denen unser Universum heute besteht. Diese war zunächst auf einen Punkt konzentriert, dehnte sich aber rasend schnell aus – eine gigantische Gaswolke, in der die Materie nahezu gleichmäßig verteilt war.

Nahezu, aber eben nicht völlig: An manchen Stellen war die Wolke etwas dichter als an anderen. Und allein deshalb gibt es heute Planeten, Sterne und Galaxien. Denn von den dichteren Gebieten gingen etwas höhere Gravitationskräfte aus, die das Gas aus ihrer Umgebung zu sich heranzogen. Mit der Zeit konzentrierte sich in diesen Gegenden daher mehr und mehr Materie. Der Raum zwischen ihnen wurde dagegen leerer und leerer. So entstand innerhalb von gut 13 Milliarden Jahren eine Art Schwammstruktur: große „Löcher“ ohne Materie, dazwischen Bereiche, in denen sich auf engem Raum Tausende von Galaxien tummeln, so genannte Galaxienhaufen oder -cluster.

Wenn es sich tatsächlich so abgespielt hat, müssten die Galaxien und Cluster noch immer durch Reste dieses Gases verbunden sein, wie durch die hauchdünnen Fäden eines Spinnennetzes. „Berechnungen zufolge befindet sich in diesen Filamenten mehr als die Hälfte der gesamten baryonischen Materie unseres Universums – das ist die Materieform, aus der Sterne und Planeten bestehen, ebenso wie wir selber“, erklärt Prof. Dr. Thomas Reiprich vom Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn. Dennoch entzog sie sich bislang unseren Blicken: Aufgrund der enormen Ausdehnung der Filamente ist das Materiegas in ihnen extrem verdünnt: Es enthält pro Kubikmeter gerade einmal zehn Teilchen – das ist sehr viel weniger, als in dem besten Vakuum vorhanden sind, das wir auf der Erde herstellen können.

Mit einem neuen Messinstrument, dem eROSITA-Weltraumteleskop, konnten Reiprich und seine Kollegen das Gas nun aber erstmals umfassend sichtbar machen. „eROSITA hat sehr empfindliche Detektoren für die Art von Röntgenstrahlung, die von dem Gas in Filamenten ausgeht“, erklärt Reiprich. „Außerdem hat es ein großes Gesichtsfeld – es bildet wie ein Weitwinkel-Objektiv einen relativ weiten Teil des Himmels in einer einzigen Messung ab, und das in sehr hoher Auflösung.“ Dadurch lassen sich in vergleichsweise geringer Zeit detaillierte Aufnahmen von derart großen Objekten anfertigen, wie es die Filamente sind.

Bestätigung des Standardmodells
Die Wissenschaftler nahmen in ihrer Studie ein Himmelsobjekt namens Abell 3391/95 unter die Lupe. Dabei handelt es sich um ein System von drei Galaxienhaufen, das rund 700 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Auf den eROSITA-Aufnahmen sind nicht nur die Haufen und zahlreiche Einzelgalaxien zu erkennen, sondern auch die Gasfäden, die diese Strukturen miteinander verbinden. Das gesamte Filament ist 50 Millionen Lichtjahre lang. Möglicherweise ist es aber noch riesiger: Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Aufnahmen nur einen Ausschnitt zeigen.

„Wir haben unsere Beobachtungen mit den Ergebnissen einer Simulation verglichen, die die Entwicklung des Universums nachstellt“, erklärt Reiprich. „Die eROSITA-Bilder ähneln den computergenerierten Grafiken frappierend. Das spricht dafür, dass das weithin akzeptierte Standardmodell zur Entwicklung des Universums korrekt ist.“ Vor allem zeigen die Daten aber, dass sich die fehlende Materie wohl tatsächlich in den Filamenten verbirgt.

Reiprich ist auch Mitglied des Transdisziplinären Forschungsbereichs (TRA) „Bausteine der Materie und grundlegende Wechselwirkungen“ der Universität Bonn. In sechs verschiedenen TRAs kommen Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Fakultäten und Disziplinen zusammen, um gemeinsam an zukunftsrelevanten Forschungsthemen der Exzellenzuniversität zu arbeiten.

Beteiligte Institutionen und Förderung
An der Studie waren fast 50 Wissenschaftler aus Institutionen in Deutschland, den USA, der Schweiz, Chile, Australien, Spanien, Südafrika und Japan beteiligt.

eROSITA wurde mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Das Teleskop wurde im vergangenen Jahr an Bord eines russisch-deutschen Satelliten ins All geschossen, dessen Bau durch die russische Weltraumagentur Roskosmos unterstützt wurde. Die aktuelle Studie wurde durch mehrere Forschungsförderorganisationen in den beteiligten Ländern gefördert.

Bei dieser Arbeit kamen auch die Dark Energy Camera (DECam) am 4-Meter-Teleskop Víctor M. Blanco am Interamerikanischen Observatorium Cerro Tololo, ein Programm des NOIRLab der NSF, und das von der CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) gebaute und betriebene Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) Teleskop zum Einsatz.

Publikation:
T.H. Reiprich u.a.: The Abell 3391/95 galaxy cluster system: A 15 Mpc intergalactic medium emission filament, a warm gas bridge, infalling matter clumps, and (re-) accelerated plasma discovered by combining eROSITA data with ASKAP/EMU and DECam data. Astronomy & Astrophysics,
DOI: 10.1051/0004-6361/202039590

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