Quelle: FAU.

3500 Meter – so tief liegt das Neutrinoteleskop KM3Net/ARCA, das seit 2015 am Grunde des Mittelmeeres vor der Küste Siziliens aufgebaut wird. Forschende vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der FAU bauen unter anderem wichtige Messmodule für dieses internationale Projekt. Während einer einwöchigen Seekampagne Anfang April 2021 wurden fünf neue Detektionseinheiten des Neutrino-Teleskops angeschlossen und sind nun betriebsbereit.

Das KM3NeT/ARCA-Teleskop, das zukünftig das Volumen eines Würfels mit einem Kilometer Seitenlänge umfassen wird, befindet sich etwa 80 Kilometer vor Capo Passero, Sizilien. Zusammen mit seinem Schwesterteleskop ORCA, das vor der Küste von Toulon in Frankreich liegt, wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die astrophysikalischen Quellen der hochenergetischen kosmischen Neutrinos identifizieren und die fundamentalen Eigenschaften der schwer fassbaren und allgegenwärtigen Elementarteilchen untersuchen. Die beiden Teleskope werden ebenso noch nie dagewesene Möglichkeiten für erd- und meereswissenschaftliche Studien bieten.

Hochempfindliche Sensoren
Nach seiner Fertigstellung wird KM3NeT/ARCA mit mehr als zweihundert Detektionseinheiten ausgerüstet sein. Jede dieser 700 Meter hohen Einheiten besteht aus 18 Modulen, die mit hochempfindlichen Lichtsensoren ausgestattet sind, die die schwachen Lichtblitze registrieren, die durch Neutrino-Wechselwirkungen im pechschwarzen Abgrund des Mittelmeers entstehen. Bisher war eine Detektionseinheit im Einsatz. Mittels ferngesteuertem Tauchfahrzeug setzten die am Projekt teilnehmenden Teams nun fünf neue KM3NeT-Detektionseinheiten ein.

Diese sechs Detektionseinheiten bilden den anfänglichen Kern des KM3NeT/ARCA Neutrinoteleskops. 18 der optischen Module in einer der neu installierten Detektoreinheiten wurden an der FAU gebaut. „Wir haben jetzt gezeigt, dass wir die Detektorkomponenten mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit herstellen und in der Tiefsee installieren können. Das ist ein großartiger Erfolg, der die Tür zum vollständigen Aufbau von KM3NeT weit öffnet“, sagt Prof. Dr. Ulrich Katz, Lehrstuhl für Experimentalphysik (Astroteilchenphysik) der FAU und Mitinitiator des KM3NeT/ARCA-Projekts. Neben dem Bau dieser optischen Module, von denen auch für die nächste Kampagne Module an der FAU gebaut werden, testen die Erlanger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler außerdem die Lichtdetektoren, koordinieren die Softwareentwicklung und bringen Machine Learning-Methoden für die Datenauswertung zur Anwendung.

Während der Kampagne ist zudem eine neue Junction Box, ein Knotenpunkt für die Stromverteilung und Datenübertragung der Detektionseinheiten, eingebaut worden. Diese Box ist über ein elektrooptisches Kabel mit einem Labor des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien verbunden. Als letzter Schritt wurde die erste Detektionseinheit, die seit 2015 im Einsatz ist, an den neuen Verteilerkasten angeschlossen.

KM3NeT ist ein internationales Projekt von über 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus mehr als fünfzig wissenschaftlichen Instituten auf der ganzen Welt. KM3NeT wurde in die Liste der vom Europäischen Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) ausgewählten Projekte mit hoher Priorität aufgenommen.

Link:
Webseite von KM3NeT

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• Unterwasser-Neutrino-Detektor KM3NeT

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Quelle: FAU.

Ein internationales Team renommierter Astrophysikerinnen und -physiker unter Beteiligung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat neue Erkenntnisse über Cygnus X-1 gewonnen. Das Schwarze Loch und sein Begleitstern in der Milchstraße sind weiter von der Erde entfernt und wesentlich massereicher als bisher angenommen. Das Projekt liefert zugleich neue Antworten auf die Frage, wie Schwarzer Löcher überhaupt entstehen. Die Ergebnisse sind im führenden Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht worden.

Den ersten Hinweis gab es bereits 1964: Zwei Geigerzähler an Bord einer suborbitalen Rakete, die von New Mexico aus abgefeuert wurde, registrierten eine starke Röntgenquelle in unserer Milchstraße. Acht Jahre später entdeckte der US-amerikanische Astronom Tom Bolton, dass diese Röntgenquelle um den Stern HDE 226868, einen sogenannten Blauen Riesen, kreist. Bolton schloss daraus, dass es sich bei Cygnus X-1 – so der Name der unsichtbaren Quelle – um ein schwarzes Loch handeln müsse. Diese Annahme wurde durch spätere Beobachtungen bestätigt. „Cygnus X-1 ist das erste Schwarze Loch, das in unserer Milchstraße entdeckt wurde“, erklärt Prof. Dr. Jörn Wilms, Astrophysiker der Universitätssternwarte der FAU.

Die tatsächliche Entfernung des Systems von der Erde konnte bislang nur grob geschätzt werden, ebenso wie die Massen des Schwarzen Lochs und seines Begleitsterns. Wilms hat deshalb ein ambitioniertes Projekt initiiert, zu dem sich ein internationales Team renommierter Astronominnen und Astronomen zusammengeschlossen hat. Die Forschenden nutzten das Very Long Baseline Array, ein Cluster aus zehn in den USA verteilten Radioteleskopen, um eine präzise Paralaxenmessung vorzunehmen. „Die Messung basiert auf dem Prinzip, dass man die Entfernung eines Objektes bestimmen kann, indem man es von zwei verschiedenen Orten aus betrachtet“, sagt Jörn Wilms. „Die unterschiedlichen Beobachtungspositionen ergeben sich in unserem Fall durch die Bewegung der Erde um die Sonne.“

Materieverlust heller Sterne geringer als vermutet
Über einen Zeitraum von sechs Tagen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Projektleiter James Miller-Jones vom International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) das Cygnus-System beobachtet und dabei über 2000 Messwerte aufgezeichnet. Das Ergebnis: Cygnus X-1 ist deutlich weiter von der Erde entfernt als bislang angenommen – etwa 7200 anstatt der zuvor geschätzten 6100 Lichtjahre. „Aus dieser Kalibrierung ergibt sich auch, dass Cygnus deutlich größer sein muss“, erklärt Jörn Wilms. „Wir haben errechnet, dass das Schwarze Loch mehr als 20-mal so massereich wie die Sonne ist“, sagt Jörn Wilms. „Das übertrifft frühere Schätzungen um 50 Prozent.“

Diese Erkenntnis wirft zugleich ein neues Licht auf die Entstehung Schwarzer Löcher überhaupt: Bislang ging die Forschung davon aus, dass helle Sterne bis zur Supernova-Explosion sehr viel Masse an ihre Umgebung verlieren. Wilms: „Durch Sternwinde wird Materie von der Oberfläche quasi weggeblasen. Damit ein Schwarzes Loch jedoch so massiv werden kann wie Cygnus X-1, muss dieser Masseverlust deutlich geringer sein als wir dachten.“

Anhand der aktuellen Messdaten gehen die Forschenden davon aus, dass das Schwarze Loch im Cygnus X-1-System sein Leben als Stern begann, der ungefähr 60-mal so groß wie die Sonne war und vor Zehntausenden von Jahren kollabiert ist. Trotz seiner gigantischen Größe umkreist es in nur fünfeinhalb Tagen seinen Begleitstern HDE 226868, wobei die Umlaufbahn nur ein Fünftel der Entfernung zwischen Erde und Sonne beträgt. Dabei dreht sich Cygnus X-1 unglaublich schnell – sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit und damit schneller als jedes andere bisher gefundene Schwarze Loch. Die extrem starke Röntgenstrahlung entsteht dadurch, dass der Begleitstern einen Teil seiner Masse an das Schwarze Loch verliert und dabei eine Scheibe aus Gas bildet, die sich durch Reibung auf mehrere Millionen Grad erhitzt.

Neues Radioteleskop soll weitere Geheimnisse lüften
„Schwarze Löcher zählen nach wie vor zu den bestgehüteten Geheimnissen des Universums“, sagt Jörn Wilms. „Mit unserem Projekt haben wir einen weiteren Teil dieses Geheimnisses lüften können.“ Im kommenden Jahr soll der Bau des Square Kilometer Array (SKA) in Australien und Südafrika beginnen, das die Empfindlichkeit des aktuell größten Radioteleskops der Welt nochmals übertrifft und das Universum noch detaillierter abbilden kann. Die Astroforschung verspricht sich davon neue Impulse für das Verständnis exotischer und extremer kosmischer Objekte, die uns bislang verborgen bleiben.

Publikation:
„Cygnus X-1 contains a 21–solar mass black hole—Implications for massive star winds”

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• Cygnus X-1

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Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Astronomen haben in der ersten vollständigen Himmelskarte des Röntgenteleskops eROSITA an Bord des SRG-Observatoriums eine auffallende Entdeckung gemacht: eine riesige kreisrunde Struktur aus heißem Gas unterhalb der Milchstraßenebene, die den größten Teil des südlichen Himmels einnimmt. Eine ähnliche Struktur am Nordhimmel, der sogenannte „Nordpolar-Sporn“, ist seit langem bekannt und man nahm an, dass er von einer frühen Supernova-Explosion stammte. Zusammengenommen scheinen die nördliche und die südliche Struktur stattdessen beide aus dem galaktischen Zentrum auszutreten und erinnern in ihrer Form an eine Sanduhr. An der FAU sind die Gruppen für Multiwellenlängenastronomie von Prof. Dr. Manami Sasaki und für Röntgenastronomie von Prof. Dr. Jörn Wilms der Dr. Karl Remeis Sternwarte des Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) an der eROSITA-Mission beteiligt. Die Remeis-Sternwarte leistet einen wichtigen Beitrag zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften und des Ursprungs der eROSITA-Blasen.

„Dank seiner Empfindlichkeit sowie Energie- und Winkelauflösung kann eROSITA den gesamten Röntgenhimmel mit bisher unerreichter Tiefe kartieren und so auch die südliche Blase eindeutig nachweisen“, erklärt Michael Freyberg, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) schon viele Jahre an eROSITA arbeitet. Das Röntgenteleskop durchmustert alle sechs Monate den gesamten Himmel, und die Daten ermöglichen es den Wissenschaftlern, nach großräumigen Strukturen zu suchen. Die Röntgenemission, die von eROSITA beobachtet wird, zeigt dass die Blasen eine Ausdehnung von mehreren Kiloparsec, oder bis zu 50.000 Lichtjahren, im Durchmesser haben, und damit fast so groß sind wie die Milchstraße selbst.

Diese ‚eROSITA-Blasen‘ zeigen auffallende morphologische Ähnlichkeiten mit den bereits bekannten ‚Fermi-Blasen‘, die das Fermi-Teleskop im Bereich der Gammastrahlen entdeckte, sie sind aber größer und energiereicher. „Die scharfen Grenzflächen dieser Blasen laufen höchstwahrscheinlich entlang von Schockwellen, die durch einen massiven Energieeintrag aus dem Innern unserer Galaxie in den galaktischen Halo verursacht wurden“, führt Peter Predehl aus, der Erstautor des Nature-Artikels. „Solch eine Erklärung wurde bereits früher für die Fermi-Blasen vorgeschlagen; mit eROSITA ist jetzt ihr volles Ausmaß und ihre Morphologie offensichtlich geworden.“ Diese Entdeckung wird den Astronomen helfen, den kosmischen Kreislauf der Materie in und um die Milchstraße und andere Galaxien zu verstehen.

Der größte Teil der gewöhnlichen, baryonischen Materie im Universum ist für unsere Augen unsichtbar; alle Sterne und Galaxien, die wir mit optischen Teleskopen beobachten, machen weniger als 10% ihrer Gesamtmasse aus. Man nimmt an, dass sich riesige Mengen unbeobachteter baryonischer Materie in den Halos mit geringer Dichte befinden, die die Galaxien und die Filamente im kosmischen Netz wie Kokons umgeben. Diese Halos sind heiß, mit einer Temperatur von Millionen von Grad, und daher nur für Teleskope sichtbar, die energiereiche Strahlung nachweisen können.

Die Blasen, die eROSITA jetzt gefunden hat, zeigen Störungen in dieser heißen Gashülle um unsere Milchstraße auf, die entweder durch eine Periode intensiver Sternentstehung oder durch einen Ausbruch aus dem supermassereichen Schwarzen Loch im galaktischen Zentrum verursacht wurden. Auch wenn das Schwarze Loch sich jetzt ruhig verhält, könnte es in der Vergangenheit durchaus aktiv gewesen sein, ähnlich wie man es bei aktiven Galaxienkernen (AGN) mit stark wachsenden Schwarzen Löchern in fernen Galaxien beobachten kann.

In beiden Fällen muss die Energie, die für die Entstehung dieser riesigen Blasen nötig ist, enorm gewesen sein. „Die Narben, die solche Ausbrüche hinterlassen, brauchen sehr lange, um in diesen Halos zu heilen“, fügt eROSITA-Projektwissenschaftler Andrea Merloni hinzu. „Die Wissenschaftler haben lange und bei vielen Galaxien nach den gigantischen Signaturen solch gewalttätiger Aktivitäten in der Vergangenheit gesucht.“ Die eROSITA-Blasen liefern jetzt ein starkes Indiz für großräumige Wechselwirkungen zwischen einem Galaxienkern und dem Halo um die Galaxie. Diese Prozesse sind dabei energiereich genug, um die Struktur, den Energiegehalt und die chemische Anreicherung des zirkumgalaktischen Mediums der Milchstraße zu stören.

„eROSITA schließt derzeit die zweite Durchmusterung des gesamten Himmels ab und verdoppelt damit die Anzahl der Röntgenphotonen, die von den entdeckten Blasen kommen“, betont Rashid Sunyaev, wissenschaftlicher Leiter des SRG-Observatoriums in Russland. „Wir haben noch enorm viel Arbeit vor uns, denn die eROSITA-Daten ermöglichen es uns, viele Röntgen-Spektrallinien zu identifizieren, die von dem hoch ionisierten Gas emittiert werden. Das bedeutet, dass wir nicht nur die Fülle der chemischen Elemente, den Grad ihrer Ionisierung, die Dichte und Temperatur des emittierenden Gases in den Blasen untersuchen können, sondern wir können auch die Orte der Schockwellen identifizieren und charakteristische Zeitskalen abschätzen.“

Informationen zur eROSITA-Mission bei der FAU:
Kosmischen Giganten auf der Spur
Beeindruckender Blick in den Himmel

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• DLR: Der größte Schock unserer Heimatgalaxie (9. Dezember 2020)

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• Röntgenteleskope ART-XC und eRosita auf Spektr-RG (SRG)

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Quelle: DLR.

Ein Forschungsteam der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) untersuchte die Flächen- und Höhenänderungen aller Gletscher der europäischen Alpen über einen Zeitraum von 14 Jahren. Dazu verglichen sie dreidimensionale Geländemodelle der deutschen Radarsatellitenmission TanDEM-X und der deutsch-amerikanischen Shuttle-Radar Topography Mission (SRTM) aus der Zeit zwischen 2000 und 2014. Die Höhenmodelle kombinierte das Team mit optischen Aufnahmen der Landsat-Satelliten der NASA. Das Ergebnis: Ungefähr 17 Prozent des gesamten Eisvolumens der Alpen gingen seit der Jahrtausendwende verloren. Die Erkenntnisse veröffentlichte das Team kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Ein Verlust an Eisvolumen von 17 Prozent entspricht mehr als 22 Kubikkilometern. Das ist größer als das Siebenfache des Wasservolumens des Starnberger Sees. Außer den höchsten Erhebungen der Zentralalpen erreicht die Eisschmelze bereits auch höher gelegene Gletscherregionen und die Tendenz setzt sich fort.

Die stärksten Verluste traten in den Gebirgsmassiven der Schweizer Alpen auf. Allein die großen Talgletscher der Berner Alpen verloren im Zeitraum von 2000 bis 2014 etwa 4,8 Gigatonnen Eismasse. Die Eisdicke ging im Durchschnitt um 0,72 Meter pro Jahr zurück. Das entspricht einem Volumen von knapp fünf Kubikkilometern. Lokal waren die Schmelzraten in den unteren Gletscherbereichen sogar um ein Vielfaches höher. Ein Beispiel stellte der größte Gletscher der Alpen auf, der Große Aletsch-Gletscher: Dort schrumpfte die Gletscheroberfläche nahe der Gletscherfront durch Abschmelzen jährlich um bis zu fünf Meter und mehr.

Zu diesen Ergebnissen kam das Team des FAU-Instituts für Geographie durch die Kombination der Daten aus den drei Erdbeobachtungsmissionen TanDEM-X, SRTM und Landsat. Entscheidender Vorteil des Verfahrens war, dass annähernd gleichzeitige Flächen- und Höhenmessungen verglichen werden konnten. Ähnliche Studien aus anderen Gebirgsregionen der Erde gehen in der Regel von einer konstanten vergletscherten Fläche während eines Beobachtungszeitraums aus. Besonders in hochdynamischen Gletscherregionen wie den europäischen Alpen kann dies zu einer deutlichen Unterschätzung der tatsächlichen Massenbilanz führen.

Die Radarsatellitenmission TanDEM-X
Die Mission TanDEM-X wurde im Auftrag des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) in öffentlich-privater Partnerschaft mit Airbus Defence and Space ins Leben gerufen. Das DLR ist verantwortlich für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten sowie für die Planung und Durchführung der Mission, die Steuerung der beiden Satelliten und die Erzeugung des digitalen Höhenmodells.

An der Mission TanDEM-X beteiligt sind das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme als wissenschaftliche Leitung, das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (IMF) und die DLR-Einrichtung Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) am Standort Oberpfaffenhofen. Zusammen decken sie alle relevanten Arbeitsfelder der Mission ab: Sensortechnik, Missionsauslegung, hochgenaue operationelle Prozessierung der Daten und Erstellung von für den Nutzerbedarf optimierten Produkten. Zusammen mit dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum des DLR sind sie zudem für die Infrastruktur, die den Betrieb der Satelliten ermöglicht, das sogenannte Bodensegment, sowie für die Datenverarbeitung zuständig.

Einen Rückblick auf zehn Jahre TanDEM-X, den Ausblick für die mögliche Zukunft der Erdbeobachtung mit Radarsatelliten sowie Servicelinks zum TDX Science Server und Datenzugang für das – zur wissenschaftlichen Nutzung freie – 90-Meter-Höhenmodell finden Sie hier.

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• TanDEM-X auf Dnepr

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